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Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Korrosionssensor, insbesondere für einen Abgasstrang, zur Bestimmung einer Korrosionsrate eines Korrosion ausgesetzten Prüfmaterials. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Korrosionsmessvorrichtung mit einem solchen Korrosionssensor sowie einen Abgasstrang, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer solchen Korrosionsm essvorrichtung.
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Korrosionssensoren sowie Korrosionsmessvorrichtungen sind bekannt.
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Abgassysteme, wie Abgasstränge von Fahrzeugen, sind im Betrieb Korrosion ausgesetzt. Die Stärke der Korrosion schwankt hierbei sehr stark, so dass die Lebensdauer der Korrosion ausgesetzten Bauteile nicht zuverlässig abgeschätzt oder vorhergesagt werden können, insbesondere bei langen Wartungsintervallen. Ferner lassen sich die Korrosionsraten von Systemen aus der Praxis nicht mit den Systemen unter Laborbedingungen vergleichen, da die Einflussfaktoren aus dem praktischen Betrieb nicht konstant sind und sich zusätzlich von System zu System unterscheiden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel bereitzustellen, mit denen die Korrosionsrate von Korrosion ausgesetzten Materialien in Abgassystemen zuverlässig ermittelt werden können.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Hochtemperatur-Korrosionssensor (im Folgenden kurz „Korrosionssensor“), insbesondere für einen Abgasstrang, vorgesehen, der zur Bestimmung einer Korrosionsrate eines Korrosion ausgesetzten Prüfmaterials eingerichtet ist. Der Korrosionssensor hat ein Gehäuse, einen Grundkörper aus Keramik und genau drei Messelektroden in Form einer Arbeitselektrode aus einem ersten Material, einer Gegenelektrode aus einem zweiten Material und einer Referenzelektrode aus einem dritten Material. Die drei Messelektroden erstrecken sich hierbei in den Grundkörper und sind in diesem befestigt. Die drei Materialien sind unterschiedlich.
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Der erfindungsgemäße Korrosionssensor hat den Vorteil, dass direkt in der Hochtemperaturumgebung eines Abgasstrangs, das heißt auch bei dessen Betrieb, Korrosionsdaten erfasst werden können, mittels denen die Korrosionsrate von einem Korrosion ausgesetzten Prüfmaterial im Abgasstrang zuverlässig ermittelt werden kann.
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Der Korrosionssensor basiert auf einem Dreielektrodenaufbau, bei dem eine Elektrode aus dem zu untersuchenden Material, dem sogenannten Prüfmaterial, und die anderen beiden Elektroden aus jeweils unterschiedlichen Materialien bestehen. Um die Korrosionsrate des Prüfmaterials zu ermitteln, wird der Korrosionssensor in einem Messaufbau mit einem Potentiostat eingesetzt und mit einem an sich bekannten, standardisierten Verfahren die Korrosionsrate des Prüfmaterials anhand des Polarisationswiderstands bestimmt.
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Es wurde erkannt, dass der Dreielektrodenaufbau besonders gut für den Einsatz in einer Hochtemperaturumgebung geeignet ist. Aufgrund der geringen Anzahl an Messelektroden kann der Korrosionssensor besonders kompakt gestaltet sein, wodurch die Oberfläche und damit der Wärmeeintrag in den Korrosionssensor niedrig gehalten werden können. Ferner schützt der Grundkörper aus Keramik, der besonders hitzebeständig ist, die Messelektroden zuverlässig vor den hohen Temperaturen, die in einem Abgasstrang im Betrieb üblicherweise herrschen.
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Auf diese Weise ist der Korrosionssensor für Hochtemperaturanwendungen geeignet.
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Im Sinne der Erfindung bedeutet eine Eignung für Hochtemperaturanwendungen insbesondere, dass der Korrosionssensor eine Hitzebeständigkeit bis mindestens 800°C aufweist, beziehungsweise dass der Korrosionssensor dazu eingerichtet ist, mit einer Kontaktfläche, über die die Messung erfolgt, an ein Medium mit einer Temperatur von 800°C anzugrenzen.
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Es ist von Vorteil, wenn die Arbeitselektrode aus dem Prüfmaterial, die Gegenelektrode aus einem Metall mit hoher Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit, insbesondere einer Nickellegierung, und die Referenzelektrode aus einem Edelmetall gebildet sind, insbesondere aus Platin beziehungsweise aus einer Platinlegierung. Hierdurch sind die Gegenelektrode und die Referenzelektrode besonders resistent gegenüber hohen Temperaturen sowie Umgebungen mit hohem Korrosionspotential, so dass die Korrosionsrate des Prüfmaterials mit hoher Genauigkeit über einen langen Zeitraum zuverlässig bestimmt werden kann.
