DE4401188C2 - Meßzelle zur Erfassung von Korrosionsprozessen an leitenden Werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßzelle zur Erfassung von Korrosionsprozessen an leitenden Werkstoffen gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Es sind Meßanordnungen mit Korrosionsmeßzellen bekannt, die hauptsächlich in Industrieanlagen zur Bestimmung des Korro­ sionsgrades eines metallischen Materials eingesetzt werden. So ist z. B. in der DE 37 15 881 A1 eine Korrosionsmeßzelle beschrieben, die ein rohrförmiges Gehäuse für einen flüssi­ gen Elektrolyten hat. Das Gehäuse ist an den Stirnseiten durch je eine Platte verschlossen, die fensterförmige Öffnungen haben, hinter denen auf der einen Seite eine zu untersuchende Probe und auf der anderen Seite eine Gegen­ elektrode angeordnet ist. Diese werden unter Zwischenlage von Dichtringen gegen die Platten gedrückt, so daß einer­ seits das rohrförmige Gehäuse an den Stirnseiten abgedich­ tet ist, andererseits die Proben durch den im Gehäuse befindlichen flüssigen Elektrolyten wegen der fensterförmi­ gen Öffnungen in den Platten benetzt werden. Der Elektrolyt wird im Gehäuse durch eine außerhalb des Gehäuses angeordne­ te Pumpe umgewälzt.

Eine Bezugselektrode in Form einer sogenannten Haber-Lu­ gin-Kapillare ist mit ihrer Spitze auf die Probe ausgerich­ tet. Durch die Ausbildung des Fensters wird dem Elektro­ lyten eine definierte Oberfläche der Probe ausgesetzt, so daß reproduzierbare Meßergebnisse erzielt werden.

Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Elektrolyten, deren Einfluß auf bestimmte Proben untersucht werden soll, in die Meßzelle und in das entsprechende Pumpensystem einzu­ füllen sind. Dabei ist es nicht möglich, bestimmte Verände­ rungen des Elektrolyten vorzunehmen, wie sie z. B. in natürlichen und technischen Prozessen auftreten.

Es ist auch schwer möglich, unter sterilen Bedingungen zu arbeiten, da einerseits das Einbringen eines sterilen Elektrolyten schwierig ist und andererseits das Pumpensy­ stem schwer zu sterilisieren ist.

Weiterhin ist es nicht möglich, Veränderungen auf der Materialoberfläche zu erfassen und auszuwerten.

In der DE-OS 20 23 926 wird eine Korrosionsprüfanordnung beschrieben, mit deren Hilfe die Bestimmung des Korrosions­ grades eines metallischen Materials in einer korrodierenden Substanz mit Hilfe von Polarisationsmessungen bei einer konstanten Spannung erfolgt.

Die für diese Zwecke eingesetzte Sonde oder eine Meßzelle, wie sie in der DE 31 07 246 A1 beschrieben ist, wird haupt­ sächlich in Industrieanlagen eingesetzt, wo große Mengen wäßriger Flüssigkeiten durch Rohrsysteme geleitet werden. Das genannte Verfahren hat den Nachteil, daß keine definier­ ten Umgebungsbedingungen für die Prüfung der Korrosions­ beständigkeit vorliegen.

Aus der DE 28 09 322 A1 ist eine Korrosionsüberwachungsson­ de bekannt, die in das auf Korrosivität zu untersuchende Material so eingebracht werden kann, daß das Sondenelement mit diesem Material in Kontakt kommt, wobei das Sondenele­ ment in einem offenen Abschnitt der Sonde untergebracht ist. Diese Sonde weist den Nachteil auf, daß sie aufwendig aufgebaut ist. So sind speziell geformte stabförmige Elek­ troden aus dem zu untersuchenden Material erforderlich, die entweder in Scheiben aus dem gleichen Material wie die Elektroden gelagert sind oder aber eine komplizierte Form mit ringförmigen Lippen aufweist.

Weiterhin handelt es sich bei diesem Sondenelement nicht um eine Anordnung aus Probe und Gegenelektrode, so daß potenti­ odynamische und/oder galvanodynamische Messungen nur schwer möglich sind. Des weiteren schließt die Anordnung der Elektroden die Gefahr von Spaltkorrosionsprozessen nicht aus.

Die Korrosionsüberwachungssonde hat des weiteren den Nach­ teil, daß ein unkomplizierter Probenwechsel nicht möglich ist.

