DE1521768B2

DE1521768B2 - Vorrichtung zum kathodischen korrosionsschutz

Info

Publication number: DE1521768B2
Application number: DE19631521768
Authority: DE
Inventors: Rolland C San Diego Calif. Sabins (V.St.A.)
Original assignee: Hull Protectors Inc., San Diego, Calif. (V.St.A.)
Priority date: 1962-10-17
Filing date: 1963-10-02
Publication date: 1972-04-20
Also published as: US3362900A; GB1061762A; CH430370A; BE638792A; DE1521768A1; ES291840A1; SE302396B; NL139096B; NL299363A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kathodischen Korrosionsschutz metallischer Gegenstände in einem Elektrolyten mit einer in den Elektrolyten eintauchenden Anode, einer Regelschaltung, die eine Bezugsanode und ein stromabhängiges Steuerglied umfaßt, sowie mit einer Gleichstromquelle, die einen von Null bis zu einem Maximalwert ansteigenden Gleichstrom an den Korrosionsscluitzstromkreis liefert, der außer der Stromquelle die Anode, den Elektrolyten und den zu schützenden Gegenstand umfaßt.

Es ist sei; langem bekannt, daß die Korrosion von metallischen Gegenständen in einem Elektrolyten verringert und oft vollständig unterbunden werden kann, wenn dem Gegenstand ein Gleichstrom aufgeprägt wird, indem man den Gegenstand an den negativen Pol einer Spannungsquelle anschließt, deren positiver Pol mit dem Elektrolyten galvanisch verbunden ist. Ebenfalls ist es bekannt, die Höhe dieses Stromes mit Hilfe einer Bezugselektrode zu steuern, die ebenso wie der zj schützende Gegenstand in den Elektrolyten eintaucht. Steuerglieder zur Regelung des Stromflusses durch den Gegenstand werden mit der Potentialdifferenz zwischen der Bezugselektrode und dem Gegenstand beaufschlagt.

Die bisherigen Vorrichtungen dieser Art hatten den Nachteil, daß sie störanfällig und aufwendig in der Herstellung waren. Beispielsweise zeigen die USA.-Patentschriften 2 987 461 und 2 998 371 frühere Korrosionsschutzvorrichtungen des Erfinders, bei denen unter anderem Signalverstärker, Steuer- und Leistungsdrosseln usw. erforderlich sind.

Eine aus der schweizerischen Patentschrift 357 938 bekannte Korrosionsschutzanlage ist ebenfalls äußerst aufwendig, da Differentialverstärker, Leistungsverstärker sowie eine Sättigungsdrossel benötigt werden.

Auch andere bekannte Korrosionsvorrichtungen erfordern Schalter, Relais und weitere dem Verschleiß unterliegende elektrische Geräte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Korrosionsschutzvorrichtung anzugeben, die in einfacher Weise aus wenigen wartungsfreien Schaltelementen zusammengesetzt ist und daher sicher und zuverlässig den gewünschten Korrosionsschutz gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dieser Korrosionsschutzstromkreis einen gesteuerten Silizium-Gleichrichter enthält, dessen Gitteranschluß mit dem Kollektor eines als stromabhängiges Steuerglied dienenden Transistors verbunden ist.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß in der Verbindungsleitung zwischen dem Kollektor und dem Gitter des gesteuerten Gleichrichters ein Gleichrichter vorgesehen ist, daß der Emitter des Transistors mit dem zu schützenden Gegenstand und daß die Basis des Transistors mit der Bezugsanode sowie mit der negativen Seite der Stromquelle verbunden ist und daß zwischen Bezugsanode und dem zu schützenden Gegenstand ein Spannungsmeßgerät eingeschaltet ist.

Vorzugsweise besteht der Korrosionsschutzstromkreis aus zwei in Gegcntaktschaltung angeordneten Stromkreisen mit jeweils einem gesteuerten Silizium-Gleichrichter und einem Transistor, die von einem sekundärseitig mit einer Mittelanzapfung versehenen Wechselstromtransformator gespeist sind, dessen Primärseitc an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist.

Die Anode kann aus einem reaktionsträgen Werkstoff oder aus einem sich verbrauchenden Werkstoff bestehen.

Die Beztigsanode besteht vorteilhaft aus einem Material, das in der elektrischen Spannungsreihe höher steht als der zu schützende Gegenstand.

