DE2160002C3

DE2160002C3 - Verfahren und Einrichtung zum Messen der elektrochemischen Potentialdifferenz eines Metallbauwerks gegen Erde

Info

Publication number: DE2160002C3
Application number: DE19712160002
Authority: DE
Inventors: Wsewolod Iwanowitsch Glaskow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1971-12-03
Publication date: 1975-05-15
Also published as: DE2160002A1; DE2160002B2

Description

Die vorliegende Erfindim<: bezieht sich auf ein Meßverfahren für die elektrochemische Potential-(lilTerenz eines Melallhauwerks neuen Erde beim Auftreten von vauabundierenilcn Siromen im Erdreich sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Von Bedeutung ist die Messung der erwähnten Potentialdifferenz auf dem Gebiet des Katodenschutzes von Metallbauwerken, z. B. metallischen Rohrleitungen, vor Korrosion durch Überlagerung eines polarisierenden Stroms.

Bekannt ist eine unmittelbare Messung der Potentialdifferenz durch Anschluß eines hochohmigen Spannunssmessers an das zu überwachende unterirdische ^Bauwerk und an eine Vergleichselektrode, die möalichst nahe am Bauwerk im Erdreich angeordnet Ist. Ein solches Verfahren, das z. B. zur Kontrolle des Schutzes von unterirdischen Metallbauwerken aegen durch den Bodcnelektrolyten (Grundwasser) oder durch die Wirkung von Vagabundströmen henorgerufene Korrosion angewendet wird, ist in »Korrosionsschutz von unterirdischen Yv'erksrohrleitungen« von V. A. Pritula, Moskau, 1%1, S. l')5, beschrieben.

Nachteilig bei diesem direkten Meßverfahren ist der Meßfehler, der infolge des Spannungsabfalls im Bodenabschnitt zwischen Metallbauwerk und Vergleichselektrode sowie infolge des Spannungsabfalls Γη einer eventuell vorhandenen Schutzisolationsschicht auftritt. Da unter praktischen Bedingungen die Vcrclcichselektrode nicht beliebig nahe am zu überwachenden Bauwerk angeordnet werden kann und sowohl der spezifische Bodenwiderstand als auch der Widerstand eines Isolationsüberzugs ziemlich aroß werden kann, kann auch der Meßfehler große Werte erreichen.

Nach den Untersuchungen von Parker beträgt der Meßfehler bei isolierten Rohrleitungen und bei Stromdichten, die den normalen Bctriebszuständen des Kntodenschutzes entsprechen. 30 bis 400 mV bzw. M) bis 60 °/'n der angelegten Poientialdiffercn/. Nach den Untersuchungen von Schwenk (veröffentlicht in »Werkstoffe und Korrosion«, 1962, S. 212 bis 218) beträgt der Meßfehler bei einem nichtisolierten Bauwerk (einem Propanbehälter) 400 mV oder 50 ⁰Ai der angelegten Potcntiuldifferen/. Die Untersuchungen wurde« an bis auf das Potential 100 bis 1300 mV polarisierten Objekten durchgeführt.

Bei vagabundierenden Strömen kann die Potentialdilferen/. Mctallbauwerk—Erde den Wert von 3.5 V übersteigen, so daß der Meßfehler noch crößer wird.

Das Vorhandensein eines im Sinne der Vergrößerung des Meßwerts wirkenden Meßfehlers führt dazu, daß die tatsächlichen Potcntinlwerte unter den r-ymessenen Werten liegen Zur Zeit bleib! dieser Fehler bei praktischen Messungen unbescitigt. Das Nichlbeachten dieses Meßfehlers führt zum ungenügenden Schutz der Metallbauwerke bei nichtisolierter Oberfläche oder zum übermäßigen Vergrößern der Anzahl der erforderlichen Katodeneinrichtungen bei der Ausführung des Katodcnschutzes von ausgedehnten isolierten Metallbauwerkcn (Rohrleitungen). Die Beseitigung des angegebenen methodischen Fehlers scheint bei dem angewendeten direkten Meßverfahren praktisch nicht möglich zu sein

