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MESSVERFAHREN FÜR DIE ELEKTROCHEMISCHE POTENTIALDIFFERENZ "METALLBAUWERK
-ERDE" UND EINRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DIESS'S VERFAHRENS Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf das Gebiet des elektrischen Korrosionsschutzes von Metallbauwerken
durch das Uberlagern eines polarisierenden Stromes / Katodenschutz /, Insbesondere
auf das Meßverfahren für die Potentialdifferenz zwischen dem Metallbauwerk und Erde,
die durch elektrochemische Vorgänge bzw. durch vagabundierende Ströme hervorgerufen
ist, mit/ohne Einbeziehung des Katodenschtzes.
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Zur Zeit wird das direkte Meßverfahren zwecks praktischer Kontrolle
des Zustandes des elektrischen Korrosionsschutzes von unterirdischen Metallbauwerken
weitgehand angewendet.
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Dieses Verfahren sieht den Anschluß eines hochohmigen
Voltmeters
an die zu kontrollierende Oberfläche des unt-erårdischen Metallbauwerkes und an
ine nichtpolarisierende Vorgleichselektrode vor, die im Punkt der minimal möglichen
Entfernung von der zu kontrollierenden Oberfläche kontaktgebend mit der Erde angeordnet
ist.
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Dieses Verfahren wird weitgehend für die Kontrolle des Zustandes
des Schutzes von unterirdischen Metall bauwerken gegen Korrosion angewandt, die
sowohl durch den Bodenelektrolyt (Grundwasser) als auch durch die Wirkung des Feldes
von Vagabundströmen der elektrifizierten Gleichstrombahnen hervorgeruhen wird.
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j>ieses bekannte Verfahren ist unter anderem im Buch von V.Ä.
Pritula "Korrosionsschutz von unterirdischen Werksrohrleitungen" moskau, 1961, 5.
195) beschrieben.
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Ein Nachteil des herkömmlichen Meßverfahrens der Potentialdifferenz
"Metallbauwerk - Erde" besteht in dem Meßfehler, der infolge des SpannungsabSalles
im Bodenabschnitt zwischen der Oberfläche des zu kontrollierenden Metallbauwerkes
und der Kontakt stelle der Vergleichselektrode mit dem Boden (Medium) sowie infolge
des Spannungsabralles in einer Schicht der Schutzisolation (falls diese vorhanden
ist) auftritt.
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Da man unter praktischen Bedingungen an realen Objekten aie Kontaktstelle
der Vergleichselektrode nicht nah genug an der Metalloberfläche anordnen kann und
d.r spezifische Bodenviiderstand, insbesondere der Widerstand des Isolationsüberzuges
ziemlich
groß ist, kann der Meßfehler große Werte erreichen.
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1.3. beträgt der Meßfehler bei den normalen Betrieb st0anden des
Katodenschutzes entsprechenden Stromdichten nach den Ergebnissen der Untersuchungen
des amerikanischen Forschers Parker, die an einer isolierten Rohrleitung durchgeführt
wurden, von 30 bis 400 mV oder von 30 bis 60% von der angelegten Potentialdifferenz.'Meßfehler
der Potentialdifferenz eines nichtisolierten Metalibauwerkes (Propanbehälters) betrug
nach den Ergebnissen der von Prof. schwenk (Firma Mannesman, BRD) durchgeführten
Messungen, "Werkstoff und Korrosion" 1962, H. 4, S. 212-213, 400 mV oder 50% von
der angelegten Spannungsdifferenz die Untersuchungen wurden an bis auf das Potential
900 -1300 mV polarisierten Objekten durchgeführt.
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Bei Vagabundströmen kann die Potentialdifferenz Metallbauwerk - Erde
über dem Wert 3,5 V liegen, somit wird der Meßfehler noch größer.
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Das Vorhandensein des im Sinne der Vergroßerung des Meßwertes wirkenden
hießt-ehlers führt dazu, daß die tatsächlichen Potentialwerte unter den gemessenen
Werten liegen. Zur Zeit bleibt dieser Fehler bei praktischen Messungen unbeseitigt.
Das Nicht beachten dieses Meßfehlers führt zum ungenügenden Schutz der Metallbauwerke
bei nichtsolierter Oberfläche oder zum über-Mäßigen Vergrößern der Anzahl der erforderlichen
Katodeneinrichtungen bei der AusfUhrung -des Katodenschutzes von ausgezehnten isolierten
Metallpauwerken (Rohrleitungen). Die Beseitigung
des angegebenen
methodischen Fehlers scheint bei dem angewendenten direkten Leßverfahren praktisch
nicht möglich zu sein.