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In einer Ausführungsform bilden die Mittelpunkte der Querschnittsflächen der drei Messelektroden in einer axialen Ansicht die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks. Aufgrund dieser kreisförmigen Anordnung der Messelektroden, insbesondere der Enden der Messelektroden, bei der in einer Ebene senkrecht zur axialen Erstreckung der Messelektroden die Mittelpunkte jeweils den gleichen Abstand zueinander haben, hat der Korrosionssensor eine besonders hohe Messgenauigkeit in Bezug auf die zu ermittelnde Korrosionsrate.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörper eine außenliegende Kontaktfläche auf, mit der er einer Prüfumgebung ausgesetzt wird, wobei die drei Messelektroden an der Kontaktfläche enden und die Enden der Messelektroden jeweils mit der Kontaktfläche plan abschließen. Dies hat den Vorteil, dass die Messelektroden gut an das Reaktionsmedium in der Prüfumgebung angrenzen. Gleichzeitig kann so sichergestellt werden, dass sich keine Teilchen, wie Rußpartikel, in Mulden oder an über die Kontaktfläche hinaus ragenden Enden der Messelektroden ablagern und auf diese Weise die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
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Hierbei kann der Korrosionssensor senkrecht zur Kontaktfläche eine Gesamthöhe von maximal 50mm haben, wodurch der Korrosionssensor besonders kompakt und damit besonders gut für Abgasstränge geeignet ist, bei denen der zur Verfügung stehende Bauraum üblicherweise knapp und dessen effiziente Nutzung damit von entscheidender Bedeutung sind.
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Zusätzlich oder alternativ können sich die drei Messelektroden senkrecht zur Kontaktfläche durch den Grundkörper erstrecken, wodurch die Messelektroden im Grundkörper einen konstanten Abstand zueinander haben. Auf diese Weise kann der Korrosionssensor besonders kostengünstig hergestellt werden.
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Es ist von Vorteil, wenn die drei Messelektroden, insbesondere an ihren Enden, jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei der Durchmesser der Arbeitselektrode zwischen 0,5 mm und 4 mm, der Durchmesser der Gegenelektrode zwischen 0,5 mm und 4 mm und der Durchmesser der Referenzelektrode zwischen 0,2 mm und 3 mm beträgt. Diese Gestaltung gewährleistet eine hohe Messgenauigkeit, einen kompakten Aufbau sowie einen effizienten Materialeinsatz der Elektrodenmaterialien.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse ein offener Hohlkörper, in dem der Grundkörper so angeordnet ist, dass er an einer offenen Seite des Gehäuses freiliegt. Das Gehäuse ist dabei mit einem Keramikklebstoff, vorzugsweise vollständig, ausgefüllt, wodurch der Korrosionssensor feuchte- und wasserdicht und damit für den Einsatz in feuchten oder nassen Umgebungen, wie in einem Abgasstrang, geeignet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Messelektroden durch einen Keramikklebstoff in Aufnahmeöffnungen im Grundkörper eingeklebt. Hierdurch sind die Messelektroden, mit Ausnahme der freiliegenden Enden der Messelektroden, temperatur- und korrosionsgeschützt im Grundkörper befestigt. Ferner stellt die stoffschlüssige Verbindung sicher, dass die Aufnahmeöffnungen im Grundkörper feuchte- und wasserdicht verschlossen sind.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch eine Korrosionsmessvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Korrosionssensor mit den oben genannten Vorteilen sowie einem Potentiostat vorgesehen, der zur Bestimmung der Korrosionsrate des Prüfmaterials mit den drei Messelektroden elektrisch gekoppelt ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Abgasstrang, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer erfindungsgemäßen Korrosionsmessvorrichtung, die zum Inneren des Abgasstrangs freiliegt.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Abgasstrang mit einer erfindungsgemäßen Korrosionsmessvorrichtung, die einen erfindungsgemäßen Korrosionssensor aufweist,
- - 2 in einer perspektivischen Darstellung den Korrosionssensor aus 1, und
- - 3 in einer schematischen Draufsicht eine Kontaktfläche des Korrosionssensors aus 2.
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In 1 ist ein Abgasstrang 10 mit einer Korrosionsmessvorrichtung 20 gezeigt, die einen Potentiostat 22 und einen Korrosionssensor 30 aufweist. Der Abgasstrang 10 und der Korrosionssensor 30 sind hierbei im Querschnitt dargestellt.