Das ist darauf zurückzuführen, daß man unter realen Bedingungen nicht nur, wie oben bereits erwähnt, die Vergleichselektrode nicht näher an die Metalloberfläche des Bauwerks bringen, sondern auch die elektroehenisdie Polcnlialdilferenz aus der L'csiimlen Summe dei Sp;ni:iimtr >.ilΊ iill_■ nicht hei

aussondern kann. Auf diese Weise stellt sich das Problem der Beseitigung des Meßfehlers. Zu seiner Lösung wurden bereits Methoden der indirekten Messung vorgeschlagen, die auf der Trägheit von elektrochemischen Vorgängen beruhen. Diese Verfahren zeichnen sich durch das Vorhandensein entweder eines Unterbrechers im Stromkreis der Polarisierstromquelle des Katodenschutzes oder eines Impulsgenerators als Polarisierstromquelle aus. Zu diesen Verfahren gehören das Pearsonsche Verfahren, das in der Zeitschrift »Corrosion*. Nr. 10. 1954, S. 2ΰύ, und »Transactions Elektrochemie Soc«, Nr. 81, !942, S. 485, beschrieben ist. sowie das HoI-lersche Verfahren, das in der Zeitschrift »Corrosion«, Nr. 16, 1960, S. 209, beschrieben ist. sowie das Verfahren nach dem UdSSR-E^rfinderschein i 73 316.

Diese sich in Einzelheiten unterscheidenden Verfahren arbeiten alle mit Hilfe eines Spannunasiripulsgenerators (oder Unterbrechers), einer Anodenelektrode (Erdung), einer Vergleichsclektrode und einer afs eine Wechseistrom-Meßbrücke mit einem Röhren-Impulsspannungsmesser als Spannungsmesser ausgeführte Meßschaltunu.

Der Hauptnachteil dieser Verfahren besteht in der Notwendigkeit der Anwendung einer speziellen Spcisequellc, die den Gleichstrom in einen Impulsstrom genügender Frequenz uniformt.

Auch beeinflußt die Anwendung der Unterbrecher oder eines Impulsstromgenerators den zu kontrollierenden Zustand des elektrischen Schutzes. Die Potentialmeßwerte werden sich von den Potentialwerten vor der Einführung des Impulsbetriebs unterscheiden. Die Anwendung von Generatoren und Unterbrechern, die mit einer genügenden Frequenz arbeiten, ist durch große Polarisierstromwerte (bis 50 A) sowie durch das Vorhandensein von Reaktanzen im Stromkreis der Kalodcnschutzeinrichlung erschwert. Es ist auch praktisch unmöglich, die Messung der PotentialdilTerenz mit Beseitigung des Meßfehlers durchzuführen, wenn die Polarisalionsströme vagabundierende Bodcnslröme sind.

Außerdem sind die Apparaturen zur Durchführung der Messungen nach den erwähnten Verfahren aufwendig, haben großen Leisiiingsbedarf und sind sperrig, während das eigentliche Meßgerät nur geringe Abmessungen hat.

Schließlich erfordert die Anwendung eier genannten Verfahren einen übermäßigen Zeitaufwand und das Heranziehen von hochqualifiziertem Personal.

