JP2008298710A - 腐食環境センサおよびセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 構成部材として貴金属を用いることなく簡易かつ安価に製造でき、精度の良い腐食情報を取得できる腐食環境センサおよびセンサシステムを提供する。
【解決手段】 この腐食環境センサ１は、成分、組成、または表面処理状態等の種類の違いによりイオン化傾向が互いに異なる２種類の金属電極６，７を有する。これら２種類の金属電極６，７は、一部が互いに直接に接触して重なった重なり部２ａとされ、残り部分がイオン化傾向の大きい方の金属電極７のみからなる非重なり部２ｂとされ、両金属電極６，７間の電極接触部８が被検出環境下に晒される検出電極組２とされる。この検出電極組２の前記非重なり部２ｂに音波を送信し、上記非重なり部２ｂの接触腐食による欠損部分を通過した音波の強さを検出する音波センサ３を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、風力発電所などの設備内機器の設置場所の環境モニタ、輸送機器などの周囲環境のモニタ、鉄道・船舶などに搭載される輸送用コンテナや車両用台車の設置場所の環境モニタなどに利用される腐食環境センサ、およびその腐食環境センサを用いたセンサシテムに関する。

この種の腐食環境センサの従来例として、金属表面に局部腐食が生じるのに伴い電流が流れることで、局部腐食点の周囲に形成される微小な電位勾配を、測定用電極を走査させて計測するようにしたものがある（特許文献１）。また、検査対象の金属物品と同じ金属材料からなる金属プローブに対して、超音波信号または無線周波数信号を発信し、この発信信号に応答して金属プローブから反射してくる反射信号と、前記発信信号とを比較することにより、金属プローブの腐食形態を検出するようにしたもの（特許文献２）などが知られている。
特公平６−１００５６９号公報 特表２００４−５２２９４８号公報

しかし、上記した構成の腐食環境センサを含めて、従来の腐食環境センサでは、以下に挙げる問題点がある。
・ 電気化学的検査方法を用いるため、腐食形態により誤差が生じやすい。
・ 比較的金属材料を多く用いるため、コスト高となる。
・ イオン化傾向の低い金や銀などの貴金属を構成部材として用いることが多く、コスト高となる。
・ 単純な構造で腐食情報を取得できるものがほとんどない。

この発明の目的は、構成部材として貴金属を用いることなく簡易かつ安価に製造でき、精度のよい腐食情報を取得できる腐食環境センサおよびセンサシステムを提供することである。

この発明の腐食環境センサは、成分、組成、または表面処理状態等の種類の違いによりイオン化傾向が互いに異なる２種類の金属電極を有し、一部が、上記２種類の金属電極が互いに直接に接触して重なった重なり部とされ、残り部分がイオン化傾向の大きい方の金属電極のみからなる非重なり部とされ、両金属電極間の電極接触部が被検出環境下に晒される検出電極組と、この検出電極組の前記非重なり部に音波を送信し上記非重なり部の接触腐食による欠損部分を通過した音波の強さを検出する音波センサを設けたことを特徴とする。
音波センサの送信部から検出電極組の非重なり部に向けて一定強度の音波が発射されるが、検出電極組で腐食が進行していない状態では、発射された音波のほとんどが金属電極により反射され、音波センサの受信部にはほとんど届かない。検出電極組の電極接触部に水分が付着すると、接触腐食によりイオン化傾向の大きい金属電極が溶け出してその表面が腐食し、あるいは金属電極が欠損する。このとき、音波センサの送信部から発射される音波は金属電極の欠損部分を通過して音波センサの受信部に達する。この音波センサの受信部が受信する音波の強度から、検出電極組の電極接触部での腐食の状態を検出する。
この腐食環境センサによると、構成部材としてイオン化傾向が低い金や銀などの貴金属を用いることなく簡易かつ安価に製造でき、精度の良い腐食情報を取得できる。

この発明において、上記２種類の金属電極のうち、少なくとも１種類の金属電極は、この腐食環境センサと同じ場所に保管した仕掛品、半製品、製品、またはこれらを保管している設備で用いられている金属と同じ金属としても良い。
この構成の場合、腐食環境センサの、知りたい周囲環境を正しく反映した検出結果を得ることができる。

この発明において、上記２種類の金属のうち、イオン化傾向が大きい金属電極が２枚以上配置され、その２枚以上のイオン化傾向の大きい金属電極同士のうちで、１枚以上の金属電極が他の金属電極と厚さが異なるものとしても良い。
このように、イオン化傾向の大きい金属電極として厚さの異なる複数枚の金属電極を用いることにより、腐食環境の程度が段階的に検出できて、より詳細な腐食環境の情報を取得することができる。

この発明において、上記２種類の金属電極のうち、イオン化傾向が小さい金属電極が２枚以上配置されていても良い。この構成の場合、１つの検出電極組が複数の非重なり部を有するものとなるので、１つの腐食環境センサで広い範囲にわたって腐食環境の情報を取得することができる。