Schließlich ist aus der DD 2 38 673 A1 eine Anordnung und dazugehörige Meßzelle für elektrochemische Korrosionsunter­ suchungen an Rohren bekannt. Bei dieser Anordnung ist die gesamte Rohrinnenfläche als Arbeitselektrode vorgesehen. Diese Anordnung ist demzufolge auf Korrosionsuntersuchungen an Rohren beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sterilisier­ bare Korrosionsmeßzelle zu schaffen, mit der Veränderungen der Probenoberfläche erfaßbar sind und die als Bypass betrieben werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Meßzelle mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.

Bei einer Meßzelle zur Erfassung von Korrosionsprozessen mit einer auf eine von einem Elektrolyten benetzbaren Probe ausgerichteten Bezugselektrode und mit einer vom Elektro­ lyten benetzbaren Gegenelektrode ist die Meßzelle als Durchflußzelle ausgebildet, in der ein auf die Probe gerich­ teter Detektor vorgesehen ist. Die Gegenelektrode ist zweckmäßig scheibenförmig ausgebildet und ist von dem Detektor durchsetzt.

Der Detektor kann unabhängig von der Ausgestaltung der Gegenelektrode auch neben dieser angeordnet sein und unter einem Winkel auf die Probe gerichtet sein.

Als Detektor kann z. B. ein optischer Detektor vorgesehen sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein zylindrisches Gehäuse vorgesehen, das an mindestens einer Stirnseite abdichtbare Durchführungen für den Detektor und für Elektro­ den aufweist und das am Umfang weitere abdichtbare Durchfüh­ rungen aufweist. Dabei kann das Gehäuse der Meßzelle aus zwei Grundkörpern bestehen, die unter Zwischenlage einer Dichtung miteinander verbunden sind. Im ersten Grundkörper sind dann der Detektor, die Bezugs- und die Gegenelektrode sowie Schlauchanschlußtüllen vorgesehen und im zweiten Grundkörper ist ein Probenraum mit einer fensterförmigen Öffnung gegenüber dem Detektor vorgesehen. Zur sicheren Halterung können der Detektor und die Bezugselektrode in je einen Tubus im ersten Grundkörper angeordnet sein. Zur problemlosen Einführung der Probe in den Probenraum sollte dieser auf der den ersten Grundkörper abgewandten Seite eine verschließbare Öffnung aufweisen.

Die Meßzelle sollte als sterilisierbares System ausgestal­ tet sein.

Ein Vorteil dieser Meßzelle zur Korrosionsmessung besteht darin, daß diese an beliebigen Anlagen ermöglicht wird, indem die Meßzelle im Bypassbetrieb an die betreffende Anlage angeschlossen wird und mittels einer Pumpe eine definierte Elektrolytbewegung durch die Zelle realisiert wird.

Ein weiterer besonderer Vorteil besteht darin, daß durch den Einsatz eines Detektors, insbesondere eines optischen Detektors erstmalig Veränderungen auf der Probenoberfläche, z. B. durch mikrobiellen Bewuchs, direkt am Ort der Entste­ hung erfaßt und über eine Auswerteeinheit analysiert werden können. So kann z. B. die Bypassmeßzelle in Verbindung mit einem Laborbioreaktor zur Untersuchung von Korrosionser­ scheinungen an Biomaterialien, vorzugsweise an Implantat­ und/oder Dentallegierungen eingesetzt werden.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 - den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßzelle zur Korrosionsmessung;

Fig. 2 - einen Korrosionsmeßplatz mit Laborbioreaktor und Bypass-Korrosionsmeßzelle.

Die Korrosionsmeßzelle besteht aus einem Grundkörper 1 und einem Grundkörper 2, die miteinander verschraubt sind und über einen Rundring 3 abgedichtet sind. Im Grundkörper 2 ist hinter einer fensterförmigen Öffnung 4 unter Zwischen­ lage eines Dichtringes 5 die zu untersuchende Probe 6 angeordnet, die die Arbeitselektrode darstellt. Sie ist durch eine Druckfeder 7 und einen Verschlußstopfen 8 im Grundkörper positioniert. Der Verschlußstopfen 8 wird über einen Rundring 9 im Grundkörper 2 geführt und abgedichtet. Über eine Meßbuchse 10 können externe Geräte, z. B. ein Potentiostat/Galvanostat, angeschlossen werden.

Im Grundkörper 1 befindet sich die Meßkammer 11 zur Aufnah­ me des Elektrolyten, dessen Zu- und Abfluß über Schlauchan­ schlußtüllen 12 erfolgt.