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Die Eriindung wird nun an Hand eines Ausfiihrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung ist ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum kathodischen Korrosionsschutz eines Schiffsrumpfes dargestellt.

Die Vorrichtung enthält einen isolierten Gleichrichter-Tran.;iormator 20 mit einem Kern 22 sowie einer Primärwicklung 24. die über Leitungen 26 und 28 an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist. Ein zur Primärwicklung 24 paralleler induktionsfreier Widerstand 30 von beispielsweise 1000 Ohm und 100 Watt begrenzt Stromstöße und schützt vor Spannungsspitzen im Netz oder in der Vorrichtung, die durch einen Schaltvorgang oder einen Kurzschluß auftreten können. Die Sekundärwicklung 32 des Transformators 20 besitzt eine Mittelanzapfung 34, die die Wicklung in zwei Spulen 36 und 38 aufteilt.

Zwei gesteuerte selbstzündeude Silizium-Gleichrichter liegen über Leitungen 52 und 54 an den äußeren Enden der Sekundärwicklung 32 an den Klemmen 56 und 58. Die den Minuspol dieser Mittelpunktsschaltung darstellende direkte Verbindung der Anoden 74 der gesteuerten Silizium-Gleichrichter 48 und 50 bildet eine Wärmeableitplatte 46, mit der beide Gleichrichter zur ausreichenden Wärmeableitung in innigem Kontakt stehen. Die Anzapfung 34 der Sekundärwicklung 32 des Transformators 20 stellt den positiven Pol der Schaltung dar.

Als Gleichstrombelastung dient bei diesem Ausführungsbeispiel ein Schiffsrumpf in Seewasser, das hier als Elektrolyt wirkt, in Verbindung mit einer zweiten Elektrodenanordnung, die elektrisch isoliert am Schiffsrumpf unter der Wasserlinie 112 angeordnet ist. Der Schiffsrumpf ist über eine Leitung 144 mit dem Minuspol der Schaltung, d. h. mit der WärmeaHeitplatte 46, verbunden. Eine Leitung 142 verbindet die zweite Elektrodenanordnung, nämlich die Anodengruppe 114, mit der Anzapfung 34 der Transformatorsekundärwicklung 32.

Der Stromfluß vom Transformator über die Anodengruppe 114, das Meerwasser als Elektrolyt und den Schiffsrumpf 110 wild durch einen Überwachungsstromkreis 160 gesteuert, der zwei stromabhängige Steuerglieder 62 und 64 besitzt, die parallel geschaltet sind. Als stromabhängige Steuerglieder sind in der Zeichnung die Transistoren 62, 64 mit dem Emitter 66 der Basis 68 und dem Kollektor 70 dargestellt. Je eine Leitung 78, ein Gleichrichter 80 sowie eine Leitung 82 verbinden die Kollektoren 70 der Transistoren mit den Gitteranschlüssen 76 der gesteuerten Silizium-Gleichrichter 48 und 50. Der Emitter 66 jedes Transistors ist durch eine Leitung 84 über die Kühlplatte 46, also den Minuspol der Schaltung, mit dem Schiffsrumpf Π0 verbunden.

Die Elektronen fließen von der Mittelanzapfung 34 durch die Spule 36, Klemme 56 und Leitung 52; es wird ein Zündstrom in den gesteuerten Gleichrichter 48 geleitet, der dann über das Gitter 76, die Leitung 78, den Gleichrichter 80, die Leitung 82, den Kollektor 70, die Basis 68, die Leitungen 94 und 98, einen Widerstand 100. einen Gleichrichter 102 und rile Leitungen 104 und 54 zur Klemme 58 der in diesem Augenblick unwirksamen Spule 38 und weiter durch die Spule 38 zur Mittelanzapfung 34 zurücl.fließt. Wenn die Elektronen von der Mittelanzapfung 34 durch die Spule 38 fließen, wird der Besteuerte Gleichrichter 50 durch den Transistor 64 eingeschaltet, wobei sich der Zündstromkreis über einen Widerstand 101, einen Gleichrichter 102 und die Leitungen 105 und 52 bis zur Klemme 56 der Spule 36 schließt, die während dieser Halbwelle unwirksam ist.

