DE2339555A1

DE2339555A1 - Korrosionsmessgeraet

Info

Publication number: DE2339555A1
Application number: DE19732339555
Authority: DE
Inventors: Homer Marvin Wilson
Original assignee: Petrolite Corp
Current assignee: Baker Petrolite LLC
Priority date: 1972-10-06
Filing date: 1973-08-02
Publication date: 1974-04-18
Also published as: GB1369191A; JPS532757B2; CA974591A; IT990355B; JPS4974092A; US3766042A; FR2202597A5

Description

PATENTANWÄLTE -Dr.-Ing. HANS RUSCHKE Dipl.-Ing. OLAF RUSCHKE Dipi.-lng.HANSE.RUSCHKfe

1 BERLIN 33 Auguste-Viktoria-Straßft €8

Petrolite Corporation, St. Louis, Missouri, V.ot.A,

Korros ionsmeßgerät

Did vorliegende Erfindung betrifft die Messung und Überwachung von Korrosionsprozessen und insbesondere Instrumente und elektrochemische Verfahren, wie sie für die Untersuchung von Korrosionsprozessen eingesetzt werden.

Es ist häufig erwünscht, die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der Metalle in einem korrodierenden Meaium, wie z.B. einer korrouierenäen Flüssigkeit, korrodieren. Bspw. setzt man wässrigen Flüssigkeiten Korros ionshemrner zu, um die Korrosion an Metallen, dio diesen ausgesetzt sind, su reduzieren. Zur Messung der Ge-S2.iviiridigk3.it, mit der diese Metalle korrodieren, verwendet man Instrumente, so dass sich die Wirksamkeit der Korrosionsaemnier ermitteln lässt. Die Messung der Metallkorrosionsgeschwindigkeit setzt im allgemeinen ein Instrument voraus, dem eine Sonde r.iit in Ga..; korrodierende Medium tauchenden Elektroden zugeordnet ist. JoIcLi- Instrumente nennt man gewöhnlich "Korrosionsmeter" ('corrosion rutemeters^!). An den im korrodierenden Medium befindlichen

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Elektroden finden bestimmte elektrochemische Vorgänge statt, aie mit der Korrosion der die Testelektrode bildenden Materialprobe in Beziehung stehen. Die Korrosionsgeschwindigkeit lässt sich zu den elektrochemischen Effekten an der Testelektroae (Materialprobe), die mit dem korrodierenden Medium in Berührung stellt, in Beziehung setzen.

Die Korrosion metallischer Materialien durch ein korrodier-enues Medium verursacht infolge eines elektrochemischen Proaesses einen Verbrauch elektrischer Energie. Bspw. entwickeln zwei metallische Elektroden, die in ein korrodierendes Medium getaucht sind, infolge von Halbzelleneffekten eine Potentialdifferenz. Das Potential an einer frei korrodierenden Testelektroae (ohne äusser-e Stromzufuhr) in einem dynamischen System, in dem öie Korrosioiisprodukte entweder diffundierend oder lösend sind, er-r-sicht naeh einiger Zeit einen verhaltnisrnässig konstanten PoteniiaiäiiTer-iinzwert zu einer Bezugselektrode. Diese Potentialüiffei-ens lilest sich als das "freie Korrosionspotential" der- Testelekfcroae, al- ule dem korrodierenden Medium ausgesetzte Halbzelle bil&et, bezeieriner., Eine korrodierende Testelektrode lässt sich zu einer.; nicht I-:orr-G— dierenden Zustand polarisieren, indem man einen Gleichstrom aus einer externen Quelle zwischen dieser Elektrode unc. aerr. Γο-'Γ-ο^ίοπε-medium fHessen lässt. Der Betrag aer durch aen Strom verursachten Änderung des elektrischen Potentials äer Tes^eleirtr-cae gegenüber einer Bezugselektrode wird, als "Polarisierungspotential" bezeichnet. Das Polarisierungspotential kann kathcaiscn oder anoaiseh sein, und zwar abhängig von der Richtung des aas Polarisationspotential verursachenden Stromflusses. Die Zunaarae 'ez -Polarisationspotentials in Abhängigkeit von aer -naerung -e.: eingetr-ägten Stromes lässt sich zur Ermittlung aer Korrosion.= £eio_-j/."lndigi--elt der korrodierenden Testelektrode vervrenäen.

Die US-PS 3 406 101 beschreibt ein elektrc3h.ef:.isoijL-=£ Ter-far-ren und eine Vorrichtung, die insbesonaere £eexgnet sir.u i'ür al; Bestimmung von Korrosionsgeschwindigkelten. Diese Patentsor.rirt; beschreibt ein Korrosions meter mit einer ocnce, deren ar-ei Elektroden einem korrodierenden Medium - wie z.3. einer korroäleren-

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BADORiGiMAL

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den Flüssigkeit - ausgesetzt werden, und mit einer einstellbaren Stromquelle, einem Amperemeter und einem Voltmeter hohen . Innenwiderstands als hauptsächliche Bestandteile, Die einstellbare Stromquelle lässt einen geringen elektrischen Strom zwischen einer "Test"-Elektrode und einer "Hilfs- bzw. dritten Elektrode fliessen. Gleichzeitig misst das Voltmeter das vom Stromfluss zwischen Test- und Hilfselektrode verursachte Polarisationspotential. Der fliessende Strom polarisiert die Oberfläche der Testelektrode leicht, wobei eine Potentialverschiebung (Polarisationspotential) zwischen der Test- und der Bezugselektrode auftritt. Der zur Erzeugung eines bestimmten gewünschten Polarisationspotentials (üblicherweise etwa 10 mV) erforderluke Strom ist der Korrosionsgeschwindigkeit der korrodierenden Testelektrode direkt proportional. Gewöhnlich legt man die Polarisierung dorthin, wo der Zusammenhang zwischen Spannung und Korrosionsgeschwindigkeit linear ist; gute Ergebnisse hat man bei einer Polarisation zwischen 5 und 20 mV erreicht; vorzugsweise verwendet man 10 mV.