Aufgabe der vorliegenden Erfindimg ist es, unter Vermeidung der beschriebenen Nachteile ein Verfahren und eine Einrichtung /ur Messung der elektrochemischen Potcntialdifferenz Metallbauwerk-■■ linie ohne die Verwendung von zusätzlichen Einrichtungen, die die Polarisieriniü des Bauwerks wesentlich ändern, zu schaffen, wobei der methodische Meßfehler auf Grund des auf dem ohm.schen Widerstand des Erdreichs und der Isolation des Bauwerks beruhenden Spannungsabfall^ beseitigt ist. Außerdem soll eine weitgehende Automatisierung dei' Meßvorgiinee möglich sein.

l-.s wird dabei ausgegangen von einem Ni: i.'vei t'ahien für die elektrochemische Poteniiaklilferni/ eines Metallbauwerks gegen f.rde beim AulircU-n von vagabundierenden Strömen durch Abnahme dei Spannung zwischen dem Metallbauwerk und einer an einem Kontrollpunkt angeordneten Hauptver "ieiehseleklrode sowie durch Abnahme i\cv Span nung zwischen dieser Hauptvergleichselektrode und einer in größerer Entfernung vom Bauwerk angeordneten zusätzlichen Vergleichselektrode.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß der zwischen Metallbauwerk und Hauptvcrgleichselektrode abgenommenen Spannung gegensinnig die zwischen den beiden Elektroden abgenommene und um einen Faktor verstärkte Spannung überlagert und die resultierende Spannung einem

ίο Spannungsmesser zur Ablesung zugeführt, wobei der Verstärkungsfaktor bestimmt wird als Quotient der Division der Geschwindigkeit der Änderung der Spannung zwischen Metallbauwerk und Hauptvergleichselektrode durch die Geschwindigkeit der Änderung der Spannung zwischen Hauptvergleichsek-ktrode und zusätzlicher Vergleichselcktrode im gleichen Zeilpunkt beim Auftreten von schroffen Stromschwankungen.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält einen Korrekturblock mit einem Verstärker, einem Abschwächer mit einem Belastungswiderstand und einem Voltmeter, wobei zwei aus einem Differenzierverstärker, einem mehrstufigen Spannungsdiskriminator und einem anzeigenden Impulszähler ausgeführte Verglcichseinheiten angewendet sind und der Eingang des Verstärkers des Korrekturblocks und einer der Vergleichseinheiten parallel geschaltet und an die Klemmen der Haupt- und der Zusatzvergleichselekirode angeschlossen sind,

3" während der Eingang der zweiten Vergleichseinheit an die Klemme der zu kontrollierenden Oberfläche und die Klemme der Hauptvergleichselektrode angeschlossen ist. die über den Belastungswidersland des Korrekturblocks und den Indikator an der Klemme der zu kontrollierenden Oberfläche liegt.

Es ist dabei zweckmäßig, den Diskriminator der

Verglcichseinhcit mit Tunneldioden aufzubauen und dessen Ausijang mit dem Impulszähler zu verbinden.

Durch die Beseitigung des Meßfehlers ermöglich!

die Erfindung die Verlängerung der Lebensdauer von blanken Metallbauwcrken und die Verringerung des Bauaufwandes fürSchut/einrichtungen von mit einem nichtmetallischen Überzug isolierten Hauptiohrleitungen durch die richtige Ermittlung der Parameter des elektrischen Schutzes.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die hier gezeigte Einrichtung besteht aus einer Korrektureinheit 1, die mit einem Verstärker 2, einem Abschwächer 3, mit

5" einem Belastungswiderstand4 und einem Spannungsmesser 5 aufgebaut ist. .!ede der zwei Vergleichseinheiten 6 und 7 besteht aus einem Ditferenzierverstärker 8 bzw. 8«, einem mehrstufigen Spannungsdiskriminator 9 bzw. 9a und einem anzeigenden Impulszähler IO bzw. 1Oi?.

Der Ausgang des Verstärkers 2 der Korrektureinheit I ist mit dem Abschwächer 3 belastet, an dessen Ausgang der Belastungswidcistand 4 liegt. Der Ausgang des Dilferenzierverstärkers 8 bzw. Sa der Vergleichseinheit 6 bzw. 7 ist mit dem Eingang des mit Tunneldioden bestückten mehrstufigen Span-Hiiiigsdiskritriinaiors 9 bzw. 9a gekoppelt, dessen Anfang an <:cp l'iipulszählcr 10 bzw. 10« geschaltet ist.

f'5 Der Eins:ang des Verstärkers 2 tier Korrcklureinheit I ist parallel zu dem Eingang des Verstärkers 8« der V'eideiehseinheil 7 geschähet, und beide sind an dir Klemme Il von I lauplUTuk'ich- -lckliode

12 und die Klemme 13 der zusätzlichen Vcrglcichsclektrode 14 angeschlossen.