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Der Abgasstrang 10 hat einen Abgaskanal 12, der von einer Kanalwandung 14 begrenzt wird und der dazu vorgesehen ist, in seinem Inneren 16 Abgas zu leiten.
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Der Abgasstrang 10 ist beispielweise Teil eines Fahrzeugs, bei dem über den Abgaskanal 12 Abgas von einem Verbrennungsmotor zu einem Auspuff des Fahrzeugs geleitet wird.
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Grundsätzlich kann der Abgasstrang Teil eines beliebigen Abgassystems sein, insbesondere Teil eines beliebigen Fahrzeugs.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Korrosionssensor 30 dazu vorgesehen, die Korrosionsrate der Kanalwandung 14 zu ermitteln, die aus Edelstahl besteht. Das bedeutet, das Prüfmaterial des Korrosionssensors 30 ist im folgenden Edelstahl.
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Selbstverständlich kann der Korrosionssensor 30 in einer alternativen Ausführungsform zur Ermittlung der Korrosionsrate eines beliebigen elektrisch leitfähigen Prüfmaterials vorgesehen sein.
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Um die Korrosionsrate des Prüfmaterials in der Prüfumgebung zu ermitteln, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch das Innere 16 des Abgaskanals 12 gebildet wird, ist in der Kanalwandung 14 eine Messdurchführung 18 vorgesehen, an der der Korrosionssensor 30 am Abgaskanal 12 angebracht ist.
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Der Korrosionssensor 30 hat ein Gehäuse 32 und einen Messkopf 34 (siehe 2) mit einem Grundkörper 36 sowie einer Arbeitselektrode 38, einer Gegenelektrode 40 und einer Referenzelektrode 42, die die Messelektroden des Korrosionssensors 30 bilden.
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Die Arbeitselektrode 38 besteht hierbei aus dem Prüfmaterial und die Gegenelektrode 40 aus einer Nickellegierung.
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Grundsätzlich kann die Gegenelektrode 40 aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material mit hoher Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit gebildet sein, insbesondere aus einem entsprechenden Metall.
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Die Referenzelektrode 42 besteht aus Platin.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Referenzelektrode 42 aus einem beliebigen Edelmetall bestehen.
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Der Grundkörper 36 hat eine kreiszylindrische Grundform und eine Kontaktfläche 44, die durch eine Stirnseite des Kreiszylinders gebildet ist.
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Grundsätzlich kann der Grundkörper 36 eine beliebige Form aufweisen, wobei die Kontaktfläche 44 in diesem Fall von einer beliebigen, vorzugsweise ebenen, Außenseite des Grundkörpers 36 gebildet wird.
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Der Grundkörper 36 besteht aus einer Keramik, die temperatur- und korrosionsbeständig ist, und bildet einen Isolator, der die Messelektroden 38, 40, 42 voneinander elektrisch isoliert.
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Hierzu weist der Grundkörper 36 für jede Messelektrode 38, 40, 42 eine Aufnahmeöffnung 46 (siehe 1) auf, über die sich die Messelektroden 38, 40, 42 durch den Grundkörper 36 zur Kontaktfläche 44 erstrecken.
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Die Aufnahmeöffnungen 46 erstrecken sich dabei senkrecht zur Kontaktfläche 44 in axialer Richtung A durch den Grundkörper 36.
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Selbstverständlich können sich die Aufnahmeöffnungen 46 in einer alternativen Ausführungsform in beliebiger Weise von der Kontaktfläche 44 durch den Grundkörper 36 erstrecken.
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Die Messelektroden 38, 40, 42 sind in den Aufnahmeöffnungen 46 mittels eines Keramikklebstoffs stoffschlüssig mit dem Grundkörper 36 verbunden.
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In der dargestellten Ausführungsform verlaufen die Messelektroden 38, 40, 42 bis zur Kontaktfläche 44 und schließen dort mit ihren entsprechenden Enden 48 plan mit der Kontaktfläche 44 ab.
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In einer alternativen Ausführungsform können sich die Messelektroden 38, 40, 42 jeweils beliebig weit durch den Grundkörper 36 bis zur Kontaktfläche 44 oder über diese hinaus erstrecken.
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Vorzugsweise beträgt dabei die Höhe, mit der die Enden 48 jeweils in axialer Richtung A über die Kontaktfläche 44 hinausragen oder gegenüber dieser in den Grundkörper 36 zurückversetzt sind, weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 2 mm.
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Die Enden 48 der Messelektroden 38, 40, 42 sind kreiszylinderförmig gestaltet.