Wenn die Korrosionsgeschwindigkeit gering ist, polarisiert bereits ein sehr schwacher Strom die Testelektrode. Ist sie hoch, muss zur Polarisierung eine*¹ starker Strom eingeprägt werden. Das Gewicht des von der TesteLektrode durch elektrochemische Korrosion verlorengegangenen Metalls ist nach dem FVadaysehen Gesetz dem Stromfluß direkt proportional. Indem man also für die Testelektrode geeignete Konstanten und eine geeignete Oberflächengrösse wählt, kann man das Amperemeter unmittelbar in den gewünschten Einheiten der Korrosionsgeschwindigkeit eichen, sofern die Oberflächengrösse der korrodierenden Testelektrode sich auf den gewünschten Bereich einstellen läSBb. Um die Sonde symmetrisch zu machen und aus anderen Gründen, macht man die offenliegende Oberflächengrösse aller Elektroden gewöhnlich gleich gross. Wenn die Elektroden also identisch aus dem gleichen Material bestehen - wie z.B. Flußstahl der Normart 10-20, kann in elektrochemischen Verfahren zur Bestimmung der Korrosionsgesehwindigkeit jecie der Elektroden sowohl als Hilfs- als auch als Test- und als Bezugselektrode verwendet werden.

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BAÖ

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In o.en Korrosionöniesrr-geräten der in. eiern erwähnten Patent beschriebenen Art wiro die Stromstärke gemessen,, die zwischen der Test- und einer dritten Elektrode flies st.,, um ein bestimmt es Polarisations potential au erzeugen, und so die Geschwindigkeit der an der T„stelektrode auftretenden Korrosion bestimmt. Sämtliche. Eot.entiaidiffere.nzen, die. , - abgesehen vom Eolarisierungspotential - zwischen der Test- und der Bezugselektrode vorliegen-, wie bspw« das freie. Korras ions potential, verursachen bei der Bestimmung der Iforroai Gasgeschwindigkeit Fehler. Offensichtlich" ist ea möglich , mit derartigen Geräten extrem genaue Ergebnis se, zu erzielen, wenn man die nicht polarisierenden Paten.tial.dif fe— renzen zwischen den Elektroden (im wesentlichen das freie Korroo ions potential), die vor und auch während des Einpräge ns des. PclarisierungsStroms vorliegen, kompensiert. Zusätzlich muss bei diesen Geräten die Korrektur· hinsichtlich des freien Korrosionsund anderer Potentiale durchgeführt werden, ohne die Impedanz zwischen der im korrodierenden Medium untergetauchten Test- und Bezugselektrode zu beeinflussen, da sonst ein konstanter Polari- sjü Ions strom entsprechende Schwankungen des Polarisations pofcer.t :1a!;.; \.l "-..-I..::; :/..-.■... Elektroden verursacht.

Korrosionsmeter mit Stromeinprägung zur Erzeugung eines bestimmten Polarisationspotentials zwischen den Elektroden können eine von Hand au betätigende Einstellvorrichtung aufweisen, mit der das freie Korrosionspotential aus der Potentialdifferenz zwischen der Test- und der Bezugselektrode eliminiert wird. Folglich ist nur das Polarioationspotential ein genaues Maß für den Zeitpunkt, an dem der eingeprägte ,Strom genau die Stärke hat, die eine richtige Messung der Korrosionsgeschwindigkeit an der Testelektrode ergibt. In vielen Fallen möchte man das freie Kcrrosionspotential zwischen öer Bezugs- und der Testelektrode jedoch ebenfalls messen. ,Korrosionsmesser enthalten gewöhnlich hochverstärkende Di ffsren^v;r-... i^:'.-..::.:, die das Potential zwischen der Bezugs- und der Testelektrode erfassen. Die Art der Verschaltung dieser Verstärker ist so, dass in den Eingangs--kreisen die Impedanz fast unendlich hoch ist. Die Verstärker erzeugen während der Messung der. KorrosionsgeschwinOigkeit einen Strom (aus der Betriebsstromquelle), der in

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BAD

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einem niederohmigen Kreis zwischen der dritten und der Testelektrode, durch das korrodierende Medium und dann zum gemeinsamen Anschluss der Betriebsstromquelle fliesst. Dieser Strom erzeugt bei Gegenkopplung an der Testelektrode unter den Meßbedingungen ein bestimmtes Polarisierungspotential (bspw. 5 ... 25 mV). Andere schaltungstechnische Mittel - wie z.B. Verstärker und Auslese- bzw. Anzeigevorrichtungen - werden eingesetzt, um die Stärke des Stromes, die in Beziehung zum Korrosionsangriff auf die Testelektrode infolge des korrodierenden Mediums steht,zu bestimmen. Bei den von Hand einstellbaren Korrosionsrnessgeräten lässt sich das freie Korrosionspotential zwischen der Bezugs- und der Testelektrode eliminieren, indem man ein Korrekturpotential aus einer verstellbaren Potentialquelle zwischen einen Eingang des Differenzverstärkers und die Testelektrode legt. Folglich lässt sich nicht der gleiche Schaltungsaufbau unmittelbar verwenden, um das freie Korrosionspotential zu messen. Der Differenzverstärkereingang könnte direkt auf die Elektroden geschaltet werden, wenn man die Potentialquelle eliminiert; die Ausgangsgrösse des Verstärkers kann dann den stromerfassenden Verstärker und die Anzeigevorrichtung steuern. Es müsste eine zusätzliche Schaltfunktion zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers eingeführt werden, um die für die richtige Messung des freien Korrosionspotentials erforderliche Gegenkopplung beizubehalten.

