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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überprüfung des Schutzpotentials eines
kathodisch korrosionsgeschützten
Schutzobjektes, mit einem Voltmeter, das mit dem Schutzobjekt verbindbar
ist.
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Bekanntermaßen kann
man metallische Objekte, wie beispielsweise Stahlrohrleitungen,
die im Erdboden oder in anderen elektrolytischen Medien verlegt
sind, elektrochemisch vor Korrosion schützen, indem man das Schutzobjekt
mittels einer geeigneten externen Stromquelle oder auch durch leitende Verbindungen
mit einem unedleren Metall (Opferanode) zur Kathode macht. Derartige
Methoden werden allgemein als kathodischer Korrosionsschutz (kurz: KKS)
bezeichnet.
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Es
ist erforderlich, den Funktionszustand des Korrosionsschutzes bei
kathodisch korrosionsgeschützten
Schutzobjekten regelmäßig zu überprüfen. Hierzu
wird üblicherweise
das elektrische Potential des Schutzobjektes, z. B. der unterirdisch
verlegten Stahlrohrleitung, relativ zu einer Bezugselektrode gemessen.
Häufig
wird als Bezugselektrode eine Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode verwendet.
Der Korrosionsschutz gilt als intakt, wenn das Potential des Schutzobjektes
gegenüber
der Bezugselektrode nicht positiver als –0,85 V ist. Die Überprüfung des Korrosionsschutzes
durch Messung des Potentials ist ausreichend, so dass aufwendige
und teure visuelle Inspektionen der Außenhülle von unterirdischen Rohrleitungen überflüssig sind.
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Zur Überprüfung des
Schutzpotentials wird meistens ein geeignetes hochohmiges Voltmeter (auch
Elektrometer genannt) verwendet, das die Spannung zwischen dem Schutzobjekt
und der Bezugselektrode misst. Häufig
werden sogenannte mobile Datenlogger verwendet, die von dem mit
der Überprüfung des
Korrosionsschutzes befassten Personal mitgeführt werden. Derartige Datenlogger
messen die Spannung zwischen Schutzobjekt und Bezugselektrode, digitalisieren
den Spannungswert und speichern diesen in einem digitalen Datenspeicher ab.
Durch Auslesen des Speichers des Datenloggers und Auswerten der
gespeicherten Spannungswerte kann der Funktionszustand eines räumlich ausgedehnten
Schutzobjektes, wie beispielsweise eines Rohrleitungssystems, zentral
beurteilt werden. Des weiteren ist der Einsatz von fest installierten
Spannungsmessumformern bekannt, die das Schutzpotential in regelmäßigen Zeitabständen messen
und den Messwert über übliche Einrichtungen
der Fernleittechnik an eine zentrale Auswertungsstelle übertragen.
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Bei
der Messung des Schutzpotentials zur Überprüfung von kathodisch korrosionsgeschützten Schutzobjekten
ergeben sich in der Praxis Probleme, wenn sich das zu prüfende Schutzobjekt
in der Nähe von
Energieübertragungsleitungen,
wie z. B. Hochspannungs-Überlandleitungen
oder Erdkabeln, befindet. Vergleichbare Probleme treten in der Nähe von Eisenbahntrassen
auf. Aufgrund von induktiver, kapazitiver oder auch ohmscher Kopplung
liegen an den betreffenden Schutzobjekten Wechselspannungen bei
den entsprechenden technischen Frequenzen, von 50 Hz oder 16,67
Hz an. Diese Wechselspannungen führen
zu erheblichen Verfälschungen der
Spannungsmesswerte, die zur Überprüfung des kathodischen
Korrosionsschutzes in der zuvor beschriebenen Weise mit Gleichspannungsvoltmetern aufgenommen
werden. Insbesondere die üblichen Messumformer
für die
Fernleittechnik, die im Bereich des kathodischen Korrosionsschutzes
zum Einsatz kommen, übertragen
keine brauchbaren Spannungsmesswerte, wenn die an den Schutzobjekten
anliegende Gleichspannung von einem Wechselspannungsanteil überlagert
ist.
