DE2123652A1

DE2123652A1 - Abtast- und Regelsystem zur Erzielung eines kathodischen Schutzes

Info

Publication number: DE2123652A1
Application number: DE19712123652
Authority: DE
Inventors: Frank H. Morristown N.J. Stephens jun. (V.St.A.). C23g 1-10
Original assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Current assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Priority date: 1970-05-13
Filing date: 1971-05-12
Publication date: 1971-11-25
Also published as: CA938584A; GB1340222A; NO130830B; LU63159A1; DK137138C; US3634222A; NO130830C; DK137138B; BE767099A; FR2092143B1; FR2092143A1; NL7106526A; SE368234B

Description

Abtast- und Regelsystem zur Erzielung eines kathodischen Schutzes

Ein Afctast- und Regelsystem zum kathodischen Schutz eines in einem Elektrolyten als Kathode eingetauchten Metalles weist eine Einrichtung zur selbsttätigen Vornahme kathodischer Polarisationsmessungen auf1 welche frei von einer durch den Anodenstrom iduzierten Fehlerspannung sind, und welche zur Einstellung des Anodenstromausgangs des Systems verwendet werden, wobei das Regelsystem eine Einrichtung zum periodischen Unterbrechen des Anodenstroms aufweist, sowie eine Einrichtung, um zyklisch und periodisch während einer Zeitspanne, während der Anodenstrom unterbrochen wurde, das Kathodenbezugspotential abzutasten·

Bei kathodischen Schutzsystemen wird das von einer Bezugselektrode an der Oberfläche einer in einem Elektrolyten einge-

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tauchten Kathode abgetastete Potential als Eingangssignal für eine geregelte Leistungsquelle verwendet. Das Eingangssignal veranlasst die geregelte Leistungsquelle zu einer Veränderung des einer Anode zugeführten Stroms oder der zugeführten Spannung, so dass die von der Bezugselektrode abgetastete Spannung sich dem gewünschten Potential nähert, welches als optimales Bezugspotential ermittelt wurde. Jedoch wird durch das zwischen einer Anode und einer Kathode vorliegende elektrische Potential ein Feld innerhalb des

Hauptteils des" Elektrolyten erzeugt. Sofern nicht die Bezugselektrode in irgendeiner Weise gegenüber diesem Feld abgeschirmt wird, stellt das an der Bezugselektrode auftretende Potential nicht das wahre Bezugspotential der Kathode dar, weil durch den Anodenstrom ein Potentialgradient vorhanden ist. Diese Fehlerspannung wird zum wahren Bezugspotential der Kathodenoberfläche addiert oder von diesem subtrahiert, abhängig von der Polarität der Bezugselektrode. Die Wirkung des Fehlerpotentials auf das kathodische Schutzsystem liegt in einer Verringerung der kathodischen Polarisation, welche proportional dem Anodenstrom ist, und in einer negativen Rückkopplungswirkung, durch welche der dem System sugeführte

Strom verringert und die zur Polarisation der Kathode erforderliche Zeitspanne vergrössert wird.

In kathodisehen Schutzsystemen, welche mit einem aufgedrückten Strom arbeiten₉ hat sich die selbsttägige Regelung in= folge der durch das automatische System erhaltenen Vorteile zunehmend erweitert. Ein kathodisches Schutzsystem, welches mit einem von Hand geregelten aufgedrückten Strom arbeitet, muß genau überwacht und eingestellt werden, um eine optimale kathodisohe Polarisation zu erreichen und sicherzustellen, dass weder ein Überschutz noch ein Unterschutz vorliegt. Ein

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Überschutz oder eine Überpolarisation kann zu einer Beschädigung von Schutzüberzügen, wie Schutzanstrichen, führen und ein Unterschutz ergibt selbstverständlich eine unerwünschte Korrosion.

Im praktischen Betrieb wird der Umfang der kathodischen Polarisation in einem kathodischen Schutzsystem, welches mit aufgedrücktem Strom arbeitet, durch eine Bezugselektrode oder Halbzelle, wie beispielsweise eine Kupfer-Kupfersulfat-Zelle oder Silber-Silberchlorid-Zelle überwacht. Diese Halbzelle liefert ein Gleichstrompotential, dessen Grosse den elektrochemischen Potentialunterschied zwischen der Halbzelle und der überwachten Oberfläche darstellt. Wenn j das mit aufgedrücktem Strom arbeitende kathodische Schutzsystem die Halbzelle und das Kathodenpotential in negativer Richtung verschiebt, so wirkt die überwachte Oberfläche als Kathode und diese Oberfläche unterliegt dem kathodischen Schutz;. Der Umfang einer Potentialverschiebung für eine optimale Schutzwirkung kann sich für verschiedene Stoffe ändern, jedoch wird in der Praxis eine Verschiebung von etwa 200 mVolt als ausreichend angesehen.