Die Spulen treten also abwechselnd und periodisch in Tätigkeit und bauen die Spannung von Null bis zum Maximum abwechselnd und periodisch entsprechend den durch die Stromwechsel in der Primärwicklung 24 des Transformators in den Spulen 36 und 38 induzierten Spannungen auf. Da die gesteuerten Gleichrichter 48 und 50 durch die Transistoren 62 und 64 gesteuert werden, die zueinander parallel und mit den gesteuerten Gleichrichtern in Reihe liegen, d. h. der Transistor 62 mit dem gesteuerten Gleichrichter 48 und der Transistor 64 mit dem gesteuerten Gleichrichter 50, tritt ein im wesentlichen konstanter Stromfluß von der Sekundärwicklung 32 zum Verbraucher auf.

Eine eigentümliche Charakterstik des gesteuerten selbstzündenden Silizium-Gleichrichters liegt darin, daß sein Ruhestrom nach Ablauf jeder Halbperiode auf Null zurückgeht.

Oer Signalstrom, der den Steuerungseinsatz veranlaßt, dient nicht dazu, dem Ruhestrom des gesteuerten Gleichrichter-Gitterkreises entgegenzuwirken. Der geringe Strom, der in dem Überwachungsstromkreis erforderlich ist, wird nur dazu benutzt, um den Transistor zur Stromleitung zu veranlassen und dient als Schaltmittel für die Gitterkreise der beiden gesteuerten Gleichrichter. Diese Leistungsgleichrichter sind in jeder Halbperiode selbstzündend, wenn ihre Giiterklemmen an die entsprechend gesteuerten Sekundärwicklungen 36 und 38 angeschlossen sind.

Ein induktionsfreier Widerstand 106 verbindet die beiden Leitungen 52 und 54 und dient zur Begrenzung von Einschaltspannungsspitzen auf außerordentlich niedrige Werte, um die GiUerkreise der gesteuerten Gleichrichter zu schützen und um auch die Transistoren vor Spannungsspitzen zu bewahren.

Bei geeigneter Steuerung kann die gewünschte Polarisationsspannungshöhe auf den Metallteilen des Schiffes aufrechterhalten werden.

Der Strom über den Rumpf wird abwechselnd und periodisch durch die Spulen 36 und 38 geliefert, sobald die gesteuerten selbstzündenden Gleichrichter 48 und 50 jeweils gezündet haben. Der Überwachungsstromkreis 160 der Vorrichtung zum kathodischen Korrosionsschutz weist eine Bezugsanode ¹Io auf, die durch eine Leitung 118 mit einem Regelwidcrstand 90 verbunden ist. Dieser ist über Leitungen 92, 94 und 96 an die Basen 6C der Transistoren angeschlossen. Zum Überwachiingss'.romkrcis zählen darüber hinaus die Transistoren als Steucrglieder 62 und 64, die Leitung 84, die Kühlplatte 46, die Leitung 144, der Rumpf 110 und der Elektrolyt. Auf diese Weise bilden die Bezugsanode 116, der Überwachungsstromkreis, der Rumpf 110 und der Elektrolyt eine elektrolytische Zelle zur Steuerung des Stromes im durch die Anodengruppe 114, den Elektrolyten -lnd den Rumpf 110 gebildeten Hauptstromkreis.

Eine geringe Veränderung der Potentialdifferenz zwischen der Bezugsanode 116 und dem Rumpf 110 löst die Transistoren 62 und 64 aus, die ihrerseits das Zünden der gesteuerten selbstziindenden Gleichrichter 48 und 50 veranlassen, wodurch die Spulen 36 und 38 der Transformatorsekundärwicklune,

abwechselnd und periodisch dem Rumpf 110 darf des Überwachungsstromkreises und des Volt

einen Strom zuleiten. Auf diese Weise wird die meterstromkreises beträgt nur einige Milliampere.

Polarisatioiisspannung auf dem Rumpf konstant ge- Die Anodengruppe 114 kann aus reaktionsträgem

halten. Material bestehen, wie etwa Platin. Blei—Platin.