Gegenüber der Probe 6 ist eine ringförmige Gegenelektrode 24 aus Platinblech angeordnet, die über einen Anschlußdraht mit einer am Grundkörper 1 befindlichen Meßbuchse 13 kontak­ tiert ist. In einer Bezugselektrode 14 aus Silberchlorid befindet sich in der Spitze ein Diaphragma 15 zur Abdich­ tung gegenüber dem Elektrolyten. Die Bezugselektrode 14 ist mit ihrer Spitze auf die Probe 6 in der fensterförmigen Öffnung 4 ausgerichtet. Die Bezugselektrode 14 sitzt weiter­ hin in einem einschraubbaren Tubus 16 und wird durch Rundringe 17 abgedichtet. Der Anschlußdraht wird mit einer am Grundkörper 1 befindlichen Meßbuchse 18 kontaktiert. Im Mittelpunkt des Grundkörpers 1 wird über einen Tubus 19 ein optischer Detektor 20 durch die ringförmige Gegenelektrode 24 vor der Probe positioniert und durch die Rundringe 21 abgedichtet. Durch zusätzlich im Grundkörper 1 angebrachte Tuben 22 können beliebige Sonden in die Meßzelle einge­ bracht werden. Die Korrosionsmeßzelle wird mit Hilde der Halterung 23 an einem Stativ befestigt. Die dargestellte Korrosionsmeßzelle kann der Untersuchung von metallischem Werkstoff im medizinischen Bereich hinsichtlich der Bio­ kompatibilität der Werkstoffe dienen als auch im techni­ schen Bereich der Untersuchung von Materialzerstörungen durch mikrobiologische Substanzen.

In der Fig. 2 ist die Meßzelle in Verbindung mit einem Laborbioreaktor 25 dargestellt. Die Grundkörper der Meßzel­ le 1, 2 sind über die Schlauchanschlußtüllen 12 und Leitun­ gen 26, 27 mit dem Laborbioreaktor 25 verbunden. Der An­ schluß eines Potentiostaten/Galvanostaten 28 sowie eines Impedanzanalysers 29 an die Meßzelle gestattet die Durchfüh­ rung aller wesentlichen statischen, zyklischen und dynami­ schen elektrochemischen Untersuchungsverfahren. Dem Labor­ bioreaktor 25 ist ein Meß-, Steuer- und Regelteil 30 zuge­ ordnet. Mit diesem lassen sich alle Parameter, die zur Er­ fassung des Korrosionsverhaltens metallischer Biowerkstoffe wesentlich sind und die zur Simulation eines stabilen biolo­ gischen Milieus im Bioreaktor 25 erforderlich sind, reprodu­ zierbar erfassen. Die notwendigen Parameterzustände werden durch einen Personalcomputer 31 realisiert.

Claims (10)

1. Meßzelle zur Erfassung von Korrosionsprozessen an leitenden Werkstoffen mit einer auf eine von einem Elektrolyten benetzbaren Probe ausgerichteten Bezugse­ lektrode und mit einer vom Elektrolyten benetzbaren Gegenelektrode, wobei die Meßzelle als Durchflußzelle ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein direkt auf die Probe gerichteter Detektor (20) angeordnet ist.

2. Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor (20) ein optischer Detektor vorgesehen ist.

3. Meßzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gegenelektrode (24) scheibenförmig ausge­ bildet ist.

4. Meßzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (24) von dem Detektor (20) durch­ setzt ist.

5. Meßzelle nach mindestens einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor neben der Ge­ genelektrode (24) angeordnet ist und unter einem Winkel auf die Probe gerichtet ist.

6. Meßzelle nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrisches Gehäuse vorgesehen ist, das an mindestens einer Stirn­ seite abdichtbare Durchführungen für den Detektor und für Elektroden aufweist und das am Umfang weitere abdichtbare Durchführungen aufweist.

7. Meßzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse der Meßzelle aus zwei Grundkörpern (1, 2) besteht, die unter Zwischenlage einer Dichtung (3) mit­ einander verbunden sind, wobei im ersten Grundkörper (1) der Detektor (20), die Bezugs- und die Gegenelektro­ de (14, 24) sowie Schlauchanschlußtüllen (12) vorgese­ hen sind und im zweiten Grundkörper (2) ein Probenraum mit einer fensterförmigen Öffnung (4) gegenüber dem De­ tektor (20) vorgesehen ist.

8. Meßzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (20) und die Bezugselektrode (14) in je einen Tubus (16, 19) im ersten Grundkörper (1) angeord­ net sind.

9. Meßzelle nach mindestens einem der Ansprüche 7, 8, dadurch gekennzeichnet, daß der die Probe (6) aufnehmen­ de Probenraum auf der dem ersten Grundkörper (1) abge­ wandten Seite eine verschließbare Öffnung aufweist.

10. Meßzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle ein sterilisierbares System bildet.