In einem selbsttätig geregelten kathodischen Schutzsystem wird das durch die Bezugshalbzelle abgetastete Potential als Hegelsignal zur Einstellung des Ausgangs der Anodenleistungsquelle verwendet, um selbsttätig den gewünschten Grad kathodi-Lscher Polarisation auf der geschützten Fläche aufrecht zu erhalten.

Bedauerlicherweise ist das an der Bezugselektrode erscheinende Potential nicht immer genau das wahre Kathoden-Polarisationspotential. Das auftretende Bezugspotential besteht aus vier Grundkomponenten:

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I. Das echte Kathodenpolarisations-Potential;

II. Durch den Anodenstrom induzierter Elektrolyt IR Spannungsabfall;

III. IR - Spannungsabfall an der Grenzschicht Kathode Elektrolyt;

IV. Gespeicherte Ladung im dielektrischen Kathodenüberzug.

Die Komponenten II, III und IV sind unerwünscht und weisen eine solche Polarität auf, dass sie sich zum wahren Kathodenpolarisations-Potential addieren und eine höhere Polarisation anzeigen als tatsächlich vorhanden ist. Unter bestimmten Bedingungen ist die Grosse dieser Potentiale ausreichend, um erheblich die Wirksamkeit eines selbsttätig geregelten, mit aufgedrücktem Strom arbeitenden kathodischen Schutzsystems zu beeinträchtigen.,,„,Diese vom Anodenstrom induzierten Fehler sind nicht konstant., sondern ändern sich als Punktion des Anodenstroms, der Elektrolyt-Leitfähigkeit, der Anordnung der Bezugselektrode und des Zustande des Schutzüberzugs an der Kathodenoberfläche.

Das Betriebsverhalten kaan verbessert werden durch eine optimale Anordnung der Bezugshalbseile* Dies erfolgt bei Booten oder Schiffen " gewöhnlich durch die Verwendung einer besonderen abgeschirmten Besugaelektrodenanordnung, welche in der Ebene des Schiffsrumpfes angeordnet ist, wodurch der erhaltene Elektrolyt - IR-Spannungsabfall auf ein. Minimum verringert wird. Eine niedrige Leitfähigkeit des Elektrolyten verschlechtert das Betriebsverhalten infolge des erhöhten IE-Spannungaabfalls in der Hasse des Elektrolyten. Infolge dieser vom Anodenstrom hervorgerufenen Fehler in den auftretenden Bezugshalbzellen-Potentialen ist es manchmal schwierig,,

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genaue Ablesungen des kathodischen Polarisationspotentials zu erhalten. Bei der Ermittlung von Kathodenpotentialen wird häufig ein Verfahren angewandt, durch welche die durch den Anodenstromfluss durch den Elektrolyten erzeug- ■ ten Fehler so klein wie möglich gemacht werden. Dieses Verfahren wird als "Sofortabschaltungs-Verfahren" bezeichnet, weil dabei die Ablesung des Bezugshalbzellen-Potentials unmittelbar anschliessend an die Unterbrechung des Anodenstroms des Systems vorgenommen wird. Die durch den Anodenspannungsabfall induzierten Fehlerkomponenten (II und III) sinken sofort auf Null, die gespeicherte ladung (IV) im dielektrischen Kathodenüberzug entlädt sich exponentiell zur Kathode und es tritt eine gewisse Depolarisation der Kathode zu dem Zeitpunkt ein, wenn der Ausschlag des Ablesemessinstruments zur Ruhe kommt, jedoch ist die Anzeige des Instrumentes dem echten Kathodenpolarisationswert viel näher als in einem Fall, wenn der Anodenstrom weiterfliesst. Durch das Abtastsystem wird das Sofortabschaltungsverfahren als Messprinzip selbsttätig durchgeführt, indem der Anodenstrom des Systems periodisch für eine kurze Zeitspanne unterbrochen wird, in welcher das Bezugshalbzellen-Potential des Systems gemessen oder abgetastet und in einem Speicher gespeichert wird. Die Daten des gespeicherten Bezugspotentials werden dann als Fehlersignal verwendet,um dem Regelkreis für den Anodenstrom ein Korrektursignal zuzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirkungen des Pehlerpotentials auszuschalten, so dass das Kathodenbezugspotential während des Betriebs des Systems von einer Bezugszelle genau bestimmt werden kann und eine genaue Regelung der Kathodenpolarisation in einem selbsttätig arbeitenden System erhalten werden kann.