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Das ist darauf zurückzuführen, daß man unter realen Bedingungen nicht
nur die Vergleichselektrode, wie oben erläutert nicht näher an die Metalloberfläche
bringen, sondern auch die elektrochemische Potentialdifferenz aus der gesamten Summe
der Spannungsabfälle nicht heraussondern kann. Auf diese Weise stellt die Beseitigung
des Meßfehlers ein technisches Problem dar. Zur Lösung dieses problems vourden Methoden
der indirekten Messung vorgeschlagen, die auf der Trägheit von elektrochemischen
Vorgängen beruhen.
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Diese Verfahren zeichnen sich durch das Vorhandensein entweder eines
Unterbrechers im Stromkreis der Polarisierstromquelle des Katodenschutzes oder eines
Impulsgenerators als Polarisierstromquelle aus.
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Zu diesen Verfahren gehören: - Pearsonsches Verfahren, das in der
Zeitschrift "Corrosion" Nr. 10, 1954, 5. 206 und "Transactions Electrochemie Soc."
Nr. 81 /1942/, S. 485 beschrieben ist; - Hollersches Verfahren, das in der Zeitschrift
"Corrosion" Nr. 16, 1960, . 209 beschrieben ist, sowie das Verfahren nach dem Urherberschein
Nr. 173316, KI. 21e, 35, UdSSR.
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Die beschriebenen Einrichtung, indem sie sich in Linzelheiten
unterscheiden,
enthalten unbedingt einen Spannungsimpulsgenerator (oder Unterbrocher),eine Anodenelektrode
(Erdung), eine Vergloichselektrode und eine als eine Wechselstrom-Meßbrücke mit
einem Röhren~impulsspangsmesser als Indikator ausgeführte Meßschaltung.
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Der Hauptnachteil der beschriebenen Vorfahren besteht in der Notwendigkeit
der Anwendung einer speziellen Speisequelle, die den Gleichstrom in einen Impulsstrom
genugender Frequenz umformt Die iw'tJondung von Unterbrechen oder eines Impulsstromgenorators
beeinflußt den zu kontrollierenden Zustand des olekt;rischen Schutzes. Die Potentialmeßwerte
werden sich von den Potentialwerten vor der Einführung des Impulsbetribs unterscheiden.
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Die Anwendung von Generatoren und Unterbrechern, die mit einer genügender
Frequenz arbeiten, ist durch große Polarisierstromwerte (bis 50 A) sowie durch das
Vorhandensein von Reaktanzen im Stromkreis der Katodenschutzeinrichtung erschwert.
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Es ist praktisch unmöglich, die Messung der Potentialdifferenz mit;
Beseitigung des oben genannten Meßfehlers durchzufuhren, wenn die Polarisationsströme
vagabundierende Bodenströme sind.
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Die Verwirklichung von derartigen Messungen nach den erwähnten Verfahren
ist schließlich mit der Anwendung der sperrigen zusätzlichen Apparatur großer Leistung
(Generator bzw. Unterbrecher) verbunden, während das eigentliche Meßgerät raumsparend
ist.
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Außerdem erfordert die Anwendung der genannten Verfahren einen übermagigen
Zeitaufwand und das Heranziehen von hochqualifiziertem Personal.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt die Entwicklung eines Verfahrens
der Beseitigung des methodischen Meßfehlers der Potentialdifferenz "Metallbauwerk-
Ende" ohne Anwendung der Einrichtungen, welche den Betrieb der Polarisation auf
irgendeine Weise veråndern.
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Das weitere Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine dieses Verfahren
verwirklichende Einrichtung zu schaffen, die die maximale Automatisierung der Meßvorgänge
gewährleistet Der Erfindung ist die Verwirklichung eines solchen Mcßverfahrens der
elektrochemischen Potentialdrferenz "Metallbauwerk - Erdet zugrunde gelegt, welches
die Beseitigung des durch den Spannungsabfall im Bodenelektrolyt bedingten seßfehlers
dank der Ausnutzung der Form der Polarisierstromkurve gewärleistet Diese Aufgabe
wird im vorgeschlagenen Meßverfahren der elektrochemischen Potentialdifferanz zwischen
dem Metallbauwerk und Erde beim Vorhandensein von vagabundierenden Strömen dadurch
gelost, daß man die Spannung zwischen der zu kontrollierenden Oberfläche und einer
in minimaler Entfernung angeordneten Vergleichselektrode mißt. Außerdem mißt und
dann erhöht man die Spannung zwischen dieser Hauptvergleichselektrode und einer
zusätzlichen Vergleichselektrode, die in demselben Feld
angoerdnet
ist. Danach werden die zwischen der zu kontrollierenden Oberfläche und der Vergleichselektrode
auftretende Spannung und zwischen die der haupt- und Zusatzelektrode abgenommene
und um einen Maßstab vergrößerte Spannung gegensinnig einem Voltmeter zugeführt.
