JP2001099777A - 腐食環境監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大気中における腐食性物質の種類とその濃度、
および、金属の腐食量を連続的に監視できる大気腐食環
境監視装置の提供。 【解決手段】複数個の圧電素子表面に、該圧電素子毎に
異なる種類の金属薄膜が形成され、測定環境中に配置
し、前記金属薄膜を形成した各圧電素子を発振回路によ
りそれぞれ発振させて、前記各圧電素子から出力される
周波数の時間的な変化を測定し、該時間的な変化を予め
求められた前記金属薄膜に対する周波数の時間的な変化
との関係に基づいて、前記環境中の腐食性物質または腐
食性ガス種類と濃度および／または前記金属薄膜の腐食
量を検出するできるよう構成したことを特徴とする腐食
環境監視装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、腐食環境中におけ
る金属の腐食量、並びに、その腐食性物質の種類と濃度
を同時に、かつ、連続的に監視する腐食環境監視装置、
特に大気の腐食環境監視装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種機器の製造工程、あるいは、その使
用中における腐食の発生は、機器の外観を損なうだけで
なく、誤作動の原因となる。特に、容易に修理や交換の
できない機器においては、その誤作動により機器の信頼
性を損なうだけでなく、修理や交換、さらには不意の機
器停止等により莫大な費用の支出が発生する。

【０００３】水溶液中では、水自身が金属を腐食させる
酸化剤として作用し、さらに海水中ではそれに含まれる
ＮａＣｌ等の塩化物イオンが腐食を加速させる作用があ
る。

【０００４】上記に対し大気中では、大気に含まれる酸
素や水蒸気（湿度）に加えて、亜硫酸ガス、硫化水素、
塩素等のガスが金属の腐食を加速させる。

【０００５】また、こうした腐食性ガスには、製鉄工場
における亜硫酸ガス，窒素酸化物，硫化水素等のガス、
上下水処理場においては殺菌処理に用いられる塩素系ガ
スやオゾン、処理水中から発生するアンモニアや硫化水
素等の還元性硫化物ガス、化学工場においては、製造工
程で発生する亜硫酸ガスや塩素ガス、半導体等のデバイ
ス製造工場では使用される塩酸，硫酸，硝酸，フッ化水
素などの酸性ガスが挙げられる。

【０００６】水溶液中における腐食環境や腐食の進行状
況を把握する手段としては、腐食防食協会編集、１９９
３年の材料環境学入門、第２７４頁（丸善株式会社出
版）に記載のように、電気化学的測定法により腐食速度
や水溶液中に含まれる腐食性物質の濃度を求める方法が
知られている。

【０００７】一方、大気中における腐食速度を求める方
法としては特開昭６３−８３６５９号公報に記載のよう
に、供試材料を絶縁薄膜を介して積層した電極積層体を
結露させ、この時の電極間に流れる電流を計測すること
により供試材料の腐食速度を求める方法や、１９９４年
腐食防食協会発行、材料と環境、第４３号、第５５０頁
記載のように、炭素鋼板上に絶縁ペーストを部分的に塗
布し、該絶縁ペースト上に導電ペーストを塗布，積層し
たものを用い、炭素鋼板と導電ペーストとの間に流れる
電流を計測することにより、その上に付着した海塩粒子
等の付着量を計測する方法が知られている。

【０００８】また、１９９４年腐食防食協会発行、材料
と環境、第４３号、第３７８頁に記載のように、水晶振
動子基板上に堆積させたニッケル薄膜の腐食量を計測す
る方法が知られている。

【０００９】一方、大気中に存在するガスの濃度を測定
する方法として、日本では「大気汚染防止法」に公定法
として定められている湿式法や、紫外線吸収により励起
したＳＯ₂分子から発生する蛍光強度や、ＮＯとＯ₃が反
応するときに発生する化学発光強度を測定することによ
り、それらのガス濃度を検出する方法が知られている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前記の電流の計測によ
り大気中における腐食速度を測定する方法では、測定環
境の相対湿度が低くて、電極基板が結露しない場合には
計測できないと云う問題がある。即ち、相対湿度が低い
場合は、電気を流すために必要十分な水膜が形成され
ず、電極間に電流が流れないために計測不可能となる。

【００１１】また、前記大気腐食速度の測定法はいずれ
も腐食速度のみを計測し、大気中の腐食性ガス成分の種
類やその濃度を測定することはできない。

【００１２】一方、上記大気中の腐食性ガスを計測する
方法では、ＮＯとＮＯ₂のような同一種類のガス成分
は、１つの計測装置で測定できるが、異なった種類のガ
スを測定するためには、そのガス成分の種類だけ計測装
置を揃えなければならず、計測装置の維持管理が煩雑に
なると云う問題がある。

【００１３】圧電基板を用いたセンサとしては、特開平
４−３０７３５１号公報のように、腐食センサとして用
いられているが、このセンサを用いて複数の金属の腐食
量と環境中のガス成分濃度や湿度を測定するためには、
検出する成分数だけのセンサを設置しなければならな
い。即ち、２種類の金属の腐食量と４成分のガス濃度と
湿度を計測するためには合計６種類のセンサを設置して
計測する必要性がある。さらに、想定外のガスが存在し
た場合は、センサを設置していないのでこれを計測する
ことができないと云う問題がある。

【００１４】本発明の目的は、腐食環境中に存在する腐
食性物質の種類と、環境中の金属の腐食量を監視できる
腐食環境監視装置の提供にある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の要旨は次のとおりである。

【００１６】〔１〕 複数個の圧電素子表面に、該圧電
素子毎に異なる種類の金属薄膜が形成され、測定環境中
に配置し、前記金属薄膜を形成した各圧電素子を発振回
路によりそれぞれ発振させて、前記各圧電素子から出力
される周波数の時間的な変化を測定し、該時間的な変化
を予め求められた前記金属薄膜に対する周波数の時間的
な変化との関係に基づいて、前記環境中の腐食性物質ま
たは腐食性ガス種類と濃度および／または前記金属薄膜
の腐食量を検出するできるよう構成したことを特徴とす
る腐食環境監視装置。