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Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist ein Abtast- und Regelsystem für den kathodischen Schutz eines Metalls vorgesehen, welches in einen Elektrolyten als Kathode eingetaucht ist, mit einer Einrichtung zur selbsttätigen Vornahme von Messungen der kathodischen Polarisation, welche frei von einer durch den Anodenstrom induzierten Fehlerspannung sind und welche dazu verwendet werden, um den Anodenstromausgang des Systems einzustellen, wobei das Regelsystem ferner eine Einrichtung zur periodischen Unterbre-

fc chung des Anodenstroms aufweist, sowie eine Einrichtung, um zyklisch und periodisch das Kathoden-Bezugspotential während einer Zeitspanne abzutasten, wenn der Anodenstrom ,unterbrochen ist. Dabei wird durch das Abtastsystem im wesentlichen eine Fehlerspannung oder ein Fehlerpotential dadurch ausgeschaltet, dass die Ursache für die Erzeugung desselben, das heisst der Anodenstrom des Systems abgeschaltet wird. Dies erfolgt zyklisch nacheinander während kurzer Zeitspannen, während welcher das Kathodenpolarisations-Potential bestimmt wird. Das auf diese Weise gemessene Potential wird gespeichert und seine Amplitude mit einem Normpotential verglichen, welches das gewünschte Polarisationspotential der Kathodenfläche darstellt. Der Unterschied zwischen diesen

W beiden Potentialen stellt ein Fehlersignal dar,' welches in ein Regelsystem eingegeben wird, um den Durchschnittswert des Anodenstroms in der gewünschten Richtung einzustellen, um das Fehlersignal zu verkleinern und dadurch eine Annäherung des tatsächlichen kathodischen Polarisationspotential zum gewünschten Wert zu veranlassen.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemessen Systems dargestellt. Es zeigenj

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Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Abtast- und Regelsystems und

Figur 2 eine graphische Darstellung eines typischen Abtast- und Regelungszyklus.

Gemäss Figur 1 weist das Abtast- und Regelsystem gemäss der vorliegenden Erfindung eine Anode 1, eine Bezugselektrode 2 und eine als Kathode 3 kathodisch zu schützende Fläche auf, wobei alle Teile in einem Elektrolyten 4 eingetaucht sind. Das Regelsystem weist ferner eine· Gleichstromquelle 5 auf, deren positiver Pol durch eine Leitung 6 mit der Anode 1 verbunden ist und deren negativer Anschluss durch eine Leitung 7 elektrisch mit der Kathode 3 verbunden ist.

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Die Bezugselektrode 2 ist elektrisch mit einem Komparator 8 verbunden, und zwar über einen elektrischen Leitungszug, welcher einen Abtastschalter 9 und einen Bezugspotential-Speicher 10 aufweist. Der Speicher speichert das durch die Bezugselektrode 2 in Verbindung mit der Kathodenflache 3 erzeugte Potential. Eine Leitung 11 verbindet die Bezugselektrode 2 mit dem Abtastschalter 9 und eine Leitung 12 verbindet den Abtastschalter mit dem Speicher, während eine Leitung 13 vom Speicher 10 zum Komparator 8 führt. Der Speicher besteht aus einer Kapazität und ist mit einer Erdleitung 14 verbunden, wobei der Anschluss durch eine Leitung 15 zwi~ sehen dem Komparator und der Kathode 3 vorgenommen wird.

Ein vorgegebenes Potential für einen optimalen Ifathodischen Schutz (beispielsweise ein Potential von 0,85 Volt) wird dem Komparator 8 zugeführt. Das vorgegebene Potential wird von

