FI101427B - Procedure and measurement sensor for corrosion control - Google Patents

Procedure and measurement sensor for corrosion control Download PDF

Info

Publication number
FI101427B
FI101427B FI952125A FI952125A FI101427B FI 101427 B FI101427 B FI 101427B FI 952125 A FI952125 A FI 952125A FI 952125 A FI952125 A FI 952125A FI 101427 B FI101427 B FI 101427B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
metal film
measuring
layer
metal
corrosion
Prior art date
Application number
FI952125A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI952125A (en
FI952125A0 (en
FI101427B1 (en
Inventor
Jukka Lekkala
Janusz Sadowski
Original Assignee
Valtion Teknillinen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valtion Teknillinen filed Critical Valtion Teknillinen
Priority to FI952125A priority Critical patent/FI101427B/en
Publication of FI952125A0 publication Critical patent/FI952125A0/en
Publication of FI952125A publication Critical patent/FI952125A/en
Application granted granted Critical
Publication of FI101427B1 publication Critical patent/FI101427B1/en
Publication of FI101427B publication Critical patent/FI101427B/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)

Description

1 1014271 101427

Menetelmä ja mittausanturi korroosion valvontaanMethod and measuring sensor for corrosion monitoring

Keksintö kohdistuu menetelmään korroosion valvontaan, joka menetelmä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa. Kek-5 sintö kohdistuu myös mittausanturiin menetelmän toteuttamiseksi, joka anturi on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 6 johdanto-osassa.The invention relates to a method for controlling corrosion, which method is set out in the preamble of appended claim 1. The invention also relates to a measuring sensor for carrying out the method, which sensor is shown in the preamble of the appended claim 6.

Ympäristömittauksissa on selvästi tarvetta löytää halpa menetelmä ympäristön yleisen tilan seuraamiseen. Korroosion nopeutuminen on yksi 10 ympäristön tilan heikkenemistä kuvaavista ominaisuuksista. Se on myös indikaattori, jolla on välitön havaittava vaikutus ja suuri taloudellinen merkitys. Tähän mennessä on pyritty seuraamaan korroosiota epäsuorasti mittaamalla korroosiota aiheuttavien aineitten pitoisuutta valvottavassa kohteessa. Tällaisten aineiden vaikutus on vaikeasti ennus-15 tettavissa, ja varmuus korroosio-olosuhteiden olemassaolosta saadaan yleensä vasta havaittaessa visuaalisesti korroosion vaikutus kohteessa. Tähän asti on puuttunut menetelmä korroosio-olosuhteiden reaaliaikaiseen seurantaan, joka antaisi tiedon olosuhteiden muuttumisesta korrodoivaan suuntaan riittävän aikaisessa vaiheessa esim. teol-20 lisuusprosesseissa tai kohteissa, joihin on sijoitettu laitteita, joiden osiin korroosio saattaa vaikuttaa.In environmental measurements, there is clearly a need to find an inexpensive method for monitoring the general state of the environment. Acceleration of corrosion is one of the characteristics of environmental degradation. It is also an indicator with immediate observable impact and great economic significance. To date, efforts have been made to monitor corrosion indirectly by measuring the concentration of corrosive substances in a controlled site. The effect of such substances is difficult to predict, and certainty about the existence of corrosion conditions is usually only obtained by visually observing the effect of corrosion on the object. Until now, there has been no method for real-time monitoring of corrosion conditions, which would provide information on the change of conditions in the corrosive direction at a sufficiently early stage, e.g. in industrial processes or sites where equipment may be affected by corrosion.

Julkaisussa US-5327225 on esitetty erikoisrakenteinen, kuituoptiikkaan perustuva anturi, jolla voidaan mitata mm. korroosiota SPR-ilmiön 25 avulla. Tämä mahdollisuus on esitetty julkaisun esimerkissä 5 viitaten kuvaan 12. Kyseisen anturin rakenne soveltuu kuitenkin vain yhdentyyppisen korroosion havainnointiin.US-5327225 discloses a specially designed sensor based on fiber optics, with which e.g. corrosion by the SPR phenomenon 25. This possibility is shown in Example 5 of the publication with reference to Figure 12. However, the design of this sensor is only suitable for detecting one type of corrosion.

Tässä esitetty keksintö antaa mahdollisuuden luoda eri korroosioilmiöi-30 tä samanaikaisesti valvova mittausmenetelmä, joka perustuu itse korroosioilmiöön, on äärimmäisen herkkä, pystyy havaitsemaan korroosion : hyvin aikaisessa vaiheessa ja on kuitenkin halpa. Menetelmään liittyvä mittausanturi on helppo rakentaa tunnetuista komponenteista.The present invention makes it possible to create a measurement method for simultaneously monitoring different corrosion phenomena, which is based on the corrosion phenomenon itself, is extremely sensitive, is able to detect corrosion: at a very early stage and is nevertheless inexpensive. The measuring sensor associated with the method is easy to construct from known components.