【００１７】〔２〕 大気中に配置した複数個の圧電素
子の基板面に導電性薄膜が形成され、該導電性薄膜面に
は圧電素子毎に異なる種類の金属薄膜が堆積されてお
り、前記金属薄膜を形成した各圧電素子を発振回路によ
りそれぞれ発振させ、その大気中の腐食性物質または腐
食性ガスについてその種類と濃度および／または金属薄
膜の腐食量を、発振周波数の変化から計測できるよう構
成したことを特徴とする腐食環境監視装置。

【００１８】〔３〕 前記測定環境中に温度センサおよ
び湿度センサの少なくとも一方が配置されている前記
〔１〕または〔２〕に記載の腐食環境監視装置。

【００１９】〔４〕 大気中に配置した複数個の圧電素
子の基板面に導電性薄膜が形成され、該導電性薄膜面に
は圧電素子毎に異なる種類の金属薄膜が堆積されてお
り、該圧電素子には温度および湿度の計測手段が併設さ
れており、前記金属薄膜を形成した各圧電素子を発振回
路によりそれぞれ発振させ、その大気中の腐食性物質ま
たは腐食性ガスについてその種類と濃度および／または
前記金属薄膜の腐食量を、発振周波数の変化から計測で
きるよう構成したことを特徴とする腐食環境監視装置。

【００２０】〔５〕 前記金属薄膜を形成した各圧電素
子を発振回路によりそれぞれ発振させ、その大気中の腐
食性物質または腐食性ガスの種類とその濃度および／ま
たは前記金属薄膜の腐食量を、前記発振周波数の変化に
基づき同時、かつ、連続的に計測できるよう構成した前
記の腐食環境監視装置。

【００２１】〔６〕 前記圧電素子が、水晶振動子また
は弾性表面波デバイスで構成されている前記の腐食環境
監視装置。

【００２２】〔７〕 前記の腐食環境監視装置におい
て、大気中からの付着物量を計測する付着物量計測手段
を備えたことを特徴とする腐食環境監視装置。

【００２３】〔８〕 前記付着物量計測手段が、基板面
に腐食性物質とは反応しない導電性薄膜が形成された圧
電素子であって、該圧電素子を発振回路により発振さ
せ、その発振周波数の変化に基づき同時、かつ、連続的
に付着物量を計測する前記〔７〕に記載の腐食環境監視
装置。

【００２４】

〔９〕 前記付着物量計測手段が、絶縁層
上に形成された一対の電極、該一対の電極間に直流電圧
または交流電圧の印加手段、前記一対の電極間の直流抵
抗またはインピーダンス値により付着物量を計測する前
記〔７〕に記載の腐食環境監視装置。

【００２５】〔１０〕 前記付着物量計測手段が、絶縁
層上に形成された一対の電極を有し、該電極の一方が腐
食監視対象金属と同じ金属で形成され、もう一方が導電
性材料で形成されており、両電極間の電気化学的電位差
により生じる直流値により付着物量を計測する前記
〔７〕に記載の腐食環境監視装置。

【００２６】〔１１〕 前記圧電素子の発振周波数の変
化に基づき計測された計測結果に基づき大気中の腐食性
物質または腐食性ガスについてその種類と濃度および／
または前記金属薄膜の腐食量を、予め入力されたデータ
に基づき推定する演算処理装置と、該演算処理装置によ
る各演算結果を表示する表示装置を備えた前記の腐食環
境監視装置。

【００２７】〔１２〕 前記演算処理装置による各推定
演算値が所定の値に到達すると警報を発する警報発生手
段を備えている前記〔１１〕に記載の腐食環境監視装
置。

【００２８】前記のように圧電素子基板に異なる種類の
金属薄膜をそれぞれ堆積させた圧電素子を複数大気中に
配置し、発振回路により各圧電素子を発振させ、各素子
の周波数変化を連続的に監視することにより達成され
る。

【００２９】本発明の原理を圧電素子として水晶振動子
を用いて説明する。金属薄膜を堆積させた水晶振動子基
板を発振回路により発振させると、堆積させた金属の質
量に比例して、一定の周波数で発振する。

【００３０】この金属薄膜が腐食すると、腐食生成物の
形成により堆積させた金属の質量が変化する。この質量
変化は式〔１〕に従って、水晶振動子の振動数変化と関
係付けられる。

【００３１】

【数１】 Δｆ＝−ｋｆ₀ ²（Δｗ／Ａ） …〔１〕 ここで、ｆ₀は水晶振動子の初期周波数、Δｆは周波数
変化量、Δｗは質量変化量、Ａは金属薄膜を堆積させた
面積、ｋは定数である。

【００３２】例えば、初期周波数９ＭＨｚの水晶振動子
を用いると、腐食により金属薄膜が０.５ｎｇ／ｃｍ²質
量の増加を１Ｈｚの感度で測定できる。

【００３３】本測定方法は、基本的に水晶振動子の周波
数をモニタリングするものであるが、データ記録装置を
併設することにより、容易に連続計測が可能となる。

【００３４】さらに、水晶基板に異なる種類の金属を堆
積させた複数個の水晶振動子を用いることにより、その
金属の種類毎の腐食量を連続計測することができる。

【００３５】金属の腐食感受性は、腐食性ガスに対して
それぞれ異なる特性を示す。例えば、ＡｇやＣｕはＨ₂
Ｓガスでは両金属とも容易に腐食するが、ＨＣｌガスの
場合には、Ｃｕに比べてＡｇは腐食しにくいと云う特性
がある。

【００３６】また、Ｆｅは大気中の相対湿度の増加によ
り腐食速度が増大するが、ＡｇやＡｌは相対湿度が増加
しても殆ど腐食速度に変化がない。

【００３７】本発明ではこうした特性を利用して、金属
の腐食量と同時に大気中の腐食性ガスの種類、および、
その濃度を測定する。即ち、複数の金属を堆積した振動
子を大気中に曝露し、各金属の腐食量を前記式〔１〕に
記載の方法で連続計測する。この各金属の腐食変化量の
比を、予め求めた標準データと比較することにより、金
属の腐食量と同時に大気中の腐食性ガス成分の種類と濃
度とが決定できる。