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Grundsätzlich können die Enden 48 der Messelektroden 38, 40, 42 jedoch beliebig gestaltet sein, beispielsweise kuppelförmig.
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Dadurch, dass die Enden 48 der Messelektroden 38, 40, 42 freiliegen, sind diese chemischen Prozessen, wie Korrosion, ausgesetzt, sodass sich die Form der Enden 48 im Lauf der Zeit entsprechend verändert, insbesondere wenn der Korrosionssensor 30, wie später beschrieben, zur Bestimmung der Korrosionsrate eines Prüfmaterials verwendet wird.
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Die Dimensionierung und die Anordnung der Messelektroden 38, 40, 42 wird nachfolgend anhand der 3 erläutert, die die Kontaktfläche 44 in einer Draufsicht mit Blick in Richtung der axialen Richtung A in 2 zeigt.
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Die Mittelpunkte 50 der Messelektroden 38, 40, 42 sind, jeweils um einen Winkel α von 120° voneinander versetzt, auf einem gemeinsamen Kreis 52 angeordnet.
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Somit liegen die Mittelpunkte 50 auf den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks 54 und jeder Mittelpunkt 50 hat denselben Abstand zu den jeweils anderen Mittelpunkten 50.
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Die Arbeitselektrode 38 hat einen Durchmesser d1 von 3,25 mm, die Gegenelektrode 40 hat einen Durchmesser d2 von 2,25 mm und die Referenzelektrode 42 hat einen Durchmesser d3 von 1,25 mm.
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Selbstverständlich können die Messelektroden 38, 40, 42 in einer alternativen Ausführungsform jeweils einen beliebigen Durchmesser aufweisen.
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Vorzugsweise beträgt der Durchmesser d1 der Arbeitselektrode 38 zwischen 0,5 mm und 4 mm, der Durchmesser d2 der Gegenelektrode 40 zwischen 0,5 mm und 4 mm und der Durchmesser d3 der Referenzelektrode 42 zwischen 0,2 mm und 3 mm.
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Die Kontaktfläche 44 hat einen Durchmesser D von 12 mm.
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Grundsätzlich kann die Kontaktfläche 44 einen beliebigen Durchmesser D aufweisen oder, wenn die Kontaktfläche 44 nicht kreisförmig ist, eine beliebige maximale Breite D haben. Jedoch wird ein kleiner Durchmesser D bzw. eine kleine Breite D bevorzugt, um den Teil des Korrosionssensors 30 besonders klein zu halten, der der Prüfumgebung direkt ausgesetzt wird.
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Der Kreis 52 ist konzentrisch zum Mittelpunkt 56 der Kontaktfläche 44 angeordnet und hat einen Durchmesser d4, der halb so groß ist wie der Durchmesser D der Kontaktfläche 44.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Kreis 52 beliebig auf der Kontaktfläche 44 angeordnet sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Durchmesser d4 des Kreises 52 beliebig groß sein.
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Grundsätzlich können die Messelektroden 38, 40, 42 in einer alternativen Ausführungsform beliebig, jedoch voneinander elektrisch isoliert, innerhalb des Grundkörpers 36 angeordnet sein.
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Der Messkopf 34 wird vom Gehäuse 32 umschlossen, wobei die Kontaktfläche 44 an einer offenen Seite 58 des Gehäuses 32 freiliegt und an die Prüfumgebung angrenzt.
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Das Gehäuse 32 ist ein Hohlkörper mit einem T-förmigen Querschnitt (siehe 1), wobei die offene Seite 58 ein Ende des T bildet.
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Am zur offenen Seite 58 entgegengesetzten Ende weist das Gehäuse 32 eine Montageöffnung 60 auf, die durch ein Verschlusselement 62 in Form einer Madenschraube verschlossen ist.
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Ferner hat das Gehäuse 32 eine Kabeldurchführung 64, die am Ende des Basisabschnitts des T angeordnet ist, der sich senkrecht zur axialen Richtung A erstreckt.
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Die Messelektroden 38, 40, 42 erstrecken sich entgegengesetzt zur Kontaktfläche 44 aus dem Grundkörper 36 heraus und durch das Gehäuseinnere 66 zur Kabeldurchführung 64, wo sie jeweils mit einer elektrischen Leitung 68 eines Kabels 70 verbunden sind.
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Über das Kabel 70 werden die elektrischen Leitungen 68 aus dem Gehäuse 32 herausgeführt und sind am Potentiostat 22 derart angeschlossen, dass die Messelektroden 38, 40, 42 mit dem Potentiostat 22 zur Ermittlung der Korrosionsrate elektrisch gekoppelt sind.