35 Keksinnön mukaisesti korroosion valvontamenetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 1 tunnus-merkkiosassa, ja ympäristön korrodoivien ominaisuuksien monitorointiin tarkoitetulle mittausanturille on puolestaan tunnusomaista se, mikä on 2 101427 esitetty oheisen patenttivaatimuksen 6 tunnusmerkkiosassa. Menetelmässä käytetään hyväksi pintaplasmonresonanssi-ilmiötä (surface-plasmon resonance, SPR), joka muuttuu korrodoivien olosuhteiden vaikuttaessa valvottavassa kohteessa oleviin useisiin samalla alustalle 5 vierekkäin sijoitettuihin metallikalvoihin, joita kutakin varten on oma detektori. Vastaava mittausanturi voi käsittää optisesti läpinäkyvän, ohuen lasi- tai muovilevyn, jonka pinnalle on höyrystetty useita erillisiä, ohuita metallikalvoja. Levyn pinnalla olevan metallikalvon päällä voi olla lisäksi muita metallikalvoja, eli metallikalvo voi olla monikerroskalvo, tai 10 dielektrisiä kalvoja (esim. polymeerikalvo), jolloin muodostuu kerrosmainen kaivorakenne. Kaivorakenne voi muistuttaa rakenteeltaan valvottavassa kohteessa olevia rakenteita, esimerkiksi mikäli kohteessa on metalliosia, voi metallikalvo olla samaa metallia, ja jos taas kohteessa on muovi-, lakka- tai maalipinnoitteita, voi metallikalvon 15 päällä oleva dielektrinen kerros olla samaa muovi-, lakka- tai maali-materiaalia.According to the invention, the corrosion monitoring method is characterized by what is set forth in the characterizing part of the appended claim 1, and the measuring sensor for monitoring the corrosive properties of the environment is characterized by what is set forth in the characterizing part of the appended claim 6. The method takes advantage of the surface-plasmon resonance (SPR) phenomenon, which changes under the influence of corrosive conditions on several metal films on the same substrate 5 placed side by side on the same substrate, each with its own detector. The corresponding measuring sensor may comprise an optically transparent, thin glass or plastic plate on the surface of which several separate, thin metal films have been vaporized. In addition, there may be other metal films on top of the metal film on the surface of the plate, i.e., the metal film may be a multilayer film, or dielectric films (e.g., a polymer film) to form a layered film structure. The structure of the well may resemble the structures in a controlled object, for example if the object has metal parts, the metal film may be the same metal, and if the object has plastic, lacquer or paint coatings, the dielectric layer on the metal film 15 may be the same plastic, lacquer or paint. material.

Muiden keksinnön edullisten suoritusmuotojen osalta viitataan oheisiin epäitsenäisiin patenttivaatimuksiin ja seuraavaan selitykseen.For other preferred embodiments of the invention, reference is made to the appended dependent claims and the following description.

2020

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää SPR-mittauksen periaatetta, jolloin kuva 1a) havainnol-25 listaa ns. Kretschmann-konfiguraatiota, ja kuva 1b) esittää resonanssi-käyrää, kuva 2 esittää simuloitua SPR-resonanssikäyrää, 30 kuva 3 on esimerkki käyränsovituksesta, • \ kuva 4 esittää yksinkertaista teknistä keksinnönmukaisen anturin toteutusta, 35 kuva 5 esittää erilaisia anturivaihtoehtoja, kuva 6 esittää piirilevylle asennettavaa integroitua anturin toteutusta, ja 3 101427 kuva 7 esittää optista mittapäätä eräänä anturivaihtoehtona.The invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which Figure 1 shows the principle of SPR measurement, whereby Figure 1a) observes the so-called Kretschmann configuration, and Fig. 1b) shows a resonance curve, Fig. 2 shows a simulated SPR resonance curve, Fig. 3 is an example of a curve fitting, Fig. 4 shows a simple technical implementation of a sensor according to the invention, Fig. 5 shows different sensor options, Fig. 6 shows a circuit board integrated sensor implementation to be installed, and 3 101427 Figure 7 shows an optical probe as one of the sensor options.

Kuvassa 1 on havainnollistettu optista pintaplasmonresonanssitekniik-5 kaa, jota käytetään mittauksessa. Korroosio-olosuhteiden mittauksessa sijoitetaan mittauskerros 1, joka voi olla eri kalvoja käsittävä kerrostettu rakenne, valvottavaan kohteeseen siten, että sen pinta on alttiina mahdollisille korrodoiville olosuhteille. Kaivorakenteessa on aina me-tallikaivo 2, jonka paksuus d on kymmenien nanometrien luokkaa, esim.Figure 1 illustrates the optical surface plasmon resonance technique used in the measurement. In the measurement of corrosion conditions, a measuring layer 1, which may be a layered structure comprising different films, is placed on a controlled object so that its surface is exposed to possible corrosive conditions. The well structure always has a metal well 2 with a thickness d of the order of tens of nanometers, e.g.