【００３８】さらに本発明の方法では、予め標準データ
を収集しておくことにより、想定していなかった腐食性
ガスの測定も可能となる。

【００３９】また、直接、腐食性物質とは反応しない導
電性薄膜を圧電素子に形成し、大気中の湿分を吸収する
ことにより腐食を加速させる塵埃等の付着物質量や、付
着物質中に吸収した湿分量も計測できる。例えば、Ａｕ
のように大気中で腐食しない金属を堆積させた水晶振動
子を用い、その振動数の変化を計測することにより、金
属に付着した付着物質量や付着物質中に吸収した湿分量
が計測できる。

【００４０】付着物質量の計測方法としては、上記の他
に一対の電極を絶縁基板上に形成したものを用いて計測
することもできる。即ち、電極間に直流電圧または交流
電圧を印加し、塵埃等が付着した場合に直流抵抗または
インピーダンス値が低下する現象を利用して、付着物量
を計測することができる。

【００４１】さらにこの電極として、一方には測定対象
となる金属を用いて電極を形成し、もう一方には測定対
象となる金属よりも耐腐食性に優れた導電性の材料を用
いて電極を形成し、両電極間に生じる電気化学的電位差
により生じた電流値を計測することで、付着物質量を測
定することもできる。

【００４２】上記の電極の組み合わせでは、測定対象と
なる金属Ｍの電極上では〔化１〕で示される金属が腐食
反応に対応する電位（Ｅ_corr）を示し、もう一方の電極
上では〔化２〕で示される大気中の水分により酸素の還
元反応に対応する電位（Ｅ_O2）を示す。

【００４３】

【化１】

【００４４】一般的に、Ｅ_O2＞Ｅ_corrの関係にあるの
で、電極間に塵埃等が付着したときは、付着物質を介し
てこの電位差により電流が生じるので、この電流値を計
測することにより付着物量を計測できる。

【００４５】さらに、上記の測定方法では、この電流値
が測定対象となる金属の腐食電流に相当するために、フ
ァラディの法則により金属の腐食速度も同時に計測でき
る。

【００４６】さらにまた、上記の方法で計測した金属の
腐食量、腐食性ガスの成分、および、その濃度、塵埃等
の付着物質量や付着物質中に吸収された湿分量を演算処
理することで推定し、予め定めた機器の使用限界値デー
タと比較する。それが所定値を超えたときに警報を発す
る警報装置を併設することにより、機器が腐食により誤
作動や停止する前に、機器の修理や交換を行うことが可
能となる。

【００４７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例である
腐食環境監視装置の構成図である。

【００４８】該監視装置は、圧電素子を用いた腐食量計
測部、温度湿度計測部、塵埃等の付着物量計測部からな
る計測系（１，２，４〜９）と、シグナルスキャナ３，
信号変換器１０，周波数カウンタ１１，デジタルマルチ
メータ１２で構成される信号処理系、パーソナルコンピ
ュータ１３とディスプレイ１４で構成される計測データ
処理・記録系を備えている。

【００４９】信号処理系とデータ処理系との間は、ＧＰ
−ＩＢの規格に基づいたデータ転送方法を用いて装置制
御とデータ転送を行った。なお、ここで腐食量計測部以
外の温湿度計測系、および／または、付着物量計測系を
省略すると、簡易な腐食監視装置を構成することもでき
る。

【００５０】次に、上記各部のそれぞれの詳細について
説明する。

【００５１】図２は、図１で用いた腐食量計測部のセン
サの模式構成図である。直径８ｍｍの水晶基板の両面に
直径４.５ｍｍ×厚さ５００ｎｍの金属薄膜を蒸着し、
この金属薄膜に銀分散電導性接着剤でリード線を取り付
けた水晶振動子センサ１を用いた。金属薄膜は両面とも
平面形状は同じものであり、側面端部に互いに反対側よ
り両面の金属薄膜に接続した発振用または検出用のリー
ド線が設けられる。

【００５２】ここでは、圧電素子基板として水晶基板に
アルミニウム，銀，銅，鉄，ニッケルの５種類をスパッ
タリング法により蒸着したものを用いた。しかし、測定
対象機器を構成する金属や、それが置かれている環境に
応じ、圧電基板としてタンタル酸リチウムなどの弾性表
面波デバイスを用いたり、圧電素子基板の数や基板上に
蒸着する金属の種類を任意に選択することで、高精度の
計測が可能になる。

【００５３】図１において、各水晶振動子センサ１を発
振器２で発振させ、その信号をシグナルスキャナ３を介
して周波数カウンタ１１により周波数を連続測定した。

【００５４】一方、白金測温抵抗体温度センサ４を温度
計測器５に、高分子フィルム湿度センサ６を湿度計測器
７に、付着物量計測センサ８を付着物量計測器９にそれ
ぞれ接続し、これらの信号をシグナルスキャナ３を内蔵
した信号変換器１０により各信号を電圧変化に変換し
て、デジタルマルチメータ１２により連続的に測定し
た。

【００５５】この周波数カウンタ１１とデジタルマルチ
メータ１２のデータを、パーソナルコンピュータ１３に
転送，処理してアルミニウム，銀，銅，鉄，ニッケルの
腐食速度，温度，湿度，付着物量，大気中の腐食性ガス
成分の種類とその濃度に関する情報をディスプレイ１４
に表示させた。また、同時にそのデータをパーソナルコ
ンピュータ１３に接続されたハードディスク装置（図示
省略）に記録した。

【００５６】図３は、図１で使用した付着物量計測セン
サ８と付着物量計測器９の一例を示す模式構成図であ
る。

【００５７】絶縁基板１６上に一対の電極１５，１５’
が櫛歯状に形成されており、電極１５，１５’はリード
線取り出しパッド１７，１７’により外部の電圧印加装
置１８と測定装置１９に接続されている。

【００５８】電極１５，１５’間に電圧印加装置１８か
ら直流２５Ｖを印加し、そのときの絶縁抵抗を測定装置
１９により計測し、その抵抗値の変化に基づいて基板上
の付着物量を求めた。測定感度とセンサの寿命は、電極
間への印加電圧により決定した。