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Aus
der
EP 1 054 078 A2 ist
ein System zur Überprüfung von
kathodisch korrosionsgeschützten Erdtanks
vorbekannt. In dieser Druckschrift ist das Problem der Wechselspannungseinkopplung
bei der Messung des Schutzpotentials angesprochen. Als Lösung ist
bei dem vorbekannten System vorgesehen, mittels eines Analog-/Digitalwandlers
den Spannungswert zwischen Schutzobjekt und Bezugselektrode während eines
vorgegebenen Zeitintervalls von 20 Minuten wiederholt zu messen
und eine Mittelung des Messwertes durchzuführen. Auf diese Weise wird
der Wechselspannungsanteil des gemessenen Schutzpotentials mehr
oder weniger gut herausgemittelt.
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Bei
dem vorbekannten System ist vor allem nachteilig, dass aufgrund
der Mittelung der wiederholt aufgenommenen Messwerte jede einzelne
Messung eine unerwünschte
lange Zeit von z. B. 20 Minuten in Anspruch nimmt. Zur Überprüfung von
größeren zusammenhängenden
Schutzobjekten an verschiedenen Stellen mittels der oben erwähnten Datenlogger
eignet sich das vorbekannte Verfahren nicht. Eine Messzeit von 20
Minuten oder mehr für jede
einzelne Messwertaufnahme ist nicht zumutbar.
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Problematisch
ist die vorbekannte Technik aber insbesondere im Zusammenhang mit
der Überprüfung von
getakteten KKS-Anlagen. Bei diesen Anlagen wird, wie eingangs erwähnt, dem
Schutzobjekt mittels einer externen Stromquelle ein Schutzstrom aufgeprägt. Zur Überprüfung des
Schutzpotentials muss die Stromquelle kurzzeitig abgeschaltet werden.
Eine Abschaltdauer von 20 Minuten oder mehr, die gemäß dem Stand
der Technik zur Herausmittelung von Wechselspannungsanteilen erforderlich
ist, ist viel zu lang, da während
dieser Zeit bereits Korrosion einsetzen kann.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige Überprüfung des Schutzpotentials
von kathodisch korrosionsgeschützten
Schutzobjekten zu ermöglichen,
und zwar auch wenn an diesen aufgrund der Ankopplung an in der Nähe befindliche
elektrische Anlagen eine mehr oder weniger starke Wechselspannung
auftritt.
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Diese
Aufgabe löst
die Erfindung ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch, dass zwischen das Schutzobjekt und das Voltmeter ein
Vorschaltgerät
geschaltet ist, das zwei oder mehr in Serie geschaltete, aktive RC-Sperrfilter zur
Unterdrückung
von Wechselspannungen bei zwei oder mehr festen Frequenzwerten umfasst.
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Gemäß der Erfindung
wird also das üblicherweise
verwendete Voltmeter (oder Elektrometer) durch ein zusätzliches
Vorschaltgerät
ergänzt.
Am Eingang des Vorschaltgerätes
liegt das Mischpotential des Schutzobjektes an, das sich aus dem
Gleichspannungsanteil zwischen Schutzobjekt und Bezugselektrode
und dem Wechselspannungsanteil aufgrund der Einkopplung aus in der
Nähe befindlichen
elektrischen Anlagen zusammensetzt. Der Wechselspannungsanteil wird
durch die zwei oder mehr in Serie geschalteten, aktiven RC-Sperrfilter des
Vorschaltgerätes
herausgefiltert, so dass am Ausgang des Vorschaltgerätes der
zur Überprüfung des
Schutzpotentials interessierende Gleichspannungswert ohne störende Wechselspannungsanteil anliegt.
Diese kann dann problemlos in herkömmlicher Weise mit dem Voltmeter
erfasst werden.