10 n. 50 nm. Metallikalvo on kiinni optisesti läpinäkyvän kappaleen 4 yhdellä sivulla. Optisesti läpinäkyvä kappale 4 voi muodostua myöhemmin kuvattavasta läpinäkyvästä levystä ja samaa materiaalia olevasta prismasta, jonka yhden sivun kanssa levy on asetettu kosketuksiin käyttäen välissä sopivaa taitekertoimet sovittavaa öljyä (index 15 matching oil). Prisma voi olla mikä tahansa sopiva SPR-tekniikassa käytettävä prismarakenne. Metallikalvo voidaan luonnollisesti valmistaa myös suoraan prisman pinnalle, mutta levy on helpompi vaihtaa. Prisman kautta kohdistetaan p-polaroitu valonsäde anturilevyn läpi sen pinnalla olevalle metallikalvolle 2. Prisma on mitoitettu siten, että me-20 tallikalvon 2 ja läpinäkyvän kappaleen 4 rajapinnalta valo kokonais-heijastuu takaisin prismaan. Tietyllä valon aallonpituudella ja tulokulman Θ arvolla heijastuneessa valossa havaitaan pintaplasmonreso-nanssi, jolloin heijastunut valo häviää. Tämä resonanssi riippuu valon aallonpituuden ja väliaineiden optisten ominaisuuksien lisäksi oleelli-25 sesti metallikalvon 2 paksuudesta d ja dielektrisyysvakiosta (metallimateriaalista). Tällöin kaikki valon energia siirtyy metallissa olevien vapaiden elektronien muodostamassa plasmassa eteneväksi sähkömagneettiseksi aalloksi. Resonanssi-ilmiössä syntyvä ns. eva-nescent-sähkökenttä ulottuu metallin pinnalta vain muutaman sadan 30 nanometrin etäisyydelle. Evanescent-kenttä näkee metallissa tai sen pinnan välittömässä läheisyydessä tapahtuvan reaktion, esimerkiksi ’·’ pinnan hapettumisen tai metallikalvon 2 päällä olevassa dielektrisessä kerroksessa 3 tapahtuvan muutoksen, koska se edustaa tiettyä taite-kertoimen muutosta. Mittauskerroksen 1 kaivorakenteessa tapahtuvat 35 muutokset ovat mitattavissa heijastuneesta valosta, koska resonanssi (valon häviäminen) siirtyy toiselle tulokulman arvolle. Tällöin tapahtuvia muutoksia voidaan seurata yksinkertaisesti mittaamalla heijastuneessa valossa tapahtuvia muutoksia. Mikäli kalvosta heijastunut valo mitataan 101427 4 valon tulokulman funktiona, saadaan ns. SPR-resonanssikäyrä (kuva 1b). Käyrän paikka muuttuu ja sen muodossa (resonanssin leveys, syvyys) tapahtuu muutoksia, mikäli metallikalvon 2 tai sen päällä olevan dielektrisen kerroksen 3 rakenne muuttuu .10 at 50 nm. The metal film is attached to one side of the optically transparent body 4. The optically transparent body 4 may consist of a transparent plate to be described later and a prism of the same material, with one side of which the plate is placed in contact using a suitable index 15 matching oil. The prism can be any suitable prism structure used in the SPR technique. Of course, the metal film can also be made directly on the surface of the prism, but the plate is easier to replace. Through the prism, a p-polarized light beam is directed through the sensor plate to the metal film 2 on its surface. The prism is dimensioned so that the light from the interface of the me-20 stable film 2 and the transparent body 4 is completely reflected back to the prism. At a given wavelength of light and the value of the incident angle Θ, the surface plasmon resonance is observed, whereby the reflected light disappears. In addition to the wavelength of light and the optical properties of the media, this resonance depends essentially on the thickness d of the metal film 2 and the dielectric constant (metal material). In this case, all the energy of light is transferred to an electromagnetic wave propagating in the plasma formed by free electrons in the metal. The so-called resonance phenomenon the eva-nescent electric field extends from a metal surface to only a few hundred to 30 nanometers. The Evanescent field sees a reaction in or in the immediate vicinity of the metal, such as ‘·’ surface oxidation or a change in the dielectric layer 3 on the metal film 2, because it represents a certain change in the refractive index. The changes in the well structure 35 of the measuring layer 1 are measurable from the reflected light, because the resonance (loss of light) shifts to another value of the incident angle. In this case, the changes can be monitored simply by measuring the changes in the reflected light. If the light reflected from the film is measured 101427 as a function of the angle of incidence of 4 light, the so-called SPR resonance curve (Figure 1b). The position of the curve changes and changes in its shape (resonance width, depth) occur if the structure of the metal film 2 or the dielectric layer 3 on it changes.

55

Pintaplasmonresonanssimenetelmä on hyvin herkkä ja sillä voidaan havaita nanometriluokkaa olevat paksuuden muutokset metallikalvossa tai sen päällä olevassa dielektrisessä kerroksessa. Kuvassa 2 on esitetty simuloitu kultakaivon resonanssikäyrä nesteessä ja siinä tapahtu-10 vat muutokset, kun kalvon päälle kerrostuu dielektristä materiaalia. Sovittamalla teoreettisesta mallista laskettu resonanssikäyrä mitattuun resonanssikäyrään voidaan laskea useista kalvoista muodostuvissa kerrosrakenteissa eri kerrosten paksuudet, dielektrisyysvakion reaaliosa ja imaginääriosa (absorptiokerroin) sekä kerrosten välisten raja-15 pintojen karkeus. Kuvassa 3 on esimerkki käyränsovituksesta.The surface plasmon resonance method is very sensitive and can detect nanometer-sized changes in thickness in the metal film or in the dielectric layer on top of it. Figure 2 shows a simulated gold well resonance curve in a liquid and the changes that occur when a dielectric material is deposited on the film. By fitting the resonance curve calculated from the theoretical model to the measured resonance curve, the thicknesses of different layers, the real and imaginary part of the dielectric constant (absorption coefficient) and the roughness of the interfaces between the layers can be calculated in layer structures consisting of several films. Figure 3 shows an example of a curve fitting.

Kuten kuvassa 4 on esitetty, anturikonstruktio voi olla hyvin yksinkertainen sisältäen metallikalvolla 2 päällystetyn muoviprisman, joka toimii optisesti läpinäkyvänä kappaleena 4, LED-valolähteen 5, polarisaatto-20 rin 6 ja detektorina 7 toimivan fotodiodin. Detektori ottaa vastaan metallikalvon kautta heijastunutta valoa (mittaussäde M), ja siitä on liitäntä 8 rekisteröintilaitteeseen 9 mittaustietojen rekisteröimiseksi. Valosta osan läpi päästävän heijastuspinnan 10 avulla ohjataan valolähteestä 5 polarisaattorin 6 läpi mennyt referenssisäde R vertailudetektoriin 11, 25 josta on liitäntä 12 rekisteröintilaitteeseen. Teholähteen 13 virrankulu-tus voidaan tehdä hyvin pieneksi, koska mittaus vaatii vain yhden lyhyen valopulssin ja mittaus voidaan tehdä esimerkiksi vain kerran päivässä tai viikossa. Katkoviivalla on kuvassa havainnollistettu rajapintaa kappaleessa 4, joka syntyy käytettäessä erillistä levyä, joka kiinnitetään 30 prismaan.As shown in Fig. 4, the sensor construction can be very simple, including a plastic prism coated with a metal film 2, which acts as an optically transparent body 4, an LED light source 5, a polarizer 20, and a photodiode acting as a detector 7. The detector receives light reflected through a metal foil (measuring beam M) and has an interface 8 to a recording device 9 for recording measurement data. By means of the reflecting surface 10 transmitting part of the light, the reference beam R passing from the light source 5 through the polarizer 6 is directed to the reference detector 11, 25 which has a connection 12 to the recording device. The power consumption of the power supply 13 can be made very small, because the measurement requires only one short pulse of light and the measurement can be done, for example, only once a day or a week. The dashed line in the figure illustrates the interface in the body 4, which is created by using a separate plate attached to a prism 30.