【００５９】印加電圧を大きくすると測定感度は向上す
るがセンサの寿命は短くなるので、測定対象機器の構成
金属や、それが置かれている環境に応じて印加電圧を調
整して、測定装置の測定状態を最適化することが望まし
い。

【００６０】上記では電極間に直流電圧を印加したが、
電圧印加装置１８から交流電圧を印加し、測定装置１９
としてインピーダンス測定装置を用い、電極間の抵抗、
インダクタンス、および、静電容量を計測し、これらの
値の変化に基づいて基板上の付着物量を求めることも可
能である。さらに、電極に電圧を印加せずに計測するこ
とも可能である。

【００６１】図４は、図１で使用した付着物量計測セン
サ８と付着物量計測器９の他の例を示す模式構成図であ
る。

【００６２】絶縁基板１６上に一対の電極１５，１５’
が櫛歯状に形成されており、電極１５，１５’はリード
線取り出しパッド１７，１７’により無抵抗電流計２０
に接続されている。

【００６３】ここで電極１５には測定対象となる金属を
用いて電極を形成し、電極１５’として測定対象となる
金属よりも耐腐食性に優れた導電性材料を用い、電極間
に生ずる微小電流を無抵抗電流計２０により計測し、そ
の電流値の変化から上記の付着物量と測定対象金属の腐
食速度を求めた。

【００６４】計測対象を配線材料に銅を用いたプリント
基板の場合は、電極１５を銅で形成し、電極１５’を炭
素で形成することで、基板上に付着した物質量と、銅の
腐食速度を同時に計測することができる。また、電極材
料を測定対象物に合わせて選択することにより、さらに
高精度の計測が可能になる。

【００６５】図５は、ニッケルセンサを用いた場合の単
位時間当たりの周波数変化と大気中のガス濃度との関係
を示すグラフである。

【００６６】この校正線図をセンサとして用いる金属の
数だけ予め準備することにより、センサの周波数変化か
らガス濃度に換算することが可能となる。但し、図５か
ら分かるように同一の周波数変化でも、ガスの種類によ
ってその濃度は異なるので、単独のセンサの周波数変化
のみからはガスの種類とその濃度は特定できない。これ
を解決するために、センサとして用いた金属の各ガスに
対する感受性を解析し、真のガス濃度を求める解析方法
について説明する。

【００６７】図６は、図１に示した大気腐食環境監視装
置におけるデータ解析方法を示すフロー図である。

【００６８】ステップ１：水晶振動子センサの発振周波
数（ｆ），温度（Ｔ），湿度（ＲＨ），付着物量（Ｍ）
をサンプリングし、これを測定開始時の初期値として以
降の演算処理に用いる。

【００６９】ステップ２：一定の時間（ｔ）が経過した
後に、時間ｔ₁経過後の水晶振動子センサの発振周波
数，温度，湿度，付着物量をサンプリングする。

【００７０】ステップ３：時間ｔ₁における値と初期値
とを比較して水晶振動子の周波数変化と付着物量測定値
の変化量を求め、この変化量の関数として水晶振動子基
板上の金属の腐食速度と付着物の堆積速度とを求める式
を定める。

【００７１】ステップ４：腐食速度と付着物の堆積速度
を腐食性ガスや付着物中に含まれる腐食性物質の関数と
して数式化する。

【００７２】ステップ５：予め求めておいた各種金属の
腐食速度，ガス濃度，付着物中に含まれる腐食性物質濃
度の校正曲線に基づき、ステップ４における数式から、
腐食性ガスや付着物中に含まれる腐食性物質の濃度を求
めるための演算処理を実行する。

【００７３】ステップ６：腐食性ガスや付着物中に含ま
れる腐食性物質の濃度を、水晶振動子基板上の金属の腐
食速度や付着物の堆積速度の関数として示す。

【００７４】ステップ７：演算結果を表示し、任意に設
定した時間経過後、上記ステップ２に戻り、再び、測定
データをサンプリングし計測を継続する。

【００７５】上記の測定結果に基づき、腐食量や大気中
に存在する腐食性物質量等が、所定の値以上になった時
に警報を発生させるためには、予め、腐食量や腐食性物
質量等の限界値を入力し、演算結果の値と比較する演算
処理をステップ７からステップ２へのループの間に挿入
し、所定の値を超えた場合に、併設した警報発生手段に
より腐食量や腐食性物質量等が限界値を超えたことを告
知するようにすれば、当該腐食監視装置として機能が向
上する。

【００７６】図７は、センサとして、金，銀，銅の薄膜
を蒸着した水晶振動子を用いたときの周波数の経時変化
を示す。

【００７７】ここでは、センサ間のばらつきを評価する
ために、同じ金属のセンサをそれぞれ二個ずつ用いた。
試験環境においては、銀の周波数変化が最も大きく、次
いで銅が、そして、金の周波数変化は僅かであった。

【００７８】図８は上記測定結果のクローズアップと、
周波数変化から求めた相対湿度の変化、および、硫化水
素，窒素酸化物，オゾンの各ガス濃度の変化を示すグラ
フである。

【００７９】ここでは示していないが、各金属の周波数
変化に基づき前記式〔１〕を用いて、銀と銅の腐食量を
求めることができる。また、センサ間のばらつきも小さ
く、ガス濃度の測定精度にも問題がなかった。

【００８０】上記実施例に示すように、３種類のセンサ
を用いて、銀と銅の腐食量、および、相対湿度と３種類
のガス濃度、合計６種類の金属の大気腐食に関する情報
を同時、かつ、連続的に監視できる監視装置を得ること
ができる。

【００８１】次に、図６のフローチャートに基づき、ガ
ス濃度を予測した結果を示す。ここでは、センサとし
て、銀，銅，コバルト薄膜をスパッタ蒸着した水晶振動
子と湿度センサを用い、酸化硫黄（ＳＯ₂），酸化窒素
（ＮＯ₂），硫化水素（Ｈ₂Ｓ）の各ガス濃度と相対湿度
（ＲＨ）を任意に制御できる大気腐食模擬試験槽中で実
験した結果に基づき解析した。