Dieser Vergrößerungfaktor (Maßstab) wird durch das Vergleichen <ier Geschwindigkeit
der Spannungs*anderung zwischen den zwei Vergleichselektroden und der Geschwindigkeit
der Spannungsänderung zwischen der Hauptvergleichselektrode und der Oberfläche des
Bauwerkes gleichzeitig ermittelt.
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Es ist zweckmäßig, die nach dem vorliegenden Verahren ausgeführte
Einrichtung mit einem Verstärker, einem Abschwächer mit einem Belastungswiderstand
und einem Voltmeter bestehenden Korrekturblock auszustatten, in dem nach der Erfindung
zwei aus einem Differenzierverstärker, einem mehrstufigen Spannungsdiskriminator
und einem anzeigenden Impulszähler ausgeführten Vergleichseinheiten angewendet sind,
wobei der Eingang des Verstarkers des Korrekturblocks und einer der Vergleichseinheiten
parallelgeschaltet und an die Klemmen der Haupt-und der Zusatzvergleichselektrode
angeschlossen sind, während der Eingang der zweiten Vergleichseinneit an die Klemme
wor zu kontrollierenden Oberfläche und die Klemme der Hauptvergleichselektrode angeschlossen
ist, über den Belasungswiderstand des Korrekturblocks und den Indikator an der Klemme
der zu kontrollierenden Oberfläche liegt.
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Es ist ebenfalls zweckmäßig, den Disckriminator der Vergleichseinheit
mit
Tunneldioden aufzubauen und dessen Ausgang mit dem Impulszähler zu verbinden.
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Durch die Beseitigung des Meßfehlers ermöglicht die Erfindung einen
wirtuchaftlichen Nutzeffekt durch die Verlangerung der Lebensdauer von blanken Metallbauwerken
und der Verkürzung des Bauaufwandes fur die Einrichtungen des eloktischen Schutzes
von mit einem nichtmetallischen Uberzug isolierten Hauptrohrleitungen durch die
richtige Ermittlung der Parameter des elektrischen Schutzes.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigelegten Zeichnung näher
erläutert.
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Bs ist ebenfalls zu berucksichtigen, daß auch andere Ziele und Vorteile
der vorliegenden Br£indung, außer den oben angeführten, nachfolgend bei der Erläuterung
des Ausführungsbei spieles nach dem vorgeschlagenen Verfahren deutlicher werden.
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Das Meßverfahren der Potentialdifi'erenz besteht darin, daß man an
das Voltmeter zwei gegeneinandergeschaltete Spannungen legt. Die erste Spannung
ist die Spannung zwischen der Metalloberfla"che des Bauwerkes und der ersten Vergleichselektrode,
die in unmittelbarer Nähe der Oberfläche im Boden angeordnet ist.
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Die andere Spannung ist die Spannung zwischen der ersten und der zweiten
Vergleichselektrode, die in einer Entfernung von der ersten Elektrode angeordnet
ist. Die letztere Spannung wird verstärkt, und man führt die beiden Spannungen dem
in Elgensinn Indikator zu, vjobei der Verstärkungsfaktor durch Vergleichen der Anderungsgeschwindigkeit
der
Spannung zwischen den Elektroden und der An'derungsgoschwindigkeit der Spannung
zwischen der Vergleichselektrode und dem Bauwerk gleichzeitig ermittelt wird, was
das Eliminieren des durch den Bodenwiderstand und den Widerstand des Isolationsüberzuges
bedingten Meßfehlers ermöglicht.
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Die das Verfahren nach der Erfindung realisierende Einrichtung besteht
aus einer Korrektureinheit 1, die mit einem Verstärker 2, Abschwächer 3 mit einem
Belastungswiderstand 4 und einem Voltmeter 5 aufgebaut ist. Jede von zwei Vergleichseinheiten
6 und 7 besteht aus einem Differenzierverstarker 8, einem mohrstufigen Spannungsdiskriminator
9 und einem anzeigenden Inpulszäher 10.