·’ Menetelmää voidaan käyttää helposti myös jatkuvaan seurantaan tai hälytinsovelluksiin. On mahdollista valvoa ja saada reaaliaikaista tietoa valvottavan kohteen olosuhteissa tapahtuvista muutoksista. Tällaisessa 35 sovelluksessa anturilla olevaa mittauskerrosta 1 mitataan jatkuvasti. Esimerkiksi mikäli kerroksessa tapahtuu muutoksia, jotka ylittävät ennalta asetetut rajat, tehdään hälytys. Kuvassa 4 on esitetty rekisteröintilaitteeseen 9 yhteydessä oleva näyttölaite tai hälytyslaite 14, s 101427 josta voidaan lukea mittaustuloksia tai joka antaa tietyillä mittaustuloksilla hälytyksen.· ‘The method can also be easily used for continuous monitoring or alarm applications. It is possible to monitor and obtain real-time information about changes in the conditions of the monitored object. In such an application 35, the measuring layer 1 on the sensor is continuously measured. For example, if changes occur in the floor that exceed preset limits, an alarm is issued. Figure 4 shows a display device or alarm device 14, p. 101427, connected to the recording device 9, from which measurement results can be read or which gives an alarm with certain measurement results.

Kuvassa 5 on esitetty läpinäkyvän kappaleen 4 osaksi kiinnitettävän 5 anturilevyn rakenne. Optisesti läpinäkyvän, ohuen lasi- tai muovi- levyn 4a pinnalle on muodostettu ohut metallikalvo 2. Kuvasta näkyy myös, että sama anturi voi käsittää useita ohuita levyn 4a tasossa vierekkäisiä metallikalvoja 2 (esimerkiksi kuparikaivo, kultakaivo, tinattu kuparikaivo, teräskalvo jne.). Tällöin valolähteestä leviävä valo voidaan 10 kollimoida I. yhdensuuntaistaa kollimoivan optiikan avulla, jolloin yhdensuuntaiset säteet osuvat koko levyn alalle. Levyn 4a alla oleva prismarakenne voi koostua tällöin yhdestä suuresta prismasta tai sarjasta pieniä prismoja. Esimerkiksi käytettäessä kuvan 5a mukaista liuskaa, jossa kalvot 2 ovat yhdessä suunnassa peräkkäin, voi vastaa-15 va prismarakenne sijaita samansuuntaisena (esitetty katkoviivoin) siten, että sen poikkileikkaus tätä suuntaa vastaan kohtisuorassa tasossa on vakio. Käytettäessä levyä, jossa on useita kalvojen 2 rivejä (kuva 5c) voi sen alla vastaavasti olla rivien kohdalla niiden suuntaisia pitkänomaisia prismarakenteita. Kutakin kalvoa 2 varten on vastaavasti oma 20 detektori, eli kuvan 5a tapauksessa detektorien rivi ja kuvan 5c tapauksessa 2-ulotteinen detektori mat riisi. Levyn pinnalla olevan metalli-kalvon päällä voi olla lisäksi yksi tai useampi dielektrinen kalvo 3 (esim. muovikalvo), jolloin muodostuu kuvan 5b mukainen kerrosmainen rakenne.Figure 5 shows the structure of the sensor plate 5 to be attached as part of the transparent body 4. A thin metal film 2 is formed on the surface of the optically transparent thin glass or plastic plate 4a. It can also be seen that the same sensor may comprise several thin metal films 2 adjacent in the plane of the plate 4a (e.g. copper well, gold well, tinned copper well, steel film, etc.). In this case, the light propagating from the light source can be collimated I. paralleled by means of collimating optics, whereby the parallel rays hit the entire area of the plate. The prism structure under the plate 4a can then consist of one large prism or a series of small prisms. For example, when using the strip of Fig. 5a in which the films 2 are in succession in one direction, the corresponding prism structure may be located parallel (shown in broken lines) so that its cross section in a plane perpendicular to this direction is constant. When a plate with several rows of membranes 2 (Fig. 5c) is used, there may correspondingly be elongate prism structures parallel to the rows below it. Each membrane 2 has its own detector 20, i.e. in the case of Fig. 5a a row of detectors and in the case of Fig. 5c a 2-dimensional detector mat rice. In addition, the metal film on the surface of the plate may have one or more dielectric films 3 (e.g. a plastic film), whereby a layered structure according to Fig. 5b is formed.

2525

Keksinnön mukainen anturi asetetaan valvottavan tilaan siten, että ilmassa olevat metallin korroosiota aiheuttavat kaasumaiset aineet sekä kosteus pääsevät kosketuksiin levyn pinnalla olevien metallikalvojen tai muiden pinnoitteiden kanssa. Ilma ja siinä olevat epäpuhtaudet (esim.The sensor according to the invention is placed in a controlled state so that the gaseous substances causing corrosion of the metal in the air as well as moisture come into contact with the metal films or other coatings on the surface of the plate. Air and its impurities (eg

30 SO2, ΝΟχ, vesihöyry) aiheuttavat metallien korroosiota ja fysikaalisia ja/tai kemiallisia muutoksia dielektrisissä kerroksissa.30 SO2, ΝΟχ, water vapor) cause corrosion of metals and physical and / or chemical changes in dielectric layers.