Das Schalten der Eingangsschaltung von Differenzverstärkern mit fast unendlich hohen Eingangswiderständen (10 MOhm und mehr) und hoher Verstärkung (50.000-fach und mehr) schafft erhebliche elektrische Stabilitätsprobleme, Bspw.' muss ein solches Schalten unter Bedingungen stattfinden, die den Eingangswiderstand des statischen Stromgleichgewichts der Differenzverstärker nicht beeinflussen. Die Schaltvorrichtungen selbst dürfen über dia Schaltkontakte, die zu Viiderstandsrauschen und Widerstandsschwankungen führen, keine Fremdspannung einführen. Derartige Schaltmittel wurden ein niederohmiges und rauscharmes elektrisches System erfordern. Solche Systeme gibt es zwar; sie sind für tragbare und billige Korrosionsmessgeräte mit verhältnismässig einfachem Schaltungsaufbau jedoch unpraktisch. Das gleiche Problem besteht

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beim Schalten der anderen Komponenten des Systems, um die richtige Gegenkopplung der Differenzverstärker während der Messung des freien Korrosionspotentials aufrechtzuerhalten.

Die vorliegenden Anmeldung beschreibt ein tragbares und verhältnismässig einfaches Korrosioneßiessgerät rnit von Hand betätigbarer Einstellung zum Eliminieren des freien Korrosionspotentials aus der Gesamtpotentialdifferenz zwischen Test- und Beaugselektrode am Eingang eines Differenzverstärkers. Zusätzlich ist die Schaltung dieses Korrosionsmessgerätes so-ausgelegt, dass sie eine M-3i.;sung des freien Korros ions potentials zulässt, ohne die Eingangskreise von hochverstärkenden Verstärkern mit extrem hohem Eingangswiderstand schalten zu müssen. Alles Schalten, das erforderlich ist, damit die Schaltung sowohl Korrosionsmessungen als auch die Messung des freien Korrosionspotentials ausführen kann, geschieht in niederohmigen Kreisen, v/o die durch den Sehaltvorgang eingeführten Fremdepannungen keine wesentlichen Meßfehler verursachen, Zusätzlich finden beide Messungen' gegenüber einem gemeinsamen Bezugspunkt, dem gemeinsamen Anschluss der Betriebsstrofiiquelle für die Verstärker statt, so dass an den Verstärkern keine Korrekturen für Schwankungen des Verstärkungsgrades, Leitungsfremdspannungen usw. bei der Durchführung der Korrosionsund Potentialinessungen erforderlich sind.

Die Zeichnung zeigt eine Ansicht eines zur Erläuterung dargestellten Rohrsystems mit einer Korrosionsmessonde, die eine Vielzahl metallischer Elektroden trägt, die mittels eines Kabels rnit einer Ausführungsform eines Korrosionsmessgerätes nach der vorliegenden Erfindung verbunden sind, das seinerseits in Form eines Stromlaufs dargestellt ist..

Die Zeichnung zeigt eine Sonde 11 in einem Rohrleitungssystem 12, dasjein korrodierendes Medium wie bspw. eine wässriges Strömungsmittel in der durch den Pfeil 13 gezeigten Richtung-führt. Das Rohrleitungssystem 12 enthält ein Paar Rohre 14 und 16, die mittels eines T-Stüeks 17 verbunden sind, in das die Sonde 11 eingeschraubt ist. Die Sonde 11 kann in irgendeiner geeigneten Form aufgebaut

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;m-:Ij. - br. *>·.·.. nach der US-PS 1 538 462. Wie gezeigt* hat die Sonde 11 einen metallischen Körper aus einem Rohrstopfen Ig, der die elektrisch vom Körper isolierten Metallelektröden 2I_-, 22 und 27) trägt. Diese Elektroden sind über nicht gezeigte Zuleitungen Innerhalb des Stopfens Io an einen Stecker 19 geführt. Ein Kabel 24 ist mit seinem einen Ende an den Stecker 19 der Sonde 11 geführt und bietet so eine längere elektrische Verbindung zu der Schaltung des Korrocionsmessgerätes, das Im rechten Teil der Zeichnung gezeigtist. Insbesondere enthält das Kabel 24 die Adern 26, 27, 28 und 29. Die Elektroden 21, 22 und 25 sind an die Adern 26, 27 bzii. 28 gelegt. Weiterhin liegt auch die Ader 29 an der Elektrode 21, um einen separaten Stromflussweg zum Anschluss T^! der Schaltung des Korrosionsrnessgerätes zu schaffen.

Vorzugsweise sind axe Elektroden 21, 22 und 23 für die Zwecke des vorliegenden elektrochemischen Verfahrens identisch aufgebaut, Für die vorliegende Erläuterung fungieren die Elektroden 21, 22 und 23 als "Test-", "Bezugs-" bzw. "Hilfs-" oder "dritte" Elektrode. Die Elektrode 21 für die genaue Bestimmung der Korroslonsgeschwindigkeit eines bestimmten Stahles sollte aus diesem Stahl bestehen. Obgleich die Elektroden üblicherweise aus Metall bestehen, können sie aus irgendeinem Material bestehen, das in der Lage ist, in einem korrodierenden Medium Ionen in Lösung zu geben. Wie ersichtlich, kann die Sonde 11 eine beliebige Anzahl von Elektroden tragen, die durch geeignete Schaltung und elektrische Verbindungen die für die Messung der Korrosionsgeschwindigkeit erforderlichen Funktionen ausführen .