Der Eingang der zweiten Verglcicliseinheil 6 ist ;in die Klemme 15 der zu kontrollierenden Oberfläche 16 und die Klemme 11 der Hauptvergleichselcktrodc 12 angeschlossen.

Die Klemme 11 ist über den Bclastungswiderstand 4 und das Vollmeter 5 mit der Klemme 15 der zu kontrollierenden Oberfläche 16 verbunden.

Solange zwischen dem Bauwerk 16 und der PoIarisierslromqucllc (nicht dargestellt) kein Strom fließt, wird das Voltmeter 5 nur die elektrochemische Potentialdidcrcnz »Bauwerk—Erde« anzeigen, weil der Spannungsabfall am Widerstand 4 infolge des hochohmigen Einganges des Spannungsmessers 5 vernachlässigbar klein ist. Beim Auftreten des Polarisicrstroms zwischen den Elektroden 12 und 14 entstellt eine Spannungsdifferenz, die vom Verstärker 2 verstärkt wird und über den Abschwächer 3 und den Belastungswiderstand 4 in Gegenphase auf die vom VoltmetcrS gemessene Polarisations-EMK einwirkt, indem sie ihre Größe proportional zum Spannungsabfall zwischen den Elektroden 12 und 14 vermindert. Auf diese Weise wird der gemessene Wert der Spannungsdifferenz laufend korrigiert.

Zur Ermittlung des Proporlionalitätsfaktors 'wischen der eingeführten Korrektur und dem gemessenen Spannungsabfall zwischen den Elektroden 12 und 14 werden die Vcrgleichseinheiten 6 und 7 angewendet. Dabei gelangt ein Teil der elektrischen Energie von der Elektrode 12 und dem Bauwerk 16 an den Eingang des Verstärkers 8 a der Einheit 7 und von den Elektroden 12 und 14 an den Eingang des gleichartigen Verstärkers 8 der Einheit 6. Diese Verstärker 8 und 8 α sind so ausgeführt, daß sie nur auf die Geschwindigkeit der Änderung ihrer Eingangssignale ansprechen. Dabei tritt an ihrem Ausgang eine zu der Ableitung der Eingangssignaländerung proportionale Spannung auf.

Die liier angesprochenen Spannungsänderungen beruhen auf der Wirkung der vagabundierenden Ströme im Erdreich, welche ihre Dichte sehr rasch ändern können, wenn z. B. eine elektrisch betriebene Eisenbahn oder eine Katodenstation als ursächliche EMK-Quelle in Frage kommt.

Bei elektrifizierten Eisenbahnstrecken entstehen starke Stromdichteschwankungen im Erdreich, insbesondere beim Anfahren oder beim Bremsen einer Ε-Lokomotive, also wenn plötzliche Änderungen ihres Stromverbrauchs auftreten. Im Zusammenhang hiermit entstehen auch veränderliche Spannungsgradienten im betroffenen Erdreich, d. h. in dem Bereich des Bodens, in dem diese Ströme als vagabundierende Ströme auftreten.