Pintaplasmonresonanssimenetelmä on erittäin herkkä menetelmä ja sillä voidaan havaita nanometriluokkaa olevat paksuuden muutokset 35 metallikalvossa tai sen päällä olevassa dielektrisessä kerroksessa 3. Menetelmä soveltuu siis erittäin hyvin, jos halutaan havaita korroosio mahdollisimman varhaisessa vaiheessa tai ilmaista ympäristön olosuhteiden muuttuminen korrodoiviksi. Menetelmää voidaan soveltaa kui- 6 101427 tenkin myös siten, että se ilmaisee, kun korroosio on saavuttanut tietyn rajan. Tämä voidaan toteuttaa paksummalla metallikalvolla 2, jonka syöpyminen tiettyyn, resonanssille ominaiseen paksuuteen laukaisee hälytyksen.The surface plasmon resonance method is a very sensitive method and can detect nanometer-scale thickness changes in the metal film 35 or on the dielectric layer 3 thereon. The method is therefore very suitable if it is desired to detect corrosion as early as possible or to detect changes in ambient conditions. However, the method can also be applied in such a way that it indicates when the corrosion has reached a certain limit. This can be done with a thicker metal film 2, the corrosion of which to a certain resonance-specific thickness triggers an alarm.

55

Haluttaessa valvoa väliaineena olevien aineiden vaikutusta metalliin, kysymykseen tulevat kaikki sellaiset metallit, joiden dielektrisyysvakion reaaliosa on negatiivinen (SPR-metalli) ja jotka muuttuvat jonkin korroosiota aiheuttavan aineen vaikutuksesta. Erityisen sopivia ovat ho-10 pea, kupari ja alumiini, koska niistä saadaan hyvin ohut kalvo. Myös rauta voi tulla kysymykseen. Puhtaiden metallien ohella voidaan käyttää myös sopivia seoksia, joiden osana on SPR-metalleja.In order to control the effect of the substances in the medium on the metal, all metals with a negative dielectric constant (SPR metal) and which change under the influence of a corrosive substance are considered. Ho-10 pea, copper and aluminum are particularly suitable because they provide a very thin film. Iron may also be an issue. In addition to pure metals, suitable alloys containing SPR metals can also be used.

SPR-menetelmällä on merkittäviä etuja verrattuna muihin ympäristön 15 tilan mittausmenetelmiin. SPR-menetelmä mittaa suoraan korroosiota valvonnan kohteena olevista materiaaleista. Esimerkiksi tiettyjen kaasumaisten epäpuhtauksien mittaaminen ei vielä kerro korrodoivista olosuhteista mitään, vaan niiden lisäksi olisi mitattava lämpötila ja kosteus ja näistä pääteltävä korroosion todennäköisyys.The SPR method has significant advantages over other methods for measuring the state of the environment. The SPR method directly measures corrosion from controlled materials. For example, the measurement of certain gaseous pollutants does not yet tell us anything about the corrosive conditions, but in addition to them, temperature and humidity should be measured and the probability of corrosion deduced from them.

20 SPR-anturi on halpa. Sen kustannukset yksinkertaisessa muodossaan jäävät muutamaan kymmeneen markkaan, ja se on toteutukseltaan verrattavissa käytössä oleviin palovaroittimiin. Kaasujen mittaukseen tarvittavat laitteistot ovat kalliita ja vaativat huoltoa ja kalibrointia.20 SPR sensor is cheap. Its cost in its simple form is only a few tens of marks, and its implementation is comparable to the fire alarms in use. The equipment needed to measure gases is expensive and requires maintenance and calibration.

2525

Anturiosa on integroitavissa hyvin pieneen kokoon. Periaatteessa koko laite antureineen ja elektroniikkaosineen voidaan saada kuvan 6 mukaisesti tavallisen 7-jalkaisen IC-piirin kokoluokkaan, jolloin se sisältää valolähteen 5, optiset osat ja detektorin 7. Tällaisena toteutuksena laite 30 voisi olla suoraan valvottavassa laitekaapissa tai jossakin elektronisessa laitteessa olevalla piirilevyllä, jolloin sähköiset kytkennät (teho LED-valolähteelle ja signaali detektorilta) voidaan järjestää liitäntä-jalkojen kautta. Valo voidaan kytkeä prismalle ja tuoda prismalta myös käyttäen optisia kuituja kuvan 7 mukaisesti. Tällöin itse mittapää14, 35 joka on liitetty valolähteen ja detektorin käsittävään osaan 15 yhdys-kaapelilla 16, on mahdollista tehdä hyvin pieneksi ja saada mahtumaan ahtaisiinkin tiloihin (esim. moottorien sisään). Täysin optisena rakenteena se ei ole herkkä sähköisille häiriöille.The sensor part can be integrated into a very small size. In principle, the whole device with its sensors and electronic components can be obtained in the size class of a standard 7-foot IC circuit as shown in Figure 6, including light source 5, optical parts and detector 7. In such an implementation, device 30 could be on a directly monitored cabinet or electronic circuit board. the connections (power to the LED light source and signal from the detector) can be arranged via the connection pins. The light can also be connected to and brought from the prism using optical fibers as shown in Figure 7. In this case, the measuring head 14, 35 itself, which is connected to the part 15 comprising the light source and the detector by means of a connecting cable 16, can be made very small and made to fit even in cramped spaces (e.g. inside motors). As a fully optical structure, it is not sensitive to electrical interference.