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Bei
den gemäß der Erfindung
in Serie geschalteten, aktiven RC-Sperrfiltern handelt es sich um
Schaltungen mit vorgegebenem Frequenzgang, die bestimmte Frequenzbereiche
unterdrücken (Sperrbereiche)
und andere bevorzugt übertragen (Durchlassbereiche)
und die störenden
technischen Frequenzen bei der Überprüfung des
Schutzpotentials zu unterdrücken,
ist zweckmäßigerweise
eines der RC-Sperrfilter auf eine Sperrfrequenz von 50 oder 60 Hz,
d. h. die übliche
Frequenz des öffentlichen
Stromversorgungsnetzes, und ein weiteres auf eine Sperrfrequenz
von 16,67 Hz, nämlich
die Frequenz von Eisenbahn-Stromanlagen, abgestimmt. Auf diese Weise
werden die üblicherweise
störenden Wechselspannungsanteile
bei Anlagen des kathodischen Korrosionsschutzes vollständig eliminiert.
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Bei
dem erfindungsgemäß verwendeten
Vorschaltgerät
kommen aktive RC-Sperrfilter zum Einsatz. Diese bestehen aus integrierten
Analogschaltkreisen (Operationsverstärkern) sowie zusätzlichen diskreten
Bauelementen (Widerstände,
Kondensatoren). Derartige aktive RC-Sperrfilter haben den Vorteil,
dass deren Eigenschaften weitgehend belastungsunabhängig sind.
Außerdem
ist mit aktiven RC-Sperrfiltern eine rückwirkungsfreie Kombination von
Teilfiltern möglich.
Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Vorschaltgerät wesentlich,
da bei diesem zwei oder mehr aktive RC-Sperrfilter in Serie geschaltet
sind. Vorteilhaft ist des weiteren die problemlos anpassbare Filtercharakteristik
bei aktiven RC-Sperrfiltern. Hierzu müssen lediglich die Parameter
der diskreten passiven Bauelemente entsprechend gewählt werden.
Ein Vorteil ist außerdem, dass
sich durch die aktiven Bauelemente des Vorschaltgerätes eine
Grundverstärkung
der zu messenden Spannungssignale ergibt. Dies hat zur Folge, dass
ein entsprechend unempfindlicheres Voltmeter verwendet werden kann.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergibt sich dadurch, dass jedes der RC-Sperrfilter einen Operationsverstärker mit
Gegenkopplung umfasst, wobei dem Differenzeingang des Operationsverstärkers die Brückendiagonalspannung
einer Wien-Robinson-Brückenschaltung
zugeführt
ist. Eine Wien-Robinson-Brücke
hat eine besonders ausgeprägte
Phasensteilheit im Bereich der Sperrfrequenz. In Kombination mit
dem Operationsverstärker
mit Gegenkopplung lässt
sich eine sehr schmalbandige Unterdrückung der Störsignale
im Bereich der Sperrfrequenzen erzielen. Eine Unterdrückung von
Wechselspannungen bei den vorliegenden interessierenden Frequenzwerten
von bis zu –80
dB ist möglich.
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Ein
weiterer Vorteil der Wien-Robinson-Brückenschaltung ist, dass diese
besonders problemlos auf die entsprechenden technischen Wechselspannungsfrequenzen
abgestimmt werden kann. Das gemäß der Erfindung
zum Einsatz kommende Vorschaltgerät kann einfach und kostengünstig realisiert werden,
wenn sich lediglich die ohmschen Widerstände im Wien-Spannungsteiler bei den Serie geschalteten
RC-Sperrfiltern voneinander unterscheiden.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich
dadurch, dass das Vorschaltgerät
eingangsseitig ein passives Tiefpassfilter umfasst. Durch ein solches
zusätzliches
Tiefpassfilter wird die Unterdrückung
von Wechselspannungsanteilen weiter erhöht.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich weiterhin dadurch, dass das
Vorschaltgerät
an seinem Ausgang einen Spannungsverstärker umfasst, dessen Ein- und
Ausgänge
galvanisch entkoppelt sind. Eine galvanische Entkopplung zwischen
Messobjekt und Voltmeter kann wünschenswert
sein, insbesondere wenn das Vorschaltgerät in kathodischen Korrosionsschutzanlagen
mit Messumformern für
die Fernleittechnik verbunden ist.