【００８２】実験としては、各ガス成分の濃度と相対湿
度とを変化させ、その時の水晶振動子の周波数変化と相
対湿度変化とを連続的にモニタリングした。銅，銀，コ
バルトを蒸着した水晶振動子の周波数変化から腐食速度
を算出し、この腐食速度をＳＯ₂，ＮＯ₂，Ｈ₂Ｓの相対
湿度の関数と見なして数式化、多変量解析によりＳ
Ｏ₂，ＮＯ₂，Ｈ₂Ｓの各濃度を、銅，銀，コバルトの腐
食速度と相対湿度の関数として示すための演算処理を実
行した。

【００８３】この結果、ＳＯ₂濃度はコバルトの腐食速
度（ＣＲ_Co）と相対湿度（ＲＨ）の関数として、ＮＯ₂
濃度は銀の腐食速度（ＣＲ_Ag），銅の腐食速度（Ｃ
Ｒ_Cu），コバルトの腐食速度（ＣＲ_Co）の関数として、
Ｈ₂Ｓ濃度は銅とコバルトの腐食速度の関数として示す
ことができた。

【００８４】図２８〜３０に実験中に測定したガス濃度
と、一連の解析により予測したガス濃度の関係を示す。

【００８５】ＮＯ₂濃度の予測値が実測値より若干低い
値を示したのものの、この解析法によりガス濃度が推定
できた。

【００８６】上記実施例に示すように、三種類の水晶振
動子センサと湿度センサを用いて、銀，銅，コバルトの
腐食速度とＳＯ₂、ＮＯ₂、Ｈ₂Ｓの各ガス濃度と相対湿
度、計７種の金属の大気腐食に関する情報を同時、か
つ、連続的に監視できる監視装置を得ることができる。

【００８７】次に、図９は、本発明の他の実施例である
大気腐食環境監視装置の構成図である。

【００８８】該監視装置は、水晶振動子センサ１，発振
器２，周波数カウンタ１１からなる腐食量計測部、温度
センサ４，温度計測器５，信号変換器１０からなる温度
計測部、湿度センサ６，湿度計測器７，信号変換器１０
からなる湿度計測部、付着物量計測センサ８，付着物量
計測器９，信号変換器１０からなる付着物量計測部と、
シグナルスキャナ３，３’、パーソナルコンピュータ１
３、ディスプレイ１４で構成される。

【００８９】このように水晶振動子センサ１のそれぞれ
に発振器２と周波数カウンタ１１を接続すると、一台の
周波数カウンタで複数の信号を処理する場合に比べて、
シグナルスキャナによる計測信号の歪みが防止でき安定
化を図ることができる。温度計測系、湿度計測系、付着
物量計測系においても同様の効果が期待できる。

【００９０】さらに、周波数カウンタ１１の出力信号
と、信号変換器１０の出力信号の転送規格を同一にする
ことにより、一台のシグナルスキャナのみで信号の選択
ができるようになる。

【００９１】水晶振動子センサ１としては、直径１イン
チの水晶基板の片面に金属を直径０.５インチ×厚さ１
μｍ蒸着したものを腐食量センサとして用いた。

【００９２】ここでは、金属としては金，銀，銅，鉄，
ニッケルの５種類を電子ビーム真空蒸着法により蒸着
し、それぞれの水晶振動子センサ１を発振器２で発振さ
せ、その信号を周波数カウンタ１１により周波数を連続
的に測定した。

【００９３】本実施例で、金を蒸着した振動子を用いる
ことにより、大気中からの付着塵埃等の付着物量を、特
に、付着物計測装置を用いずとも計測できる。即ち、金
は通常腐食しないため周波数変化が起こらない筈である
が、振動子上に塵埃等が付着すると、付着物量に応じて
周波数が変化するので、この周波数変化を計測すること
で付着物量を計測することができる。

【００９４】一方、温度は温度センサ４を温度計測器５
に、湿度並びに付着物量はそれぞれのセンサ６，８と対
応する計測器７，９を用いて連続的に測定した。

【００９５】ここでは、金を蒸着した水晶振動子センサ
１と付着物量計測器９とを同時に用いると、付着物量の
計測精度を向上できる。また、付着物量計測器９を省略
しても金を蒸着した水晶振動子センサを用いることで付
着物量も計測できる。

【００９６】次に、計測されたデータをパーソナルコン
ピュータ１３に転送，処理し、銀，銅，鉄，ニッケルの
腐食速度，温湿，付着物量，大気中の腐食性ガス成分の
種類とその濃度に関する情報をディスプレイ１４に表示
させる。同時にそのデータをパーソナルコンピュータに
接続されたハードディスクに記録した。

【００９７】これにより、圧電基板を用いて大気中に存
在する腐食性物質の種類とその濃度、および腐食量を同
時、かつ、連続的に監視することができる。

【００９８】次に、本発明の図１０〜図１３は監視装置
の構成を、また、図１４はその内部構成を示す構成図で
ある。

【００９９】図１０は環境センサを独立させ、センサ自
身は被測定部に設置し、ケーブル等により監視装置に接
続して、センサのアナログ出力をＡ／Ｄ変換しコンピュ
ータなどの処理装置にデータを出力する形態の構成であ
る。具体的には測定現場にセンサを設置する場合や可搬
型のデータ取り込み装置として使用できる。

【０１００】図１１は、図１０の装置を他の装置内部に
組み込む場合の構成で、該処理装置自身を組み込んだ装
置内で独立させて使用する場合と、監視装置としての機
能を実現するために、他の処理装置と部分的に回路を共
有する場合とがある。具体的には、プリント基板上に監
視装置を組み込み、このプリント基板をコンピュータの
Ｉ／Ｏスロットルに装着して使用できる。この時、計測
したデータを接続したコンピュータ側で処理することに
より、データ処理部を共有することもできる。

【０１０１】図１２は、図１０の監視装置において、セ
ンサを監視装置内に設置した場合の構成である。この場
合は、装置の設置されている雰囲気が測定対象となる。

【０１０２】図１３は、図１１の監視装置において、セ
ンサを監視装置内に設置した場合の構成である。この監
視装置がコンピュータ内に組み込まれた場合は、組み込
んだコンピュータ内が測定対象となる。