7 1014277 101427

Korrodoivien ominaisuuksien vaikutusta ohuisiin kaivorakenteisiin voidaan tutkia monella eri tavalla. Mittauskerroksen 1 käsittävä optisesti läpinäkyvä kappale tai sen osa, kuten anturilevy voidaan saattaa alt-5 tiiksi ympäristön vaikutuksille asettamalla se tietyksi ajaksi esimerkiksi ulos siten, että ilmassa olevat kaasumaiset aineet sekä kosteus pääsevät kosketuksiin levyn pinnalla olevien metallikalvojen tai dielektristen pinnoitteiden kanssa. Ilma ja siinä olevat epäpuhtaudet (esim. SO2, ΝΟχ) aiheuttavat metallien korroosiota ja fysikaalisia ja/tai kemiallisia 10 muutoksia dielektrisessä kerroksessa. Dielektrinen kerros voi toimia myös suodattimena siten, että se päästää vain tietyn tai tietyt epäpuhtaudet metallin pintaan, jossa korroosio tapahtuu.The effect of corrosive properties on thin well structures can be studied in many different ways. An optically transparent body comprising a measuring layer 1 or a part thereof, such as a sensor plate, can be exposed to the environment by exposing it for a certain time, for example so that gaseous substances in air and moisture come into contact with metal films or dielectric coatings on the plate. Air and its impurities (eg SO2, ΝΟχ) cause corrosion of metals and physical and / or chemical changes in the dielectric layer. The dielectric layer can also act as a filter so that it releases only a certain or certain impurities to the surface of the metal where corrosion occurs.

Mittauskerroksen 1 käsittävä optisesti läpinäkyvä kappale tai sen osa, 15 kuten anturilevy, voidaan kaasumaisen väliaineen lisäksi sijoittaa myös nestemäiseen väliaineeseen kuten vesijohtoveteen, jäteveteen tai prosessissa olevaan nesteeseen, jolloin näissä esiintyvät korrodoivat aineet vaikuttavat anturissa tai anturilevyssä oleviin metallikerroksiin tai dielektrisiin kerroksiin. Keksintöä voidaan käyttää saattamalla mittaus-20 kerros 1 kosketuksiin sellaisen valvottavan väliaineen kanssa, jonka sisältämien aineiden tosiasiallisesta vaikutuksesta halutaan saada tietoa.In addition to the gaseous medium, the optically transparent body or part thereof comprising the measuring layer 1, such as a sensor plate, can also be placed in a liquid medium such as tap water, wastewater or process liquid, whereby the corrosive substances affect the metal layers or dielectric layers in the sensor or sensor plate. The invention can be used by contacting the measuring layer 20 with a controlled medium whose information on the actual effect of the substances is desired.

Valolähteiden ei myöskään tarvitse olla jatkuvasti optisessa yhteydessä metallikalvoon. Mittauskerrokset alustoineen voidaan viedä tutkittaviin 25 kohteisiin tai sijoitetaan eri puolille mitattavaa kohdetta ilman optista kytkentää. Ennen altistusta kaikki kalvot tutkitaan. Metallikalvojen ja/tai muiden kerrosten ominaisuudet (esim. paksuus, dielektrisyysvakio, pinnankarkeus) mitataan SPR-menetelmällä, ja saadut tiedot talletetaan. Altistuksen jälkeen kalvojen ominaisuudet mitataan uudelleen ja 30 verrataan ennen altistusta mitattuihin arvoihin. Arvojen perusteella saadaan selville, miten kalvot ovat muuttuneet. Nähdään esimerkiksi, onko kalvo syöpynyt (muutos paksuudessa ja/tai pinnan karkeudessa), onko syntynyt lisäkerros (esim oksidikerros, kuten esimerkiksi alumiinin pinnalle), tai onko jokin kerros hävinnyt. Tämän perusteella saadaan tieto 35 millä tavoin eri metallit ja kerrosrakenteet ovat reagoineet. Vertaamalla esimerkiksi eri kohteisiin sijoitetuissa mittauskerroksissa tapahtuneita muutoksia saadaan esiin ympäristön laatuun (korrodoivien aineiden määrään) liittyviä suhteellisia eroja.Also, the light sources do not need to be in constant optical contact with the metal foil. The measuring layers with their substrates can be taken to the objects to be examined or placed on different sides of the object to be measured without optical coupling. Prior to exposure, all membranes are examined. The properties of the metal films and / or other layers (e.g., thickness, dielectric constant, surface roughness) are measured by the SPR method, and the data obtained are stored. After exposure, the properties of the membranes are re-measured and compared to the values measured before exposure. Based on the values, it is possible to find out how the membranes have changed. It is seen, for example, whether the film is corroded (change in thickness and / or surface roughness), whether an additional layer has formed (e.g. an oxide layer, such as on an aluminum surface), or whether any layer has disappeared. Based on this, information is obtained as to how different metals and layer structures have reacted. For example, comparing the changes in the measurement layers located at different sites reveals relative differences related to the quality of the environment (amount of corrosive substances).

101427 8 Tässä yhteydessä sanat "korroosio" ja "korrodoiva" tuleekin käsittää laajasti, ja niillä tarkoitetaan kaikkia tarkkailtavassa väliaineessa olevien aineiden aiheuttamia pysyviä muutoksia mittauskerroksen 1 raken-5 teessä, yleisimmin syöpymistä ja/tai hapettumista, jotka muutokset aiheutuvat aineiden reaktiosta mittauskerroksen materiaalin kanssa. Mittauskerroksen materiaaleissa ei ole varta vasten pintaan muodostettuja spesifisiä sitoutumiskohtia, vaan ne ovat tavallisia kemiallisesti yhtenäisiä kerroksia muodostavia rakennemateriaaleja, ja ne eroavat tältä 10 osin immunologisista määrityksistä, joilla pyritään toteamaan tarkoin rajatussa näytteessä olevan tietyn komponentin esiintyminen spesifisen biologisen sitoutumisen avulla.101427 8 In this context, the words "corrosion" and "corrosive" are to be understood broadly and refer to any permanent change in the structure of the measuring layer 1 caused by substances in the monitored medium, most commonly corrosion and / or oxidation due to reaction of the substances with the measuring layer material. The materials of the measuring layer do not have specific binding sites formed specifically on the surface, but are ordinary structural materials forming chemically uniform layers, and differ in this respect from immunological assays, which aim to detect the presence of a specific component in a well-defined sample by specific biological binding.