Was nun insbesondere die elektrische Schaltung anbetrifft,, die an das Kabel 24 angeschlossen ist, weist das Korrosionsmessgerät nach der vorliegenden Erfindung die Elektroden 21, 22 und 23 auf der Sonde 11 auf, die an die Adern 26-... 29 angeschlossen sind. Die Adern 26 ... 29 liegen in der Schaltung an den Anschlüssen R, T und A sowie dem Stromrückleitungsanschluss T¹ der Testelektrode 21. Die Schaltung weist einen Eingangskreis in Form einer hoeholimigen Spannungsschleife zwischen der Testelektrode 21 und der Bezugselektrode 22 auf.

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In dieser Spannungsschleife liegen der erste und der aweite Eingang J)I, 32 elneG Differenzverstärkers 33. Die Bezugselektrode liegt über die Ader 27 und einen Trennwiderstand 34 am Eingang 31, die Th.stelektrod-3 21 über die Ader 26 und eine Potentials ignalschaltung 36 (innerhalb des gestrichelt eingeschlossenen Scb,altungsteils) am Eingang 32. In Reihe mit der Schaltung 36 liegen die widerstände 37, 38, deren Funktion weiter unten beschrieben

Die Schaltung 3^ ist als Quelle einer variablen Spannung geschaltet, und legt Potentialsignale zwischen die Eingänge 31* 32 des Differenzverstärker 33· Diese Signale eliminieren von den Eingängen 31j 32 das freie Korrosions potential, das zwischen der Test- und der Bezugselektrode infolge von deren Berührung mit den korrodierenden Medium vorliegt. Zusätzlich erzeugt die· Schaltung 3^ ein zweites Potentialsignal von üblichei'weise zwischen 5 und 25 mV zwischen den Eingängen 31 und 32. Dieses zweite Potentialsignal erzeugt am Ausgang 39 des Differenzverstärkcrs 33 einen otromfluss, der die Probenelektrode 21 auf ein bestimmtes Polarisationspotential bezüglich der Bezugselektrode 22polarisiert Zu diesen Zweck wird der Ausgang 39 des Differenzverstärkers 33 mit dem Schalter 4l wahlweise über die Ader 28 an die dritte Elektrode 23 und über das korrodierende Medium an die Elektrode 21 gelegt. Eine separate Stromrückführung zur gemeinsamen Masse führt von der Testelektrode 21 über die Ader 29 zum Anschluss T' der Schaltung. Die Ader 26 stellt eine potentialerfassende RücIcle itung zum Eingang 32 dar; sie liegt am Anschluss T der Schaltung, Der Anschluss T liegt seinerseits über die Widerstände 37 und 38 und die Schaltung 36 am Eingang 32 des Differenzverstärkers 33. Jede Potentialänderung zwischen der Bezugs- und der Testelektrode erscheint also zwischen den Eingängen 3I und 32 des Differenzverstärkers 33, vio jedoch infolge des sehr hohen Eingangswiderstandes der Spannungsschleife kein Strom fHessen kann. Der Differenzverstärker 33 erzeugt an seinem Ausgang 39 eine Stromflussänderung, bis die Eingänge 3I und 32 die Potentialdiffe^renz Null aufweisen und das Polarisationspotential an der Testelektrode

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bezüglich eier Bezugselektrode die gleiche Höhe hat wie das zweite Potentialsignal aus der Schaltung 36. Wenn "bspw. die Schaltung 36 ein zweites Potentialsignal von 10 mV zwischen die Eingänge 51 und 32 legt j fliesst im Ausgang 39 8trom zur Testalektroce 21, bis zwischen der Bezugs- und der Testelektrode die Differenz des eingeprägten Polarisierungspotentials 10 mV beträgt. An diesem Punkt ist dann die Potentialdifferenz zwischen den Eingängen und j?2 gleich Null, und der Differenzverstärker hat einen stabilen Arbeitspunkt bei einem bestimmten Aus gangs .stm:;: ara Ausgang 39· Wie bereits ausgeführt, ist dieser Strom abhängig von der an der Testelektrode 21 stattfindenden Korrosion. Die vorliegende Stromstärke läset sich messen und in Beziehung setzen zu der Korrosionsgeschwindigkeit an der offenen Oberfläche der Testelektrode , d.h. unmittelbar in rails pro Jahr (MPY ~- 'mils per year' - 10*"^ inch pro Jahr --- 0,0254 mm/Jahr) Korrosion an der Testelektrode ausdrücken. Mit dem beschriebenen Schaltungsaufbau hat der Verstärker eine extrem hohe Gleichtaktunterdrückung, aa. die Eingänge j51 und J2 bei fast unendlich guter Entkopplung vor: Ausgang 39 hochliegen.

Der Differenzverstärker 33 kann jeder beliebiger Art sein. Vorzugsweise hat er für zufriedenstellende Ergebnisse in dem vorliegenden Korrosionsmessgerät jedoch eine Verstärkung von mehr als etwa 20.000. Ebenso weist er die üblichen Anschlüsse für die Betriebsspannungen +B und -B, einen Feinabgleichanschluss usw. auf., die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, um die Erläuterung nicht zu belasten.

Die Stärke des Stromes zwischen dem Ausgang 39 des Differenz^verstärkers 33 und der Testelektrode 21 wird von einem zweiten Verstärker 46 gernessen. Bei der Messung der Korrosionsgeschwindigkeit liegt ein Eingang 47 des Verstärkers 46 über einen Schalter 48 wahlweise am Anschluss T¹, der über die Ader 29 an der..Testelektrode 21 liegt. Diese Verbindung ist Teil der Strornschleife und bildet eine getrennte Stromrückführung von der Testelektrode über den Verstärker 46 zur gemeinsamen Masse CM. Der zweite Eingang 49