【０１０３】図１４は、図１０〜図１３に示す監視装置
の内部構成であり、計数回路部、データ処理部、およ
び、外部送信制御部から構成されている。

【０１０４】計数回路部では、受信回路によりセンサの
出力を取り込み、信号選択セレクタにより複数のセンサ
出力から所望のものを選択し、Ａ／Ｄ変換器によりアナ
ログ信号をディジタル信号に変換する。なおこれらの動
作は、周期的に行なわれるものと、データ処理部からの
指示によって実行されるものとが有る。

【０１０５】データ処理部は、計数回路部のデータを一
時的に蓄えておくメモリと、監視装置内部の制御やデー
タ送受信を行なう制御部とから構成され、外部からの指
令情報を解読してデータを送受信したり、計数回路部を
制御する機能を有する。

【０１０６】外部送信制御部は、受信回路部、送信回路
部、および、通信制御部から構成され、コンピュータな
どの処理装置とのデータ送受信を制御する。

【０１０７】図１５は、センサ部、信号変換装置、デー
タ収集装置から構成される監視装置と、環境監視システ
ムを実行するためのコンピュータなどの処理装置（ホス
ト）との間の接続方法を示した図である。

【０１０８】１．専用回線方式では、監視装置とホスト
の間を１：１の専用回線で接続するもので、専用配線の
ほかに電話回線や公衆回線などを利用しての接続方法が
ある。

【０１０９】２．ＬＡＮ方式では、監視装置とホストと
の間をＬＡＮをはじめとするコピューター通信手段を利
用して接続する方式である。

【０１１０】３．無線方式では、監視装置とホストの間
を無線通信手段にて接続する方式で、無線電話回線等の
公衆回線を利用しての接続も含まれる。

【０１１１】４．ＢＵＳ方式では、監視装置とホストの
間を内部ＢＵＳ、内部回路配線などで接続する方式であ
る。ここでは、ホストの回路中に監視装置回路を組み込
み、内部配線で接続することにより、ホストの機能の一
つとして監視装置を組み込む場合も含まれる。

【０１１２】次に、監視装置の具体的な適用方法を示
す。図１６は、被監視対象装置内に装置を配置した場合
の実施例である。

【０１１３】基本形では、被監視対象装置筐体内にデー
タ収集装置として環境監視装置一式を包含し、データを
装置内のメモリに蓄え、装置自身でデータ処理を実行し
て環境に起因する劣化の予知アラームを発生させて、被
監視装置の異常を知らせることができる。さらに、この
アラームによって装置自身の運転をコントロールするこ
とにより、装置の誤動作を未然に防ぐことも可能とな
る。

【０１１４】スタンドアロン形では、被監視対象装置筐
体内に環境監視装置一式を包含し、データを環境監視装
置内のメモリに蓄え、必要なときに外部に情報端末を接
続してこのデータを収集することにより、腐食環境を監
視する。

【０１１５】列盤形では、被監視対象装置筐体内に環境
監視装置一式を包含し、データをオンラインで情報処理
装置に伝送して監視する。さらに、複数の監視装置間を
オンラインで結び、複数の被監視対象データを一つの情
報処理装置で処理することも可能である。

【０１１６】なお、スタンドアロン形や列盤形におい
て、各筐体に実装するのは環境監視装置一式ではなく、
図１４に於けるセンサ部分のみ、センサ部分と計数
回路部、センサ，計数回路およびデータ処理部、セ
ンサ，計数回路，データ処理部および外部送信制御部の
いずれかを設置し、他の部分は外づけ、或いは一括で情
報処理装置に含むことによっても監視可能である。

【０１１７】図１７は、被監視対象装置内に組み込んだ
場合の実施例である。ここでは、環境監視装置はそれ自
身で独立しておらず、被監視装置を構成する装置の一部
分（装置ユニット）として存在している。センサからの
情報は、被監視対象装置内のＭＰＵ，ＭＭ，記録装置で
データを処理し蓄積する。さらに、環境による劣化のア
ラーム発生処理も被監視対象装置の一部分の機能として
実行する。

【０１１８】図１８は、環境監視装置を被監視対象装置
とは独立した形で使用する実施例で、測定器としての使
用が考えられる。図１４に示す機能を一体化、或いは、
幾つかのブロックに分けたユニットとしてこれらを接続
し、測定装置として使用する。

【０１１９】単独の測定装置として使用する場合は、測
定データに基づき直接劣化アラームを発したり、他の装
置を制御したりすることはない。しかし、図１８の監視
装置をコンピュータの外部接続ユニット、或いは、拡張
ボードとしてデータを直接外部信号線や内部ＢＵＳを経
由し、ホストに伝える装置として構成した場合は、デー
タを受けたホストが直接劣化のアラームを発したり、装
置を制御したりすることは可能である。

【０１２０】図１９は被監視装置を設置した室内の環境
監視を行なうシステムの構成図である。

【０１２１】センサ部を制御盤設置室内の各制御盤（Ｄ
１１〜Ｄｎｍ）に分散配置することにより、各筐体毎の
腐食環境状態と、室内全体の腐食環境を監視することが
できる。この時、予め収集した環境劣化の実験データ
と、環境監視システムで得られた実測データを比較補正
することにより、監視室内のｎ時間後の劣化状況を予測
することができる。

【０１２２】図２０は、被監視装置を設置した工場敷地
内のような特定区域内の環境監視を行なうシステムの構
成図である。

【０１２３】センサ部は、各機器の設置場所に分散配置
することにより各機器毎の環境に対する劣化と、監視区
域内に設置されたシステム全体の劣化状況を同時に把握
することができる。この結果、設置されたシステム全体
の保全を計画的に行なうための環境劣化情報がデータと
して収集できる。

【０１２４】図２１は、複数の監視エリアを集中監視す
るためのシステムを示す構成図である。

【０１２５】被監視エリアは、図１９或いは図２０に示
したブロックを単位とし、複数の被監視ブロックのデー
タをＬＡＮやＢＵＳなどの通信手段を経由して集中監視
装置に伝え、システム全体の環境劣化状況を監視して異
常検出を行なう。さらに、得られた情報に基づき、シス
テムの異常発生を予測し、システムの誤動作を未然に防
ぐことも可能となる。