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Durch das seitliche Herausführen des Kabels 70 senkrecht zur axialen Richtung A ist der Korrosionssensor 30 besonders kompakt gestaltet.
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In axialer Richtung A beträgt die Höhe H des Korrosionssensors 30 40 bis 50 mm.
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Selbstverständlich kann die Höhe H des Korrosionssensors 30 in einer alternativen Ausführungsform beliebig groß sein, vorzugsweise jedoch maximal 50 mm.
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Das Gehäuseinnere 66 ist mit einem Keramikklebstoff gefüllt, wodurch der Messkopf 34, mit Ausnahme der Kontaktfläche 44, im Gehäuse 32 feuchte- und wasserdicht eingekapselt ist.
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Ferner kann die Kabeldurchführung 64 in einer Ausführungsform eine Dichtung für das Kabel 70 umfassen, um ein Eindringen von Wasser oder Schmutz in das Gehäuseinnere 66 zu verhindern.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Kabeldurchführung 64 eine Zugentlastung für das Kabel 70 aufweisen.
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Das Gehäuse 32 besteht aus rostfreiem Stahl.
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Grundsätzlich kann das Gehäuse 32 aber aus einem beliebigen temperatur- und korrosionsbeständigen Material gebildet sein, insbesondere einem beliebigen Stahl.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Gehäuse 32 beliebig gestaltet sein, insbesondere kann das Gehäuse 32 einen beliebigen Querschnitt haben und/oder die Kabeldurchführung 64 kann ein einer beliebigen Stelle vorgesehen sein.
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Um eine einfache und sichere Verbindung des Korrosionssensor 30 mit dem Abgaskanal 12 zu gewährleisten, weist der Korrosionssensor 30 ein Befestigungselement 72 auf.
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In der dargestellten Ausführungsform ist das Befestigungselement 72 ein Gewindering, der die Messdurchführung 18 an der Außenseite der Kanalwandung 14 umgibt und gegebenenfalls an der Kanalwandung 14 angeschweißt oder angelötet ist.
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Selbstverständlich kann in einer alternativen Ausführungsform der Korrosionssensor 30 auf beliebige Weise am Abgaskanal 12 befestigt sein, insbesondere mit einem beliebig gestalteten Befestigungselement 72.
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Durch diese Gestaltung ist der Korrosionssensor 30 besonders hitzebeständig, sodass er zur Ermittlung der Korrosionsrate direkt am Abgaskanal 12 mit zum Inneren 16 des Abgaskanals 12 freiliegendem Messkopf 34 angebracht werden kann.
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Über die Kontaktfläche 44, die über die offene Seite 58 des Gehäuses 32 an die Prüfumgebung angrenzt, stehen auch die Messelektroden 38, 40, 42 im direkt Kontakt mit der Prüfumgebung.
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Die Korrosionsrate des Prüfmaterials wird hierbei mit einem standardisierten Verfahren bestimmt, bei dem mittels des Potentiostaten 22 der Polarisationswiderstand ermittelt wird.
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Für die Ermittlung des Polarisationswiderstandes wird zwischen der Arbeitselektrode 38 und der Gegenelektrode 40 eine Spannungsrampe durchlaufen und der zugehörige Strom gemessen. Aus der Spannung und dem gemessenen Strom kann dann der Polarisationswiderstand berechnet werden.
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Die Referenzelektrode 42 und deren Potential in der elektrochemischen Spannungsreihe stellt dabei den Referenzpunkt zur Arbeitselektrode 38 dar. Damit die Referenzelektrode 42 ihr Potential unverändert beibehält, ist es erforderlich, dass durch sie selbst kein Strom fließt; dies wird durch einen sehr hochohmigen Eingang am Potentiostaten 22 gewährleistet.
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Auf diese Weise kann mittels der Korrosionsmessvorrichtung 20 direkt im Inneren 16 des Abgaskanals 12 und während des Betriebs des Abgassystems die Korrosionsrate des Prüfmaterials, nämlich Edelstahl, ermittelt werden, aus dem auch die Kanalwandung 14 besteht.
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Somit kann die Korrosionsrate der Kanalwandung 14 zuverlässig sowie sehr genau bestimmt werden.
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Dadurch, dass die Daten zur Bestimmung der Korrosionsrate hierbei in „Echtzeit“ ermittelt werden, können ferner aktuelle Umgebungsbedingungen wie Temperaturen und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs berücksichtigt werden, um die Messgenauigkeit der Korrosionsrate weiter zu verbessern.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere können einzelne Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden, insbesondere unabhängig von den anderen Merkmalen der entsprechenden Ausführungsformen.