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des Verstärkers 46 liegt unmittelbar an Masse., v/odureh die Schaltimg als Spannungs inverter- arbeitet. Der Ausgang 51 des Verstärkern '!-ο liegt iiber einen Schalter- 51* einen Eiehwiderstand 53 unc; ein Amperemeter 5^ (mit einstellbaren Paralleleichvilderstand 5t) an öor gemeinsamen Masse. Die Anordnung äer Widerstände 53 and 50bo:-;üglioli des Messinstrumenten -jk entspricht typischerweise der ei nee geeichten Voltmeters. Ir; ι vorliegenden Fall ist die Anücige dor s;. it; c hen dem Auegang 51 und der gemeine a.. ne η Mas es stehenden oparinung jedoch in Stromstärken hinsichtlich der Korrosion an oer Tistelektrode 21 geeicht und kann in nils (10™^ inch ----- 0,0254 mm) pro Jahr (MPY) ausgedrückt werden. Das Instrument 5^ kann auch in mV geeicht tier den. Der invertierende Eingang 47 liegt über aen Schalter 57 und eine Vielzahl von Bereichswiderständen ^Ha. ... 58j in den Stellungen 1 ... 10 dies Schalters 57 auch an; Widerstand 53 der Anaeigevorriciitung in Form des Instrumentes ^ljh. Die Bereicheiderstände liegen also no in der Gegenkopplungacnleii'e des Verstärkers 4fc, dass cie den Verstärkungsgrad der ütui'e bestimmen und danrLt aen am Ausgang 5I -^ur geraeinsar.;en Masce vorliegenden Jtroi.i bestiimnen.

Dex' Verstärker 46 dient a.ls Stron-Sparmungsviandler beaüglich des ο tr einfluss es von Ausgang 39 des Dlfferensverstärkers ^j₃ der das gev.'ünschte Polarisierungapotentia.1 an der Testelektrcde 21 erzeugt. Zusätzlich dient der Verstärker 46 dazu., durch den Stromfluos am Ausgang 51 die Eingänge 47 und 49 auf aas gleiche Potential zu bringen. Folglich wird auch der gemeinsame Masseanschluß auf das gleiche Potential (verschwindende Potentialdifferens) am Eingang 47 und am Anschluß T* der Schaltung gebracht. Der Verstärker 46 schliesst nun die Hückle-itung der Stroms chlei fe .zwischen dem Anschluss T¹ und dein gemeinsamen Potential bei einer Potentialdli'feren-;', von Null, wodurch an der Ader .29 vorliegende Premeipotantiale die Anzeige des Instrumenten 5^ nicht beeinträchtigen. Weiterhin liefert der Verstärker 46 eine Anzeige der Stromstärke, die das gevrünschte Polarisierungspotential an der Testelektrode 21 ergibt.

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Vile ersicritlich, wird der Yevstärkungsgrad des Verstärkern 46 durch die Einstellung dos Schalters 57, d.h. die WaJiI dey geeigneten Bereichsvriderntandes 53a ... 53j In der Gegenkopplung zun Eingang 47 bestimmt. Da die Grgenkopplungsgrösce ai-i V^r'-tärke.:" 46 2UiTi otromfluotf aui Ausgang '39 invertiert auftritt, e?.-hält der Verstärker 33 das für den gewünschten Betrieb erforderliche invertierte GegenkopplungSGignal bezüglich der Sonde 11.

3eirn Verstärker 46 kann es sieb urn irgendeine Ausführung handeln, Vorzugsweise verwendet man einen Verstärker mit Differsnze ingang, öev in üblicher Weise mit den nicht gezeigten Anschlüssen B+, B-für die BetriebespannungsVersorgung, dem Peinabgleichanschluss usw. versehen ist. Sein Vers tärkungsgrad. sollte höher als etwa 20.GOO sein, 'und er sollte eine verhältnismässig hohe Eingänge- -Aus gangs entkopplung aufvjeisen.

Die Schalter 41, 48 und 52 sind vorzugsweise mechanisch miteinander gekoppelt. In der vorliegenden Schaltung sind sie als einpoliger Schalter mit drei Stellungen ausgeführt. Befinden sich diese Schalter in der in der Schaltung dargestellten Stellung, ist die Schaltung zur Ausführung der Korrosionsgeschwindigkeit an der Testelektroüe 21 geschaltet. Die anderen Stellungen werden für die Messung des freien Korrosionspotentials zwischen der Bezugs- und der Torelektrode verwendet (:nV oder χ 10 mV).

Die Betriebsspannungsquelle für die Verstärker 33 ^uttd ^6 kann irgendeine geeignete 8pannungsqueHe sein; sie ist hier in Form von zwei Batterien 61 und 62 dargestellt, die über einen zweipoligen Einschalter 63 an den Anschlüssen B+ und B- sowie an Hasse liegen. In der vorliegenden Ausfübrungsform liegt der gemeinsame Anschluss der Batterien auf dem Massepotential der Verstärkerschaltung.

Die Schaltung 36 liefert eine einstellbare Spannung, die als erstes und zweites Potentialsignal an die Eingänge des Verstärkers 33 gelegt wird. Zudieseci Zweck kann jede geeignete Schaltung verwendet werden. Dargestellt ist hier ein Widerstandsbrückennetio-

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werk, das eine sehr zufriedenstellende Quelle eines "Nullpotentials" und des Polarisationspotentials für den Verstärker 33 ' darstellt.

Die Schaltung 36 besteht aus einer Brückenschaltung, die ein erstes Potentialsignal für den Nullabgleich des Verstärkers 33 liefert, um das freie Korrosionspotential zwischen Bezugs- und Testeelektrodem. eliminieren. Zusätzlich liefert die Brückenschaltung ein zweites Potentialsignal, um den Eingang des Verstärkers 33 so zu eichen, dass der Strom am Ausgang 39 an der Probenelektrode ein bestimmtes Polarisierungspotential erzeugt. Dieses Polarisierungspotential beträgt im allgemeinen 10 mV, kann aber jede Höhe im Bereich von 5 bis 25 mV haben. Zusätzlich kann auch die Polarität dieses zweiten Potentialsignals gewählt werden, um am Ausgang 39 des Verstärkers 33 eine gerichtete Änderung des Stromflusses zu erzeugen, damit die Polarisation der Testelektrode entweder kathodisch oder anodisch gemacht werden kann.