On täysin mahdollista, että kaivorakenteissa tapahtuneiden kemiallisten 15 muutosten perusteella voidaan myös identifioida tiettyjä korrodoivia aineita ja saada niistä jopa kvantitatiivista tietoa. Kalvoissa tapahtuneiden muutosten analysointiin voidaan käyttää sopivaa menetelmää, esimerkiksi sumeaa logiikkaa, hahmon tunnistusta tai neuroniverkko-tyyppistä oppivaa algoritmia.It is quite possible that certain corrosive substances can also be identified and even quantified from chemical changes in well structures. A suitable method, such as fuzzy logic, character recognition, or a neural network-type learning algorithm, can be used to analyze changes in membranes.

Claims (12)

1. Menetelmä korroosion valvontaan, jossa mitataan jatkuvasti tai tietyin väliajoin korroosio-olosuhteista riippuvaa suuretta valvotta- 5 vaan kohteeseen sijoitetulla mittarilla, jolloin mittaus suoritetaan pinta-plasmonresonanssi-ilmiötä (SPR) hyväksikäyttäen mittaamalla metalli-kalvon (2) päällä tapahtuvan, korroosio-olosuhteiden aiheuttaman muutoksen vaikutus metallikalvon (2) kautta heijastuneen valon pinta-plasmonresonanssi-ilmiöön, tunnettu siitä, että menetelmässä käyte-10 tään useita samalla alustalla olevia vierekkäisiä metallikalvoja (2), joilta heijastunut valo otetaan vastaan kutakin kalvoa varten olevalla omalla detektorilla.A method for corrosion monitoring, which continuously or at certain intervals measures a quantity dependent on corrosion conditions with a meter placed on a controlled object, the measurement being performed using surface plasmon resonance (SPR) by measuring the corrosion conditions on the metal film (2). effect of the change caused by the metal membrane (2) on the surface plasmon resonance phenomenon of the light reflected, characterized in that the method uses several adjacent metal films (2) on the same substrate, from which the reflected light is received by a separate detector for each film. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 15 siitä, että metallikalvona (2) käytetään metallia, jonka päälle syntyy valvottavien korroosio-olosuhteiden vaikutuksesta dielektrinen kerros, jolloin tämän kerroksen syntyminen havaitaan pintaplasmonresonanssi-ilmiössä tapahtuvan muutoksen kautta.Method according to Claim 1, characterized in that a metal is used as the metal film (2) on which a dielectric layer is formed under the influence of the controlled corrosion conditions, the formation of this layer being detected by a change in the surface plasmon resonance phenomenon. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallikalvona (2) käytetään metallia, jossa tapahtuu valvottavien korroosio-olosuhteiden vaikutuksesta ohenemista ja/tai pinnan-karkeuden muutosta, jolloin nämä pinnan muutokset havaitaan pinta-plasmonresonanssi-ilmiössä tapahtuvan muutoksen kautta. 25Method according to Claim 1, characterized in that the metal film (2) used is a metal which undergoes thinning and / or a change in surface roughness under the influence of controlled corrosion conditions, these surface changes being detected by a change in the surface plasmon resonance phenomenon. 25 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallikalvo (2) on päällystetty dielektrisellä kerroksella (3), jossa tapahtuu valvottavien korroosio-olosuhteiden vaikutuksesta fysikaalisia ja/tai kemiallisia muutoksia, jolloin nämä kerroksen muutokset 30 havaitaan pintaplasmonresonanssi-ilmiössä tapahtuvan muutoksen kautta.Method according to Claim 1, characterized in that the metal film (2) is coated with a dielectric layer (3) which undergoes physical and / or chemical changes as a result of controlled corrosion conditions, these layer changes being detected by a change in the surface plasmon resonance phenomenon. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallikalvo (2) on päällystetty dielektrisellä kerroksella (3), 35 joka päästää valvottavissa korroosio-olosuhteissa esiintyviä epäpuhtauksia metallikalvon (2) pintaan toimien suodattimena, jolloin näiden epäpuhtauksien aikaansaamat metallikalvon (2) muutokset havaitaan pintaplasmonresonanssi-ilmiössä tapahtuvan muutoksen kautta. 10 101427Method according to Claim 1, characterized in that the metal film (2) is coated with a dielectric layer (3) which emits impurities under controlled corrosion conditions to the surface of the metal film (2) acting as a filter, the changes in the metal film (2) caused by these impurities being detected. through a change in the surface plasmon resonance phenomenon. 10 101427 6. Mittausanturi korroosion valvontaan, joka on järjestetty niittämään jatkuvasti tai tietyin väliajoin korroosio-olosuhteista riippuvaa suuretta, jolloin anturi käsittää 5. metallikalvon (2) käsittävän mittauskerroksen (1), joka on altistettavissa korroosio-olosuhteille ja jossa on odotettavissa muutos korroosiota aiheuttavien olosuhteiden vaikutuksesta, optisesti läpinäkyvän kappaleen (4), johon mittauskerros on 10 kiinnitetty, valolähteen (5), joka on suunnattu optisesti läpinäkyvän kappaleen (4) puolelta kohti metallikalvoa (2), jolloin valolähteen aallonpituus, valon tulokulma ja mittauskerroksen laatu on valittu niin, että metallikalvon (2) kautta heijastu-15 neessa valossa tapahtuu pintaplasmonresonanssi-ilmiö ai nakin joissakin olosuhteissa, jotka ovat odotettavissa mittausanturin käyttökohteessa, detektorin (7), joka on järjestetty ottamaan vastaan metalli-kalvon kautta heijastunutta valoa, ja 20. liitännän (8) detektorilta rekisteröintilaitteeseen (9) detekto rin mittaustulosten rekisteröimiseksi, tunnettu siitä, että anturissa on samalla alustalla useita vierekkäisiä metallikalvoja (2), joita kutakin varten on oma detektori. 25A measuring sensor for corrosion monitoring arranged to mow continuously or at certain intervals a quantity depending on the corrosion conditions, the sensor comprising a measuring layer (1) comprising a metal film (2) which is susceptible to corrosion conditions and in which a change due to corrosive conditions is expected , an optical source (5) of the optically transparent body (4) to which the measuring layer is attached is directed from the side of the optically transparent body (4) toward the metal film (2), the light source wavelength, light angle and quality of the measuring layer being selected so that the metal film (2) surface light resonance phenomenon occurs in light reflected through at least some of the conditions expected in the application of the measuring sensor, a detector (7) arranged to receive light reflected through a metal film, and a detector (20) from the detector (9) for recording the measurement results of the detector, characterized in that the sensor has several adjacent metal foils (2) on the same substrate, each with its own detector. 25 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että mittauskerros muodostuu paljaasta metallikalvosta (2).Measuring sensor according to Claim 6, characterized in that the measuring layer consists of a bare metal film (2). 8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen mittausanturi, tunnettu 30 siitä, että mittauskerros (1) käsittää metallikalvon (2) ja sen päälle sijoitetun dielektrisen kerroksen (3).Measuring sensor according to Claim 6, characterized in that the measuring layer (1) comprises a metal film (2) and a dielectric layer (3) arranged on it. 9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6—8 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että mittauskerros (1) on kiinnitetty optisesti 35 läpinäkyvän levyn (4a) pinnalle, joka on vastakkaiselta puolelta kiinnitettävissä toiseen optisesti läpinäkyvään kappaleeseen kootun optisesti läpinäkyvän kappaleen (4) muodostamiseksi. 11 101427Measuring sensor according to one of the preceding claims 6 to 8, characterized in that the measuring layer (1) is fixed to the surface of the optically transparent plate (4a) which can be fastened on the opposite side to form an optically transparent body (4) assembled on the second optically transparent body. 11 101427 9 1014279 101427 10. Jonkin patenttivaatimuksen 6—8 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että se on integroitu piirilevylle sijoitettavaan liitäntäja-loilla varustettuun komponenttiin. 5Measuring sensor according to one of Claims 6 to 8, characterized in that it is integrated in a component with connection legs which is arranged on a circuit board. 5 11. Jonkin patenttivaatimuksen 6—8 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että mittauskerros (1) ja optisesti läpinäkyvä kappale (4) on sijoitettu mittapäähän (14), joka on yhteydessä valolähteeseen ja detektoriin optisen kuidun käsittävän yhdyskaapelin (16) väli- 10 tyksellä.Measuring sensor according to one of Claims 6 to 8, characterized in that the measuring layer (1) and the optically transparent body (4) are arranged at a measuring head (14) which communicates with the light source and the detector via an optical fiber connecting cable (16). 12 10142712 101427
FI952125A 1995-05-04 1995-05-04 Procedure and measurement sensor for corrosion control FI101427B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI952125A FI101427B (en) 1995-05-04 1995-05-04 Procedure and measurement sensor for corrosion control