Die Stromstärke, die vom Überwachungsstrom- 5 Kohlenstoff oder einem anderen geeigneten Werkkreis benötigt wird, hängt in gewissem Grade von der stoff: es kann aber auch sich verbrauchendes Mate-Leistung der verwendeten gesteuerten Gleichrichter rial. ζ. B. eine Magnesiumlegierung oder Zinklegieab. da diese die Leistung des Transistors bestimmt. rung, verwendet werden.

der zuiVi Schalten des Gitterstromes benutzt wird. Da der Üherwachungskreis und die gesteuerten Soll in der betrachteten Schaltung zum kathodischen io Gleichrichter äußerst empfindlich sind gegenüber geKorrosionsschutz der gesteuerte Gleichrichter z. B. ringsten Änderungen des Potentials zwischen der einen Ausgangsstrom von 10 Ampere Gleichstrom Rezugsanoclen 116 und der Kathode, die der Schiffsbei Vollweggleichrichtung haben, so müßte die rumpf 110 darstellt, kann der F.lektronenfluß von Bezugselektrode 116 angenähert 1.25 Milliampere bei der Anodengruppe 114 sehr genau in einem Ausmaß einer Spannung von etwa 10 Millivolt liefern, um die 15 gesteuert werden, daß eine Magnesiumlegierung verpnp-Transistoren 62 und 64 in der jeweiligen Durch- wendet werden kann, die in bezug auf ihr Oberlaßrichtung zu öffnen. Drr Regelwiderstand 90 wird flächenpotential im Meerwasser äußerst stabil bleibt, verwendet, um den Strom über die Bezugselektrode Die Verwendung einer Magnesiumlegierung, die hö-116 zu beeinflussen. Wenn die Spannung infolge her in der elektrochemischen Reihe steht als der eines Elektronenflusses von den Spulen 36 und 38 ao Stahl des SchifTsrumpfes—an Stelle von z. B. Zink— ansteigt, entsteht eine Gegen-EMK. sobald die PoIa- hat insofern verschiedene Vorteile, als weit weniger risation des Schiffes die vorbestimmte Polarisations- Anoden-Oberfläche bei Magnesium als bei Zink erhöhe erreicht, die durch den Widerstand 90 einge- forderlich ist, wodurch die Anbringungskosten sostellt wird. Wenn die Polarisation des Schiffes gleich wohl bei Neuinstallierung als auch bei Erneuerung der Polarisation der Bezugselektrode ist, sperren die »5 wesentlich reduziert werden. Darüber hinaus ist diese Transistoren, so daß die Gitterkreise der gesteuerten Magnesiumlegierung, wie schon erwähnt, keinen Gleichrichter gesperrt werden und damit die Arbeits- Oberflächenpotentialänderungen durch Ablagerunströme über die gesteuerten Gleichrichter ebenfalls gen unterworfen.

zu fließen aufhören. Beim Absinken der Polarisation Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorauf nur 10 Millivolt auf PotentialdifTerenz zwischen 30 richtung liegt darin, daß mit Ausnahme des VoItdem Schilf und der Bezugselektrode arbeiten die meters, das jedoch für die Steuerung des Systems Transistoren 62 und 64 wieder und bewirken ein nicht notwendig ist. in der ganzen Schaltung nur Zünden der gesteuerten Gleichrichter. Halbleiterbauelemente verwendet werden. Die Steue-

AIs Transistoren können pnp-Germanium-Tran- rungsfunktion wird allein durch die proportionale

sistoren verwendet werden. 35 Arbeitsweise erreicht, die der Transistorverbindung

Besonders vorteilhaft bei dieser erfindungsge- im Hinblick auf die erforderliche Proportionalität des

mäßen Vorrichtung ist die Möglichkeit, ein Volt- Gitterzündstroms eigen ist. der seinerseits die Gleich-

mcter 120 mit Hilfe der Leitungen 122 und 124 an- richterlastströme präzis steuert: es sind also alle

zuschließer, so daß die Polarisationsspannung des mechanisch beweglichen Teile vermieden. Tatsäch-

SchifTsrumpfes 110 direkt abgelesen werden kann. Als 40 Hch kann der regelbare Widerstand dauernd festge-

Bezugsanode 116 dient eine Magnesium-Bezugselek- stellt und so alle Kontakte vermieden werden, falls

trode. Das Voltmeter kann geeicht werden; beim Ab- nicht eine variable Spannungsabgabe erforderlich ist.

gleichen des äußeren Widerstandes innerhalb des Volt- Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für

meters wird es die wahre Polarisationsspannungshöhe irgendeine Gleichstromversorgung ausgelegt werden

des Schiffes anzeigen. Die Bezugselektrode arbeitet 45 und auch für eine proportional arbeitende Einrich-

also nicht nur als Anode im Überwachungsstrom- tung. die ein präzises Messen einer vorbestimmten

kreis, sondern auch als Bezugselektrode zur Anzeige Spannungs- oder Stromgröße in Beantwortung de«

der Polarisationsspannung des Schiffes. Bedarfs eines der beiden Laststromkreise gestaL.-t.