Insbesondere sind in der Brücke die Schalter 66 und 67 vorgesehen, bei denen es sich um einpolige Schalter mit drei Stellungen handelt, so dass die Eunktionen der kathodenischen (C) oder anodischen (A) Polarisation und des Nullabgleich^ (Z) gewählt werden können. Diese Schalter 66, 67 liegen über einer Brücke au.s den Widerständen 68, 69, 71, 72, 73 und 74. Der Widerstand 69 hat einen Mittenabgriff, der unmittelbar am.Eingang 32 liegt. Der Widerstand 73 hat einen variablen Abgriff; dieser liegt am Widerstand 38 in der Spannungsschleife zum Anschluß T, der Ader 26 und der Elektrode 21. Die Betriebsspannung für die Widerstandsbrücke liefert eine Batterie 76 _t die über die Schalter 77, 78 wahlweise an'die Brücke liegbar ist* Der Schalter 77 ist vorzugsweise mechanisch mit dem Schalter 63 zur Betriebsspannungsquelle für das Korrosionsinessgerät gekoppelt. Der Schalter 78 weist eine erste Stellung "Einstellen" (vergl. die Zeichnung) auf. Befindet sich in dieser Stellung, wird das Potential der Batterie 76 so an das Widerstandsnetzwerk gelegt, dass bei Gleichgewicht die Potentiale an den Abgriffen der Widerstände 69 und 7#3 gleich sind und aus

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dem Widerstandsnetzwerk kein Strom fliesst. Folglieh liegt der Eingang 32 auf dem gleichen Potential wie der variable Abgriff am Widerstand 73. Befinden sich die Schalter 66, 6j in der Nullabgleichstellung Z, verstellt man den Angriff am Widerstand 73, bis das Instrument 54 Nullpotential anzeigt. Hierbei handelt es sich um das erste Potentialsignal, das das freie Korrosionspotential von den Eingängen 31, 32 eliminiert. Befinden sich die Schalter 66, 67 in der Stellung C oder A, bringen die Widerstände 81, 82 die Brücke um einen vorbestimmten Betrag - bspw. 10 mV aus dem Gleichgewicht und legen also an die Eingänge des Verstärkers 33 sin zweites Potentialsignal, das ausreichend hoch 3,st, um denjenigen Strom am Ausgang 39 zu erzeugen, der an der Testelektrode 21 das gewünschte Polarisierungspotential bezüglich der Bezugselektrode 22 erzeugt. Das genaue zweite Potentialsignal ergibt sich durch Verwendung eines Nebenschlusszweiges in der Brücke, der aus den Widerständen 83* 84 besteht. Der Widerstand 84 weist einen variablen Abgriff auf, der einen wählbaren Teil des Widerstandes kurzschliesst, so dass die Ströme durch die verschiedenen Zweige des Widerstandsnetzwerkes geeicht werden können, um die genaue Höhe des an die Eingänge des Verstärkers 33 zu legenden zweiten Potentialsi^als einzustellen. Diese Eichung erreicht man bspw., indem man die Sonde 11 durch einen Eichzusatz (^fmeter prover¹) ersetzt, d.h. eine Schaltung, die eine Korrosionssonde mit einer KorrosIonsgeschwindigkeit

■■■ von 10 MPY simuliert. Hiermit wird die .Schaltung unter Einstellung des Widerstandes 84 so eingestellt, dass das Instrument eine An- : zeige von 10 MPY abgibt. Der Bereichsschalter 57 lässt sich zwischen

, seinen 10 Stellungen auf den für das Instrument 54 geeigneten Bereich so einstellen, dass sich die genaueste Anzeige ergibt bspw. denjenigen, der bei vollem Skalenausschlag eine Anzeige von 10 MPY liefert.

j Bei in der unteren Stellung ("OHNE") befindlichem Schalter 78 wird weder das^ erste noch das zweite Signalpotential an den Eingang des Verstärkers 33 gelegt. In dieser Stellung spricht der Verstärker 33 ausschliesslieh auf das freie Korrosio.nspotential zwischen der Bezugs- und der Testelektrode an. Der Ausgang 39

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liegt jedoch über den Schalter 4l noch an der dritten Elektrode 23. Wenn der Verstärker eine unendlich hohe Impedanz 'hätte, würde keinerlei Gegenkopplung zum Verstärker 33 vorliegen und kein Strom in den Eingängen JL, 32 fHessen. Alle Verstärker sind jedoch kleinen Unvollkommenheiten unterworfen, weshalb doch ein geringer Strom fliesst, Aus diesem Grunde liefert die Batterie 76 über die Widerstände 86, 87, und den Entkopplungswiderstand 88 einen geringen Strom an den Widerstand 34 im Eingang 31 des Verstärkers 33· Dieser Strom ist äusserst gering, reicht aber aus, um einem Stromungfeichgewicht in den Eingängen des Verstärkers 33 entgegenzuwirken. Indem man also dem Eingang 3I einen sehr kleinen Strom aufprägt, wird das statische Gleichgewicht des Verstärkers 33 wieder hergestellt, so dass er bei verschwindendem Eingangsstrom einen äusserst hohen Verstärkungsgrad und eine sehr hohe Gleichtaktunterdrückung aufweist.