Die Erfassung der Änderungsgeschwindigkeiten der Spannungsgradienten bzw. der Spannungsabfälle zwischen jeweils 2 Punkten des Erdreichs erlaubt zwar noch nicht unmittelbar die mit der vorliegenden Erfindung angestrebte Beseitigung der Meßfehler; sie erlaubt aber die Festlegung des Proportionalitätsfaktors zwischen den Spannungsabfällcn selbst. Hierzu müssen folgende Überlegungen angestellt werden:

Fließen durch das Bauwerk 16 und das umgebende Erdreich Ströme auf Grund einer äußeren F.MK-Qucllc, so wird zwischen Hauptvergleichselcktrodc 12 und zusätzlicher Vcrglcichsclcktrode 14 aul Grund des ohmschcn Widerstands des zwischcngclcgcncn Erdreichs eine Spannung auftreten. Dabei ist / die Stromdichte im Erdreich und /<,.,,,, der ohmschc Widerstand des Erdreich: /wischen den Punkten 12 und 14.

Gleichzeitig wird zwischen der Oberfläche de! Bauwerks 16 und der Hauplvcrgleichsclcktrode \2 eine Spannung

auftreten. Dabei ist R₁₁₁₁, der Polarisierungswidcistand /i_;,„, der Widersland der Isolierung des Bauwerks 16 d Wid

g der Widerstand des Erdreichs zwischen Bau werk 16 und Elektrode 12 und K_v K₂ Proportiona lilälsl'aktorcn.

R_isnl und R

stände, während R

sind rein ohmschc Wider

₁,, ein Blindwiderstand mit über wiegender kapazitiver Komponente ist.

Bei einer plötzlichen schroffen Änderung de: Stromdichte an Bauwerk 16 und im umgebenden Erd reich, z. B. wegen eines Stromstoßes der vagabundierenden Ströme, gilt

und

dl

Hierbei wird der Polarisierungswiderstand R,,„ sich nicht entsprechend ändern, da er im wesentlicher ein Blindwiderstand (K,,,,, -. - A^₀,) kapazitiven Charak tcrs ist. Es wird also gelten:

c)

0.

dt dt

Da also in der Beziehung

d
el/

(/«,„„ WK₁ K/_s,„ !

der Anteil der Änderung der Polarisationskompo ncnte vernachlässigt werden kann, kann auch gc schrieben werden

9^16.12

dt

B t)/

Als Verhältnis zwischen den Andcrungsgesclnvin digkeiten der Spannungen ergibt sich somit

dt

d t

d dt

isoi +

bzw. für schroffe Änderungen der Stromdichte dt K_tR

₁₈.„

_=K

mit K als gesuchter Proportionalitätsfaktor.

Damit ist die Möglichkeit gegeben, den zu beseiti gendcn Meßfehler, der auf dem ohmschen Anteil de Spannungsabfalls zwischen Bauwerk 16 und Haupt vcrglcichselcktrodc 12 beruht, zu kompensieren. Be der vorliegenden Erfindung geschieht dies, wie ge sagt, dadurch, daß der dem Voltmeter 5 zugcführtci Spannung zwischen 16 und 12 die Spannung gegen

sinnig überlagert wird, die zwischen 12 und 14 herrscht, nachdem diese zunächst in 2 verstärkt und dann in 3 entsprechend dem Proportionalitätsfaktor abgeschwächt wurde.

Dadurch wird ein aufgrund von vagabundierenden Strömen aufgrund des ohmschen Widerstandes des Erdreichs auftretender Spannungsabfall, el. h. der Meßfehler, automatisch ausgeglichen.

Die Einführung des Proportionalitätsfaktors in Verstärker 2 — Abschwächer 3 erfolgt dabei von Hand durch die Bedienungsperson. Die Spannung U_{10 v}, gelangt auf den Eingang der Vergleichseinheit 6 und die Spannung C/,„ _]4 auf den Eingang der Vergleichseinheit 7. Beide Einheiten sind analog aufgebaut.