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Der Ausgang des Verstärkers 2 der Korrktureinheit 1 ist mit dem Abschwåcher
3 belastet, an dessen Ausgang der Belastung widerstand 4 liegt.
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Der Ausgang des Differenzierverstärkers 8 oder Vergleichseinheit
6 bzw. 7 ist mit dom Eingang des mit Tunneldioden Destücken mehrstufigen Spannungsdiskriminators
9 gekoppelt, dessen Ausgang an den Impulszähler 10 geschaltet ist.
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Der Eingang der Verstärkers 2 der Korrektureinheit 1 ist; parallel
zu dem Eingang des verstärkers 8 oder Vergleichseinheit 7 geschaltet, und beide
sind an die Klemme 11 Hauptvergleichselektrode 12 und die Klemme 13 der zusätzlichen
vergleichselektrode 14 ausgeschlossen.
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Der Eingang der zweiten Vergleichseinheit 6 ist an die
Klemme
15 der zu konürollierenden Oberflache 16 und die Klemme 11 der Hauptvergleichselektrode
12 angeschlossen.
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sie Klemme 11 ist uber den Belastungswiderstand 4 und das Voltmeter
5 mit der Klemme 15 der zu kontrollierenden Oberfläche 16 verbunden.
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solange zwischen dem Bauwerk 16 und der Polarisierstromquelle (nicht
dargestellt) kein Strom fließt, wird das Voltmeter 5 nurl die elektrochemische Potentialdifferenz
"Bauwerk - Erde" anzeigen, weil der Spannungsabfall am Abschwächer 3 infolge des
hochohmigen Einganges des Gerätes 5 vernachlässigbar klein ist.
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Beim Auftreten des Polarisierstromes zwischen den Elektroden 12 und
14 entsteht eine Spannungsdifferenz, die vom Verstärker 2 verstärkt wird und über
den Abschwächer 3 und den Belastungswiderstand 4 in Gegenphase auf die vom Voltmeter
5 gemessene Polarisations - EMK einwirkt, indem sie ihre Größe proportional zum
Spannungsbfall zwischen den Elektroden 12 und 14 vermindert.
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Auf diese Weise wird der gemessene Wert der Spannungsdifferenz laufend
korrigiert. Zur Ermittlung des Proportionaltätsfaktors zwischen der eingeführten
Korrektur und dem gemessenen Spannuntsabrall zwischen den Elektroden 12 und 14 werden
die Vergleichseinheiten 6 und 7 angewendet. dabei gelangt ein Teil der elel;-trischen
Energie von der Elektrode 12 und dem Bauwerk 16 an aon Eingang des Verstärkers 8
der Einheit 7 und von den Elektroden 12 und 14 an den Eingang des gleichartigen
Verstärkers der Einheit 6. Diese Verstärker 8 so ausgeführt, daß sie nur auf
die
Geschwindigkeit der Änderung ihrer Eingangssignale anaprechen. Dabei tritt an ihrem
Ausgang eine zu der Ableitung der Eingangssignaländerung proportionale Spannung
auf.
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Das Durchfließen von Vagabundströmen wird immer von scharfen Impulsen
begleitet, und der Katodenschutzvorgang wird von Apparaten ausgeführt, deren Ausgangsstrom
perioisch pulsiert.
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Es ist- offen sichtlich, daß bei einer sprungartigen Änderung des
Polarisierstromes die Änderung des Spannungsabfalls zwischen den Elktroden 12 und
14 und die ohmischen Anteils der gesamten Potentialdifferenz Bauwerk-Erde zueinander
proportional sind, weil sich die Polarisationskomponente nicht so schnell ändern
kann, und ihre An'derungsgeschwindigkeit gleich Null sein wird.
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Diese an den Ausgängen der Verstärker 8 in Spannung impulse umgeformten
Änderungsgeschwindigkeiten der Potentialdifferenz gelangen an die Diskriminatoren
9, von denen jeder den Ho'chstwert des Impulses behält. Diese werte werden dairn
fixiert und mittels der Impulszähler 10 angezeigt.
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Die erhaltenen Werte werden zur Ermittlung von Proportionalitätsfaktoren#
herangezogen, die sich aus der Division der Impulszahl des einen Zählers 10 durch
die Impulszahl am Ausgang des anderen Zählers 10 ergibt Der Abschwächer wird auf
den erhalteten Proportionalitätsfaktor abgestimmt, welcher für eine gegebene Anordung
der Elektroden 12 und 14 gegenüber dem Bauwerk 16 l.cnst-ant bleibt.