Die Schaltung dieser Ausführungsform lässt sich auch in^einer neuartigen Anordnung zur Messung des freien Korrosionspotentials zwischen der Bezugs- und der Testelektrode einsetzen. Zu diesem Zweck stellt man den Schalter 78 in die Stellung "OHNE", so dass an den Eingang des Verstärkers 33 keine Signalpotentiale aus- der Schaltung 36 gelegt werden. Die Potentialdifferenz zwischen der Bezugs- und der Testelektrode liegt also an -dem verhältnismässig hohen Widerstandswert der verschiedenen Schaltungswiderstände, einschl. der Widerstände 37, 38, 87, 88 und 34. Infolge des sehr hohen Widerstandes der Spannungsschleife, der der Verstärker 33 zugeordnet ist, fliesst jedoch kein Strom. Die Potentialdifferenz erscheint über den Eingängen 3I und 32. Unter diesen Umständen kann der Verstärker 33 einen Ausgangsstrom liefern, der dieser Potentialdifferenz entspricht. Dieser Strom zur Elektrode '23 würde das Potential zwischen der Bezugs- und der Testelektrode jedoch verschieben. Folglich muss im Ausgang des Verstärkers 33 für eine wdtere Stromschleife gesorgt werden, mit der sich das freie Korrosionspotential zwischen der Bezugs- und der Testelektrode bestimmen lässt. Zu dies'em Zweck legt man die Schalter 4l, 48 und 52 in eine der mV-Stellungen. Man nehme bspw. an, die '

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Schalter 4l seien in die erste mV-Steilung gelegt worden. Jetzt liegt der Ausgang 39 des Verstärkers 33 über den Eichwiderstand 53 und das Instrument 5^ unmittelbar auf dem gemeinsamen Massepotantial. Zusätzlich ist der Ausgang 39 über die Bereichswiderstände 58a ... 58j mit dem Eingang 47 des Verstärkers 46 verbunden. Der Schalter 48 verbindet den Eingang 47 mit dem Anschluss T, der Teil der Spannungsschleife der Testelektrode 21 ist. Der Schalter 52 legt den Ausgang 51 des Verstärkers 46 in eine Gegenkopplungsschleife mit den Widerständen 37, 38 zum Eingang 47, wobei der Schalter 52 sich in der "mV χ ΙΟ"-Stellung befindet. Folglich dient der Verstärker 46 nunmehr und in bisher nicht gekannter V/eise dazu, die gemeinsame Masse am Eingang 49 auf das gleiche Potential zu bringen, die am Anschluss T, der Testelektrode 21 und dem Eingang 47 vorliegt. Die Verstärker 33 und 46 arbeiten also beide als Spannungsinverter und sind beide gegengekoppelt. Wie bereits erwähnt, hat der Verstärker 46 die Schaltungsmasse auf das gleiche Potn>e,tial wie den Anschluss T gebracht, ohne dass von der Testelektrode 21 über die Ader 26, die Widerstände 37 und 38 und die Schaltung 36 ein Strom zum Eingang 32 des Verstärkers 33 fliesst. Jedoch fliesst der Ausgangsstrom des Verstärkers 39 über die Anzeigevorrichtung, d.h. das Instrument 5^* nach Masse» Bei auf Massepotential gehaltenem Eingang 47 liefert der "^stärker 46 nunmehr einen Gegenkopplungsstrom an den Eingang 47* und zwar über den Widerstand 37 und, falls dieser eingeschaltet wird, den Widerstand 38. Diese Gegenkopplung erzeugt über dem Widerstand 37 und/oder dem Widerstand 38 ein Potential, das dem freien Korrosionspotential zwischen der Bezugs- und der Testelektrode entspricht. Der Ausgangsstrom des Verstärkers 39 kann also nur so gross werden, dass die Gegenkopplung durch die Widerstände 37»33 über diesen ein Potential erzeugt, das dem Potential zwischen Test- und Bezugselektrode entspricht und die Potentialdifferenz an den Eingängen 3I und 32 verschwinden lässt* Die Stromstärke wird vom Instrument 54 in mV angezeigt. Der Verstärker 46 hat also die Spannungsschleife von der Testelektrode zum Eingang ausgeweitet, ohne dass jedoch ein Strom relativ zur gemeinsamen Masse fliessen würde, denn diese ist auf das gleiche^ Potential wie die Testelektrode gelegt worden. Die Einstellung des Bereichs-

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Widerstandsnetzwerks mittels des Sehalters 57 erlaubt es; das
Instrument 54 in mV auf die gewünschten Anzeigebereiche zu eichen. Hier ist der Verstärker 46 auf neuartige Weise ausgenutzt worden,
um eine Verwendung des Verstärkers 33 unmittelbar für die Messung
des freien Korrosionspotentials zwischen der Bezugs- und der
Testelektrode zuzulassen, ohne dass ein- Strom im Eingangskreis
oder von der Testelektrode 21 her fliesst. Weiterhin ist auch
keine Umschaltung der hochohmigen Eingänge j51 und 32 erforderlich.

Wenn man die oben beschriebene Schaltung zur Messung der Korrosionsgeschwindigkeit einsetzt, wird, wie unmittelbar ersichtlich,
der Verstärker 46 auf neuartige Weise verwendet, um die gemeinsame Masse auf das gleiche Potential wie die Testelektrode 21 j zu bringen, so dass zwar ein geschlossener Stromflusskreis vom · Ausgang 39 des Verstärkers 33 nach Masse vorliegt, aber zwischen I den Eingängen des Verstärkers 46 keine Potentialdifferenz vor- j liegt. Beider Messung des freien Korrosionspotentials zwischen
der Bezugs- und der Testelektrode dient der Verstärker weiterhin . dem bisher nicht, gekannten Zweck, den Masseanschluss des Instru- ; ments auf das gleiche Potential wie die Testelektrode zu bringen,
ohne dass in der Ader 26' zwischen-der Testelektrode 21 und dem \ -Eingang 32 des Vers.tärkers 33 ein Strom fliesst. Weiterhin wird j durch die Punktion-des' Verstärkers 46 der Verstärker 33 immer mit \ der richtigen Gegenkopplung versehen, um einen stabilen Betrieb ! sicherzustellen, und zwar sowohl bei der Messung der Korrosions- \ geschwindigkeit an der Testelektrode als auch bei der Messung [ des freien Korrosionspotentials zwischen Bezugs- und Testelektrodeι Alle diese Messungen werden mit einem Verstärker 33 durchgeführt, J der mit sehr hohem Verstärkungsgrad bei als unendlich hoch annehm-j . barem Eingangswiderstand und mit hoher Gleichtaktunterdrückung
arbeitet. Das vorliegende Korrosionsmessgerät ist also signalmässig von den von den Elektroden der Sonde 11 gelieferten Signale^. vollständig entkoppelt. Diese Betriebsbedingungen des Verstärkers
33 gelten ausserdem sowhl für die Messung der Korrosionsgesohwindigkeit als auch für die Messung des freien Korrosionspotentials
an der Sonde 11.