Am Ausgang des Differenzierverstärkers 8 bzw. 8 a entstehen in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Spannungen am Eingang Impulse verschieden großer Amplitude, die auf die aus Tunneldioden aufgebauten Spannungsdiskriminatoren9 bzw. 9 a gegeben werden. Diese Ketten aus Tunneldioden erzeugen bei Beaufschlagung ihres Eingangs mit einer wachsenden Spannung jeweils bei Erreichen der aufeinanderfolgenden Auslöseschwellen am Ausgang jeweils Impulse gleicher Amplitude.
Die Zahl der Impulse am Ausgang der Einheiten 9 bzw. 9a ist also ein Maß für die Größe des Eingangsimpulses. Die Zahl der Impulse wird jeweils in Einheit 10 bzw. 10a gezählt und kann hier abgelesen werden.

ίο Das weitere Vorgehen ist dann einfach so, daß die Bedienungsperson die Zählerstände der Impulszähler 10 und 10 a abliest und durch Division den Proportionalitätsfaktor if bestimmt. Mit diesem Proportionalitätsfaktor wird dann der Verstärkungsgrad von Verstärker 2 mit Hilfe des Abschwächers 3 eingestellt. Die entsprechend verstärkte Spannung U₁₂ ₁₄ wird somit der Spannung U₁₆ ₁₂ an dem Widerstand 4 gegensinnig aufaddiert und damit der Meßfehler ausgeglichen. Für eine gegebene Anordnung der Elek-

ao troden 12 und 14 gegenüber dem Bauwerk 16 bleibt diese Einstellung konstant.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909 620/199

Claims

Patentansprüche:

1. Meßverfahren für die elektrochemische Potentialdifferenz eines MetalIbauwerks gegen Erde beim Auftreten von vagabundierenden Strömen durch Abnahme der Spannung zwischen dem Metallbauwerk und einer an einem Kontrollpunkt angeordneten Hauptvergleichselektrode sowie durch Abnahme der Spannung zwischen dieser Hauptvergleichselektrode und einer in größerer Entfernung vom Bauwerk angeordneten zusätzlichen Vergleichselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Metallbauwerk (16) und Hauptvergleichselektrode (12) abgenommenen Spannung gegensinnig die um einen Faktor verstärkte, zwischen den beiden Elektroden (12, 14) abgenommene Spannung überlagert und die resultierende Spannung einem Spannungsmesser (5) zugeführt wird, wobei der Verstärkungsfaktor bestimmt wird als Quotient der Division der Geschwindigkeit der Änderung der Spannung zwischen Metallbauwerk und Hauptvergleichselektrodc durch die Geschwindigkeit der Änderung der Spannung zwischen as Hauptvergleichselektrode und zusätzlicher Vergleichselektrodc im gleichen Zeitpunkt beim' Auftreten von schroffen Stromschwankungen.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die eine aus einem Vcrstärker und einem Abschwächer mit einem Betastiingswiderstand sowie einem Spannungsmesser bestehende Korreklureinheit enthält, gekennzeichnet durch zwei aus je einem Dilferenzicrverstärker (8 bzw. 8«)- je einem mehrstufigen Spannungsdiskriminator (9 bzw. 9n) und je einem anzeigenden Impulszähler (10 bzw. 10«) ausgeführte Verglcichscinheiten (6. 7). wobei der Eingang des Verstärkers (2) der Korrckturcin'ieit (I) und derEingang der einen Vergleichseinhcit (7) parallel geschaltet und an die Klemme (11) der Hauptvcrglcichsclcktrodc (12) sowie die Klemme (13) der Zusatzvcrgleiehsclektrode (14) angeschlossen ist. während der Eingang der anderen Vergleichseinhcit (6) an die Klemme (15) der /u kontrollierenden Oberfläche des Bauwerks (16) und die Klemme (11) der llauptvergleichsclektrodc (12) angeschlossen ist, wobei der Spannungsmesser (5) über den Belaslungswiderstand(4) der Korrektureinheit (1) an den letztgenannten Klemmen (Mund 15) liegt.

3. Hinrichtung zur Messung der elektrochemischen PotentialdilTercnz eines Metallbauworks gegen Erde nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator jeder Vergleichseinheit mit Tunneldioden aufgebaut und sein Ausgang mit einem Impulszähler verbunden ist.