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Das
erfindungsgemäße Vorschaltgerät kann für den mobilen
Einsatz am Eingang von üblichen Datenloggern
verwendet werden. Ebenso kann das Vorschaltgerät in kathodischen Korrosionsschutzanlagen,
deren Überwachung
mittels Fernleittechnik erfolgt, fest installiert werden. Das erfindungsgemäße Vorschaltgerät eignet
sich besonders für
getaktete KKS-Anlagen, da das Vorschaltgerät aufgrund der verwendeten
aktiven RC-Sperrfilter eine sehr kurze Ansprechzeit hat. Beim Einsatz
von Wien-Robinson-Brückenschaltungen
am Eingang der Operationsverstärker
der RC-Sperrfilter liegt der endgültige Spannungswert nach deutlich
weniger als einer Sekunde am Ausgang des Vorschaltgerätes an.
Die erfindungsgemäße Technik
ist somit dem in der oben erwähnten
EP 1 054 078 A2 beschriebenen
System klar überlegen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
näher erläutert.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung dient zur Überprüfung des
Schutzpotentials eines kathodisch korrosionsgeschützten Schutzobjektes 1.
Bei diesem kann es sich beispielsweise um eine unterirdisch verlegte
Stahlrohrleitung handeln. Über
einen Anschluss 2 ist das Schutzobjekt 1 mit einem
passiven Tiefpassfilter 3 verbunden. Über einen weiteren Eingang 4 ist
eine Bezugselektrode 5 an das Tiefpassfilter 3 angeschlossen.
Bei der Bezugselektrode 5 kann es sich um eine Kupfer/Kupfersulfat-Elektrode
handeln. Zwischen den Anschlüssen 2 und 4 des
Tiefpassfilters 3 liegt somit die zu messende Spannung
an, aus der auf den Funktionszustand des Korrosionsschutzes geschlossen
werden kann. Das Tiefpassfilter 3 besteht aus einem Widerstand R1
und einem Kondensator C1. An das Tiefpassfilter 3 schließen sich
zwei in Serie geschaltete, aktive RC-Sperrfilter 6 und 7 an.
Das Tiefpassfilter 3 und die beiden RC-Sperrfilter 6 und 7 bilden
ein zwischen Schutzobjekt 1 und ein Voltmeter 8 geschaltetes
Vorschaltgerät.
Das Voltmeter 8 ist über
Ausgänge 9 und 10 mit
dem Vorschaltgerät
verbunden.
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Jedes
der beiden RC-Sperrfilter 6 und 7 umfasst einen
Operationsverstärker 11 mit
einem Widerstand R2 im Gegenkopplungszweig. Dem Differenzeingang
des Operationsverstärkers 11 ist
jeweils die Brückendiagonalspannung
einer Wien-Robinson-Brückenschaltung
zugeführt.
Diese besteht jeweils aus einem ohmschen Spannungsteiler mit den Widerständen R3
und R4 und einem Wien-Spannungsteiler,
der die ohmschen Widerstände
R5 und R6 bzw. R5' und
R6' sowie die Kapazitäten C2 und C3
umfasst. Die RC-Sperrfilter 6 und 7 unterscheiden sich
bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel nur hinsichtlich
der Werte der ohmschen Widerstände
R5, R5' und R6,
R6'. Durch entsprechende
Vorgabe der Widerstandswerte ist das RC-Sperrfilter 6 auf
die Sperrfrequenz 16,67 Hz und das RC-Sperrfilter 7 auf
die Sperrfrequenz 50 Hz abgestimmt.