Diese Bcziisselcktrode wird vorzugsweise aus einer Sie wird auch vorübergehende Stromspitzen in dem

Magnesiumleeieruns hersestellt. die in bezug, auf ihr 50 der Einrichtung zugeführten Wechselstrom bei sein

Oberflächenpotential in" Meerwasser äußerst stabil weiten Steuergrenzen dämpfen.

bleibt, vorausgesetzt, daß die Oberflächenstromdichte Es kann festgestellt werden, daß die Vorrichtung

nicht zu hoch angesetzt wird. Es wurde beobachtet. eine in sich proportionale Steueruno besitzt, so dal.'

daß diese Bezugselektrode aus Masnesiumlegierune die Schaltung auch dazu ausgelegt werden kann,

bei den geringen Strombelastungen, die der Über- 55 irgendwelche Ausgangsströme zu begrenzen. Es kanr

wachungsstromkreis benötigt, bei angenähert 1.490 keine Übersteuerung eintreten, weder absichtlich

Millivolt in bezug auf eine Silber-Silberchlorid- noch zufällig. Die Schaltung arbeitet entsprechenc

Elektrode verbleibt und keinen Oberflächenpotential- präziser Stromforderungen des Verbrauchers, unab-

änderungen durch .Ablagerungen von Kalk oder hängig davon, ob vorübergehende Änderungen irr

Metallen, wie z. B. Zink, unterliegt und dadurch einem 60 Laststromkreis oder im speisenden Wechselstromnet;

inaktiven Zustand zustrebt. Außerdem kann diese auftreten. Der proportionale Steuerstromkrei:

Bezugselektrode 116 aus Magnesiumlegierung dazu reagiert auf Veränderungen in der rückwärtigen unc

benutzt werden, den zum Betrieb des mit durch- in der weiterführenden Leitung sowohl in bezug au

schnittlicher Empfindlichkeit ausgelegten Voltmeters die zugeführte Leistung als auch auf den Ausgangs

120 notwendigen Strom zu liefern. Der normale Be- 65 leistungsbedarf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum kathodischen Korrosionsschutz metallischer Gegenstände in einem Elektrolyten mit einer in den Elektrolyten eintauchenden Anode, einer Regelschaltung, die eine Bezugsanode und ein stromabhängiges Steuerglied umfaßt, sowie mit einer Gleichstromquelle, die einen von Null bis zu einem Maximalwert ansteigenden Gleichstrom an den Konosionsschutzstromkreis liefert, der außer der Stromquelle die Anode, den Elektrolyt und den zu schützenden Gegenstand umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Korrosionsschutzstromkreis einen gesteuerten Gleichrichter (48, 50) enthält, dessen Gitteranschluß (76) mit dem Kollektor (70) eines als stromabhängiges Steuerglied dienenden Transistors (62, 64) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- ao kennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung (78) zwischen dem Kollektor (70) und dem Gitter (76) des gesteuerten Silizium-Gleichrichters (48,50) ein Gleichrichter (80) vorgesehen ist, daß der Emitter (66) des Transistor (62, 64) mit dem zu schützenden Gegenstand (HO) und daß die Basis (68) des Transistors (62, 64) mit der Bezugsanode (116) sowie mit der negativen Seite der Stromquelle verbunden ist und daß zwischen Bezugsanode (116) und dem zu schützenden Gegenstand (110) ein Spannunr;smeßg "rät (120) eingeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrosionsschutzstromkreis aus zwei in Gegentaktschaltung angeordneten Stromkreisen mit jeweils einem gesteuerten Silizium-Gleichrichter (48, 50) und einem Transistor (62, 64) besteht, die von einem sekundärseitig mit einer Mittelanzapfung versehenen Wechselstromtransformator (20) gespeist sind, dessen Primärseite an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (114) aus einem reaktionsträgen Werkstoff besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (114) aus einem sich aufbrauchenden Werkstoff besteht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsanode (116) aus einem Material besteht, das in der elektrischen Spannungsreihe höher steht als der zu schützende Gegenstand (UO).