この発明において、前記音波センサを構成する音波の送信部および受信部を、それぞれ２個以上設けても良い。
一つの検出電極組が複数の非重なり部を有する腐食環境センサの場合、各非重なり部に対して個別の送信部および受信部を設けることにより、より詳細な腐食情報を得ることができる。

この発明において、前記２個以上の送信部、および２個以上の受信部は、それぞれ送信方向および受信方向が角度可変であっても良い。
一つの検出電極組が複数の非重なり部を有する腐食環境センサの場合、各非重なり部に対して個別の送信部および受信部を設けると共に、それらの送信部および受信部の送信方向および受信方向を角度可変とすると、各非重なり部に対して対応する送信部および受信部を検出に最適な送信方向および受信方向に調整できる。そのため、精度の良い腐食検出を行うことができる。

この発明の腐食環境センサシステムは、この発明の上記いずれかの構成の腐食環境センサを備えた腐食環境センサシステムであって、前記受信部で検出した測定値、またはこの測定値を演算して得られた物理量である腐食に関する情報を保存する記憶装置と、この記憶装置に保存した上記腐食に関する情報を読み出し可能とする手段を有することを特徴とする。
この構成によると、腐食環境センサが設置されている場所の環境状態を、高精度で信頼性高く検出でき、検出された腐食環境情報を記憶手段で記録できる。

この発明において、上記記憶装置に記憶された腐食に関する情報を、有線または無線により、この腐食環境センサシステムは別の装置と送受信する情報送受信手段を有するものとしても良い。
この構成によると、製品の段階や、倉庫など輸送・保管の段階での環境を前記腐食環境センサでモニタし、さらに、情報送受信手段の送受信で得られる他の検出装置（温度，湿度）や表示装置からの情報を加味して、このセンサシステムが設置されている場所の環境状態を判定することにより、高精度で信頼性の高い腐食環境検出を行なうことができる。

この発明の腐食環境センサは、成分、組成、または表面処理状態等の種類の違いによりイオン化傾向が互いに異なる２種類の金属電極を有し、一部が、上記２種類の金属電極が互いに直接に接触して重なった重なり部とされ、残り部分がイオン化傾向の大きい方の金属電極のみからなる非重なり部とされ、両金属電極間の電極接触部が被検出環境下に晒される検出電極組と、この検出電極組の前記非重なり部に音波を送信し上記非重なり部の接触腐食による欠損部分を通過した音波の強さを検出する音波センサを設けたため、構成部材として貴金属を用いることなく簡易かつ安価に製造でき、精度の良い腐食情報を取得できる。
この発明の腐食環境センサシステムは、この発明の腐食環境センサを備えた腐食環境センサシステムであって、前記受信部で検出した測定値、またはこの測定値を演算して得られた物理量である腐食に関する情報を保存する記憶装置と、この記憶装置に保存した上記腐食に関する情報を読み出し可能とする手段を有するものとしたため、腐食環境センサが設置されている場所の環境状態を、高精度で信頼性高く検出でき、検出された腐食環境情報を記憶手段で記録できる。

この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１はこの実施形態の概略構成図を示す。この腐食環境センサ１は、成分、組成等の種類が互いに異なる２種類の金属電極６，７の組合せからなる検出電極組２と、送信部９および受信部１０を有する音波センサ３と、この音波センサ３の前記受信部１０で受信される音波の強度から前記検出電極組２における腐食を検出する腐食検出回路４と、この腐食検出回路４の出力を設定情報と比較して腐食の状況を判定する腐食判定回路５とを備える。

図２に断面図で示すように、検出電極組２を構成する２種類の金属電極６，７は互いに直接に接触して、ボルトなどの固定手段１１，１２で固定される。これら２種類の金属電極６，７として、ここでは互いにイオン化傾向の異なる金属が用いられ、いずれも板状とされている。すなわち、例えば第１の種類の金属電極６として鉄が、第２の種類の金属電極７として鉄よりもイオン化傾向の大きい亜鉛が用いられる。第１の種類の金属電極６は、第２の種類の金属電極７の片面の両端部に２つに分けて重ねられ、第２の種類の金属電極７の片面の中央部には第１の種類の金属電極６が重ねられない。つまり、この場合の検出電極組２は、両金属電極６，７が互いに直接に接触して重なった両端位置の重なり部２ａ，２ａと、イオン化傾向の大きい第２の種類の金属電極７のみからなる中央位置の非重なり部２ｂとを有するものとされる。なお、ここで言う種類が互いに異なる金属電極６，７とは、異種の金属だけでなく、同種の金属であっても表面処理状態や不純物添加物などによってイオン化傾向が異なるものも含まれる。このように構成された検出電極組２において、両金属電極６，７間の電極接触部８が被検出環境下に晒される。ボルトなどの固定手段１１，１２による両金属電極６，７の固定箇所の電極間隙間などには、シール材などの防水性材料を配置して、水分の浸入によりその固定箇所に腐食反応が集中するのを防止するのが好ましい。