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Für den Fachmann ist ersichtlich, dass sich an der Schaltung des Korrosionsmessgerätes nach der vorliegenden Erfindung verschiedene Änderungen durchführen lassen. Derartige Änderungen, sofern sie nicht vom Prinzip der vorliegenden Erfindung abweichen, sollen als im Rahmen derselben liegend angesehen werden. Die vorliegende Erfindung wird von den, folgenden Ansprüchen definiertj die obige Beschreibung diente lediglich zur Erläuterung der Erfindung anhand von Ausführungsformen.

- Patentansprüche -

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Claims

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Patentans prüehe

Messgerät zur Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit mittels Polarisationsmessung in einem korrodierenden Medium, welches aufweist eine Vielzahl von Elektroden, die mit einem korrodierenden Medium in Berührung gebracht werden können, wobei

es sich um eine Bezugselektrode, eine Probenelektrode und eine dritte Elektrode handelt; einen Verstärker mit Differenzeingängen, der an eine Gleichspannungsquelle mit Masseanschluß angeschlossen ist und dessen erster Eingang an der Bezugselektrode und dessen zweiter Eingang über Schaltungsmittel an der Probenelektrode liegt und dessen Ausgang an die dritte Elektrode legbar ist; einer zweiten Verstärkerschaltung, die an die Probenelektrode und die gemeinsame Masse angeschlossen ist, um die gemeinsame Masse auf das gleiche Potential wie die Testelektrode zu bringen, und eine Stromschleife vom Ausgang des Differenzverstärkers zwischen der dritten und der Probenelektrode nach der gemeinsamen Masse bildet; und eine Anzeigevorrichtung, die den Ausgangsstrom in der Stromsqhleife mißt, der ein Polarisationspotential zwischen der Bezugs- und der Testelektrode erzeugt.

Messgerät nach Anspruch 1, bei dem die Schaltungsmittel eine einstellbare Spannungsquelle darstellen, um ein Potentialsignal an den zweiten Eingang des Differenzverstärkers .zu legen, das einem bestimmten Polarisationspotential zwischen

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der Bezugs-'und der Probenelektrode entspricht.

3% Messgerät nach Anspruch 1, bei dem die Schaltungsmittel eine einstellbare Spannungsquelle darstellen, um wahlweise ein Potentialsignal an den zweiten Eingang des Differenzverstärkers zu legen und damit von den Eingängen des Differenzverstärkers das freie Korrosionspotential zwischen der Bezugsund der Probenelektrode zu eliminieren sowie um ein Potentialsignal an den zweiten Eingang zu legen, das einem bestimmten Polarisationspotential zwischen der Bezugs- undder Probenelektrode entspricht.

4. Messgerät nach Anspruch 2 oder 3* bei dem die Schaltungsmittel eine hochohmige Spannungsschleife darstellen, die an dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers ein Potentialsignal legen kann, das einem bestimmten Polarisierungspotential von 5 ··.· 25 mV entspricht.

5. Messgerät nach Anspruch 1, 2, 3 oder h_t bei dem die zweite Verstärkerschaltung ein Strom-Spannungsumsetzer ist, dessen erster Eingang an der gemeinsamen Masse, dessen zweiter Ein-. gang an der Probenelektrode und dessen Ausgang an der Anzeigevorrichtung und der gemeinsamen Masse liegen, wobei zwischen dem zweiten Eingang und dem Ausgang eine Widerstandsgegenkopplungsschleife vorliegt.

6. Messgerät nach Anspruch 5* bei dem die Widerstandsgegenkopplungsschleife wahlweise einstellbar ist, um die Anzeigevorrichtung nach Grossen der Korrosionsgeschwindigkeit relativ zur Stromflussstr\äke in der Stromschleife zu eichen, die ein bestimmtes Polarisierungspotential zwischen der Bezugs- und der Probenelektrode erzeugt.

7. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6-, mit einer Schaltvorrichtung, die in einer ersten Stellung den Ausgang des Differenzverstärkers an die dritte Elektrode le,gt und die Stromschleife vom Ausgang des Differenzverstärkers über die

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zweite Verstärkerschaltung zur gemeinsamen Masse schliesst und in einer zweiten Stellung den Ausgang des Differenzverstärkers an die zweite Verstärkerschaltung und eine strominvertierende Gegenkopplungsschleife vom Ausgang der zweiten Verstärkerschaltung an die Schaltungsmittel legt, wobei die Anzeigevorrichtung den Ausgangsstrom in der Stromschleife mißt, die ein Polarisierungspotential zwischen der Bezugsund der Probenelektrode erzeugt, wenn die Schaltvorrichtung sich in der ersten Stellung befindet, und wobei die Anzeigevorrichtung die Potentialdifferenz zwischen der Bezugs- und der Probenelektrode mißt, wenn die Schaltvorrichtung in der zweiten Stellung liegt.

8. Messgerät zur Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit in einem korrodierenden Medium, wie es im wesentlichen hierin unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben ist.

Cl. /Br.

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