【０１２６】具体的には、大規模な生産設備や処理施設
で制御装置が各所に分散し、なおかつ全体として一つの
システムを形成する様な場合に有効である。

【０１２７】図２２は、複数の監視エリアを無線を用い
て集中監視するためのシステムを示す構成図である。

【０１２８】図２０において、システム間を有線で接続
することが困難、或いは、不経済である監視エリアを無
線で接続し、システム全体を監視することが有効である
場合に採用するシステムである。

【０１２９】具体的には上下水、利水、電力系統など遠
隔地にある制御装置を含む大規模システムで有効に機能
する。ここで無線接続として、無線による電話回線も利
用できる。さらに、データの送信は常時行なわず、必要
時のみ接続することにより、無線リソースの占有を回避
する方法も可能である。

【０１３０】図２３は、データベースを用いた環境監視
・劣化予測システムの構成図である。図２１、２２にお
いて、データの蓄積や解析、データの参照を行なうこと
により、環境劣化の予測を行なうシステムである。デー
タベースには、環境条件と環境に起因する劣化データ、
故障データ、故障が引き起こすシステム障害、故障への
対応方法など予防保全に係わる情報を蓄積し、各システ
ムから時事刻々得られるデータを解析して、システムの
寿命を予測し、予防保全に必要な警告を発する。さら
に、自動的に予防保全処置を実施する制御モードに遷移
する機能を有し、システムの誤動作を未然に防ぐことも
可能となる。

【０１３１】図２４は本発明に係わる腐食環境診断装置
の構成図である。２１は制御・データ保存用のパーソナ
ルコンピュータで、図７，８を表示させるディスプレイ
である。

【０１３２】２２はセンサヘッドで図１，９の複数の圧
電素子と温度センサおよび湿度センサが設けられてい
る。２３はマルチプレクサ、２４はキーボード，２５は
周波数カウンタである。

【０１３３】水晶振動子／発振器をＱＣＭセンサヘッド
として一体化して、安定化した信号をマルチプレクサに
送る方式とした。

【０１３４】さらに、オペアンプなどの回路素子が、温
度変化などにより信号ドリフトするのを補正するため
に、図示していないが、発振器の各チャンネルに電源電
圧の調製用の半固定抵抗器を設けてある。

【０１３５】周波数カウンタは１０ＭＨｚの信号を１Ｈ
ｚ単位で安定に測定しなければならないので、周波数カ
ウンタを組み込んだ。

【０１３６】また、装置制御系とデータ処理系は市販の
ノートパソコンを用いた。制御装置にはＧＰ−ＩＢと汎
用デジタル信号インターフェースを用い、Ｖisuarl Ｂa
sic原語を用いたプログラムにより装置制御・データ処
理プログラムを作成した。

【０１３７】図２５は、腐食劣化自己診断システム装置
の外観を示す模式図であり、各種制御装置、電話交換
機、コンピュータなどの図に示す装置内に、センサヘッ
ドが組み込まれ、図２４と同様の装置によって、装置内
の配線や半導体素子などの腐食による故障を自ら監視し
て、その状況をディスプレイ２６に各種情報を表示する
ことができる。

【０１３８】図２６は、図２４に示す腐食環境診断装置
を工場２７、研究所２９に設け、本部３０、他の工場２
８をＬＡＮで接続し、本部の監視用ワークステーション
を通して監視する腐食環境管理システムを示すものであ
る。各工場および研究所にはモニタ装置が設けられる。

【０１３９】図２７は、同じく図２６に示すモニタ装置
を上下水道処理場、発電プラント、化学プラントおよび
鉄鋼プラントの腐食環境に設置し、本部３０に設けられ
た監視用ワークステーションによって判断され、電話、
ＰＨＳ等により各プラントに対して腐食の状況を監視し
て報告するようにしたものである。

【０１４０】

【発明の効果】本発明によれば、圧電素子を用いて大気
中に存在する腐食性物質の種類とその濃度、および、腐
食環境中の金属の腐食量を同時、かつ、連続的に監視で
きるので、腐食環境における各種機器の、特に、大気腐
食環境に対する監視装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である大気腐食環境監視装置
の構成図である。

【図２】図１で使用した腐食量計測部のセンサの模式構
成図である。

【図３】図１で使用した付着物量計測センサと付着物量
計測器の模式構成図である。

【図４】図１で使用した他の付着物量計測センサと付着
物量計測器の模式構成図である。

【図５】ニッケルセンサの場合の単位時間当りの周波数
変化と大気中のガス濃度との関係を示すグラフである。

【図６】図１の大気腐食環境監視装置におけるデータ解
析方法を示すフロー図である。

【図７】センサとして、金，銀，銅の薄膜を蒸着した水
晶振動子を用いたときの周波数の経時変化を示すグラフ
である。

【図８】センサとして、金，銀，銅の薄膜を蒸着した水
晶振動子を用いたときの測定結果と、周波数変化から求
めた相対湿度の変化、および、硫化水素，窒素酸化物，
オゾンの各ガス濃度の変化を示すグラフである。