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI952125 1995-05-04
FI952125A FI101427B (en) 1995-05-04 1995-05-04 Procedure and measurement sensor for corrosion control

Publications (4)

Publication Number Publication Date
FI952125A0 FI952125A0 (en) 1995-05-04
FI952125A FI952125A (en) 1996-11-15
FI101427B1 FI101427B1 (en) 1998-06-15
FI101427B true FI101427B (en) 1998-06-15

Family

ID=8543341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI952125A FI101427B (en) 1995-05-04 1995-05-04 Procedure and measurement sensor for corrosion control

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI101427B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
FI952125A (en) 1996-11-15
FI952125A0 (en) 1995-05-04
FI101427B1 (en) 1998-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI85768C (en) FOERFARANDE FOER UTFOERNING AV YTPLASMONRESONANSMAETNING SAMT I FOERFARANDET ANVAENDBAR GIVARE.
Lavers et al. Planar optical waveguides for sensing applications
EP1088231B1 (en) Optical sensor having optimized surface profile
US7619724B2 (en) Device and method for detecting changes in the refractive index of a dielectric medium
Niggemann et al. Remote sensing of tetrachloroethene with a micro-fibre optical gas sensor based on surface plasmon resonance spectroscopy
US10451549B2 (en) Optical fibre for use in a system for detection of one or more compounds in a fluid
KR20050084016A (en) Method for generating electromagnetic field distributions
Nishiguchi et al. Fabrication of gold-deposited plasmonic crystal based on nanoimprint lithography for label-free biosensing application
US20010048072A1 (en) Optical sensing devices
Balaa et al. Experimental realization and numerical simulation of wavelength-modulated fibre optic sensor based on surface plasmon resonance
Podgorsek et al. Optical gas sensing by evaluating ATR leaky mode spectra
EP2546633A1 (en) Laminated structure for measurement of intensity of reflected light, device equipped with laminated structure for measurement of reflected light, and method for determination of thickness and/or mass and/or viscosity of thin film
Sazhin et al. Sensor methods of ammonia inspection
EP3570009A1 (en) High selectivity corrosion sensor system
FI101427B (en) Procedure and measurement sensor for corrosion control
CN100552447C (en) Dew-point measuring method and the device that is used to carry out described method
Samavati et al. Optical fiber sensor based on magneto-plasmonic features of Ag-Co nanostructure for ppm ammonium detection in aqueous solutions
Narayanaswamy et al. Surface plasmon resonance biosensors for food safety
US6687015B1 (en) Method and device for measuring the thickness of a layer
CN111879691A (en) Atmospheric corrosivity monitoring device and method based on optical fiber surface plasma resonance
EP0766816B1 (en) Optical gas sensor
JP3136104B2 (en) Optical sensor for detecting organic substances in water
Yimit et al. Development of a composite optical waveguide sensor for immunoglobulin G
Li et al. Highly sensitive Fabry-Perot Chloride ion fiber optic probe
Choudhury Optical sensors in environmental monitoring

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Owner name: VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUS

MA Patent expired