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einem Spannungsteiler 16 geliefert, welcher zwischen den Polen einer Gleichstromquelle 17 angeschlossen und mittels eines Leiters 18 mit dem Erdleiter 14 verbunden ist. Das von der Bezugs-Halbzelle 2 abgetastete Potential wird mit dem eingestellten Bezugspotential verglichen und dabei ein Fehlersignal erzeugt, welches den Unterschied zwischen dem vorhandenen kathodischen Polarisationswert aus dem Speicher 10 und dem gewünschten eingestellten Potential besteht, welches über die Stromkreiskomponenten 16 und 17 dem Komparator ) 8 zugeführt wird. Das Fehlersignal wird als Regelsignal verwendet, um selbsttätig den Fluss der Gleichstromleitung zur Anode des Systems einzustellen. Das Fehlersignal gelangt vom Komparator 8 über eine elektrische Signalleitung 19 zur Leisbungsquelle 5. Ein zyklischer Taktgeber 20, beispielsweise eine Uhr, ist mit der Gleichstromquelle 5 verbunden und ebenfalls mit dem iLbtas tschalt er 9. Bei Betrieb des Systems steuert der Taktgeber 20 den Betrieb der Stromquelle 5 und des Schalters 9 in der in Figur 2 dargestellten Folge, so dass zu keiner Seit der Abtastschalter geschlossen ist, wenn die Anode 1 von der Stromquelle 5 erregt wird.

Figur 2 zeigt in einer graphischen Darstellung einen typi-" sehen Abtast- und Regelkreis aus welcher die Betriebsfolge der Abtast- und Regelfunktionen ersichtlich ist. Der Zyklus beginnt.zum Zeitpunkt T_Q. Zn diesem Zeitpunkt wird der Anodenstrom des Systems durch den Taktgeber 20 abgeschaltet. Die Zeitspanne A (T₀-T₁) stellt eine Yerzögerungsperiode vor der Abtastpsrioäe B (T₁-S₂) i©ir_e Bisse Vsrsögerungsperiode karm zwischen 0 und 0,2 Sekunden betragen· Bar Zvjeek dieser TersS-gerangsperiode besteht darin, eis Abfallen der vom Anodenetr©M iaiiaaiert©n ladung des dielektrischen Kathodenüberzugs (Fehlerkomponente IY) zu ermöglichen. Die Zeitspanne B (T₁-Tg)

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stellt die Abtastperiode für das Bezugspotential dar, während welcher die Bezugs-Halbzelle 2 mittels des Abtastschalters 9 elektronisch zum Speicher 10 für das Bezugspotential umgeschaltet wird. Es wird darauf hingewiesen, dass während A oder B kein Anodenstrom fliesst. Die Zeitspanne B ist ausreichend lang, damit das an der Bezugselektrode 2 auftretende Potential die Ladung in Speicher 10 ausgleichen kann« Eine typische'Abtastperiode kann etwa zwischen 1,0 bis etwa 10,0 Millisekunden liegen. Die Zeitspanne C (T₂-T₀?) ist die Regelperiode, während welcher die Anode eingeschaltet ist. Während dieser Zeitspanne wird der Anode 1 des Systems Strom zugeführt, wobei dieser Strom durch die Regelvorrichtung in der vorausgehend beschriebenen Weise geregelt wird. Am Ende der Zeitspanne C bei T₀ ¹ wird der Anodenstrom erneut unterbrochen und der gesamte Ab/tastzyklus wird wiederholt. Diese Betriebsfolge wird ständig wiederholt, solange das Abtast- und Regelsystem in Betrieb ist.

Weitere Abänderungen sind im Rahmen der anliegenden Ansprüche möglich.

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Claims

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1. Abtast- und Regelsystem für den kathodischen Schutz von in einem Elektrolyten eingetauchten Metallen, mit einer Anode, einem zu schützenden Metall als Kathode und'einer

: Bezugselektrode, gekennzeichnet durch eine regelbare elektrische Einrichtung zur regelbaren elektrischen Strom-

" Versorgung der Anode, durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines vorgegebenen kathodischen Schutzpotentials, durch eine Komparatoreinrichtung, welche auf das vorgegebene Schutzpotential anspricht, durch eine elektrische Leitungsanordnung zwischen der Bezugselektrode und der Kom-• paratoreinrichtung, wobei die Komparator-Einrichtung ebenfalls auf das Bezugselektroden-Potential anspricht, mit einem zyklischen Taktgeber, welcher derart geschaltet ist, daß er abwechselnd eine der Leitungsanordnungen und die regelbare elektrische Einrichtung aktiviert, und eine Einrichtung, um ein reduzierendes Signal vonder Komparatoreinrichtung zur regelbaren elektrischen Einrichtung zu übermitteln.

2. Abtast- und Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass di& elektrische Leitungsanordnung eine Schaltungsanordnung aufweist, sowie in Reihe hierzu einen Speicher für das Bezugspotential.

3. Abtast- und Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung auf den Taktgeber anspricht.

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4. Abtast- und Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komparatoreinrichtung elektrisch mit der Kathode geerdet ist.

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