【図９】本発明の他の実施例である大気腐食環境監視装
置の構成図である。

【図１０】センサ部の構成を示す構成図である。

【図１１】センサ部の構成を示す他の構成図である。

【図１２】センサ部の構成を示す他の構成図である。

【図１３】センサ部の構成を示す他の構成図である。

【図１４】センサ部の内部構成を示す構成図である。

【図１５】センサ部と情報処理装置との接続方法を示す
構成図である。

【図１６】環境監視システムの基本構成を示す構成図で
ある。

【図１７】環境監視システムの基本構成を示す他の構成
図である。

【図１８】環境監視システムの基本構成を示す他の構成
図である。

【図１９】室内の環境を監視するシステムを示す構成図
である。

【図２０】域内の環境を監視するシステムを示す構成図
である。

【図２１】複数の監視エリアを集中監視するためのシス
テムを示す構成図である。

【図２２】複数の監視エリアを無線を用いて集中監視す
るためのシステムを示す構成図である。

【図２３】データベースを用いた環境監視・劣化予測シ
ステムの構成図である。

【図２４】本発明の腐食環境診断装置の構成図である。

【図２５】本発明の腐食劣化自己診断装置の外観を示す
図である。

【図２６】腐食環境管理システムの構成図である。

【図２７】複数のプラントの腐食環境管理システムの構
成図である。

【図２８】測定したＳＯ₂濃度と解析により予測したＳ
Ｏ₂濃度との関係を示すグラフである。

【図２９】測定したＮＯ₂濃度と解析により予測したＮ
Ｏ₂濃度との関係を示すグラフである。

【図３０】測定したＨ₂Ｓ濃度と解析により予測したＨ₂
Ｓ濃度との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…水晶振動子センサ、２…発振器、３…シグナルスキ
ャナ、４…温度センサ、５…温度計測器、６…湿度セン
サ、７…湿度計測器、８…付着物量計測センサ、９…付
着物量計測器、１０…信号変換器、１１…周波数カウン
タ、１２…デジタルマルチメータ、１３…パーソナルコ
ンピュータ、１４…ディスプレイ、１５…電極、１６…
絶縁基板、１７…リード線取り出しパッド、１８…電圧
印加装置、１９…測定装置、２０…無抵抗電流計、２１
…制御・データ保存用パーソマルコンピュータ、２２…
センサヘッド、２３…マルチプレクサ、２４…キーボー
ド、２５…周波数カウンタ、２６…ディスプレイ、２
７，２８…工場、２９…研究所、３０…本部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 比良 康夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 渡辺 弘 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 北澤 慶司 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 青野 輝行 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 斎藤 裕 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 田切 克典 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 丹治 雅行 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個の圧電素子表面に、該圧電素子毎
   に異なる種類の金属薄膜が形成され、測定環境中に配置
   し、前記金属薄膜を形成した各圧電素子を発振回路によ
   りそれぞれ発振させて、前記各圧電素子から出力される
   周波数の時間的な変化を測定し、該時間的な変化を予め
   求められた前記金属薄膜に対する周波数の時間的な変化
   との関係に基づいて、前記環境中の腐食性物質または腐
   食性ガス種類と濃度および／または前記金属薄膜の腐食
   量を検出するできるよう構成したことを特徴とする腐食
   環境監視装置。
2. 【請求項２】 大気中に配置した複数個の圧電素子の基
   板面に導電性薄膜が形成され、該導電性薄膜面には圧電
   素子毎に異なる種類の金属薄膜が堆積されており、 前記金属薄膜を形成した各圧電素子を発振回路によりそ
   れぞれ発振させ、その大気中の腐食性物質または腐食性
   ガスについてその種類と濃度および／または金属薄膜の
   腐食量を、発振周波数の変化から計測できるよう構成し
   たことを特徴とする腐食環境監視装置。
3. 【請求項３】 測定環境中に温度センサおよび湿度セン
   サの少なくとも一方が配置されている請求項１または２
   に記載の腐食環境監視装置。
4. 【請求項４】 大気中に配置した複数個の圧電素子の基
   板面に導電性薄膜が形成され、該導電性薄膜面には圧電
   素子毎に異なる種類の金属薄膜が堆積されており、 該圧電素子には温度および湿度の計測手段が併設されて
   おり、 前記金属薄膜を形成した各圧電素子を発振回路によりそ
   れぞれ発振させ、その大気中の腐食性物質または腐食性
   ガスについてその種類と濃度および／または前記金属薄
   膜の腐食量を、発振周波数の変化から計測できるよう構
   成したことを特徴とする腐食環境監視装置。
5. 【請求項５】 前記金属薄膜を形成した各圧電素子を発
   振回路によりそれぞれ発振させ、その大気中の腐食性物
   質または腐食性ガスの種類とその濃度および／または前
   記金属薄膜の腐食量を、発振周波数の変化に基づき同
   時、かつ、連続的に計測できるよう構成した請求項１〜
   ４のいずれかに記載の腐食環境監視装置。
6. 【請求項６】 前記圧電素子が、水晶振動子または弾性
   表面波デバイスで構成されている請求項１〜４のいずれ
   かに記載の腐食環境監視装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜４のいずれかに記載の腐食環
   境監視装置において、大気中からの付着物量を計測する
   付着物量計測手段を備えたことを特徴とする腐食環境監
   視装置。
8. 【請求項８】 前記付着物量計測手段が、基板面に腐食
   性物質とは反応しない導電性薄膜が形成された圧電素子
   であって、該圧電素子を発振回路により発振させ、その
   発振周波数の変化に基づき同時、かつ、連続的に付着物
   量を計測する請求項７に記載の腐食環境監視装置。
9. 【請求項９】 前記付着物量計測手段が、絶縁層上に形
   成された一対の電極、該一対の電極間に直流電圧または
   交流電圧の印加手段、前記一対の電極間の直流抵抗また
   はインピーダンス値により付着物量を計測する請求項７
   に記載の腐食環境監視装置。
10. 【請求項１０】 前記付着物量計測手段が、絶縁層上に
    形成された一対の電極を有し、該電極の一方が腐食監視
    対象金属と同じ金属で形成され、もう一方が導電性材料
    で形成されており、両電極間の電気化学的電位差により
    生じる直流値により付着物量を計測する請求項７に記載
    の腐食環境監視装置。
11. 【請求項１１】 前記圧電素子の発振周波数の変化に基
    づき計測された計測結果に基づき大気中の腐食性物質ま
    たは腐食性ガスについてその種類と濃度および／または
    前記金属薄膜の腐食量を、予め入力されたデータに基づ
    き推定する演算処理装置と、該演算処理装置による各演
    算結果を表示する表示装置を備えた請求項１〜４のいず
    れかに記載の腐食環境監視装置。
12. 【請求項１２】 前記演算処理装置による各推定演算値
    が所定の値に到達すると警報を発する警報発生手段を備
    えている請求項１１に記載の腐食環境監視装置。