音波センサ３の送信部９と受信部１０は、それらの送信面と受信面が前記検出電極組２の非重なり部２ｂを挟んで互いに対向するように配置される。腐食検出回路４は、音波センサ３の送信部９から一定強度の音波が発射されるように送信部９を駆動する送信回路１３と、音波センサ３の受信部９を駆動し、受信部９が受信する音波を電気信号に変換して出力する受信回路１４とを有し、受信回路１４で受信される受信音波の強度から前記検出電極組２における電極接触部８での腐食を検出する。

次に、上記腐食環境センサ１の動作を説明する。図３（Ａ）に示すように、音波センサ３の送信部９から検出電極組２の非重なり部２ｂに向けて一定強度I0の音波が発射される。検出電極組２で腐食が進行していない状態では、発射された音波のほとんどが金属電極７により反射され、音波センサ３の受信部１０にはほとんど届かず、受信部１０が受信する音波の強度Ｉは０となる。
検出電極組２の電極接触部９に水分が付着すると、接触腐食によりイオン化傾向の大きい第２の種類の金属電極７が溶け出す。これにより、金属電極７の表面が腐食し、あるいは図３（Ｂ）のように金属電極７が欠損する。このとき、音波センサ３の送信部９から発射される音波は金属電極７の欠損部分を通過して音波センサ３の受信部１０に達する。音波センサ３の受信部１０が受信する音波の強度Ｉ（＝β）は、腐食検出回路４の受信回路１４において電気信号として出力される。すなわち、腐食検出回路４では、受信回路１４の出力を腐食信号として検出する。図４には、腐食検出回路４が検出する受信音波強度Ｉの時間経過に伴う変化をグラフで示している（なお、同グラフにおいて、受信音波強度Ｉは、検出電極組２の音波通過率と考えることができる）。その音波通過率Ｉの変化から、腐食判定回路５（図１）は腐食が発生したと判定する。また，図４のように、音波通過率Ｉが予め設定したしきい値Ｉthを上回ったとき、腐食判定回路５は腐食環境が悪化したと判定する。

この腐食環境センサ１によると、２種類の金属電極６，７のイオン化傾向が互いに異なっていれば良く、それらの金属電極６，７として、特にイオン化傾向が低い金や銀などの貴金属を用いることが不要である。そのため、簡易かつ安価に製造でき、精度の良い腐食情報を取得できる。
この腐食環境センサ１を例えば任意の機械に配置して、機械の周囲の腐食環境をモニタする場合、前記２種類の金属電極６，７のうち、少なくとも１種類の金属電極には、前記機械、この機械を構成する部品、この腐食環境センサ１と同じ場所に保管した仕掛品、半製品、製品、またはこれらを保管している設備のいずれかで用いられている金属を用いるのが望ましい。この場合、腐食環境センサ１の周囲環境を正しく反映した検出結果を得ることができる。

図５は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１の腐食環境センサ１において、音波センサ１の送信部９および受信部１０を自在継手等の角度調整手段１５，１６を介して基台１７に設置することにより、送信部９の送信面および受信部１０の受信面の検出電極組２における非重なり部２ｂに対する角度、つまり送信方向および受信方向の角度を可変としたものである。なお、同図では、腐食検出回路４および腐食判定回路５は省略している。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。

このように、送信部９の送信面および受信部１０の受信面の角度を可変とすると、設置の初期段階において、検出電極組２における非重なり部２ｂを通過する音波の強さが最大になるように送信部９および受信部１０の角度調整を行なうことができるので、高い信号対雑音比が得られ、精度の良い腐食検出を行なうことができる。

図６は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、図１の腐食環境センサ１において、検出電極組２における第２の種類の金属電極（イオン化傾向の大きい金属電極）７を、互いに厚さが異なる複数枚の金属電極７Ａ，７Ｂ，７Ｃに置き換えると共に、これら各金属電極７Ａ，７Ｂ，７Ｃに対応させて複数組の音波センサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃを設けたものである。検出電極組２における第１の種類の金属電極（イオン化傾向の小さい金属電極）６は、前記各金属電極７Ａ，７Ｂ，７Ｃに対して共通に用いられる。

また、音波センサ３Ａの送信部９Ａおよび受信部１０Ａは、それらの送信面および受信面が金属電極７Ａの中央位置（非重なり部）２ｂＡを挟んで対向するように配置される。音波センサ３Ｂの送信部９Ｂおよび受信部１０Ｂは、それらの送信面および受信面が金属電極７Ｂの中央位置（非重なり部）２ｂＢを挟んで対向するように配置される。音波センサ３Ｃの送信部９Ｃおよび受信部１０Ｃは、それらの送信面および受信面が金属電極７Ｃの中央位置（非重なり部）２ｂＣを挟んで対向するように配置される。これら各音波センサ３Ａ，３Ｂ，３Ｃに対して、個別に腐食検出回路４Ａ，４Ｂ，４Ｃが設けられ、これら各腐食検出回路４Ａ，４Ｂ，４Ｃの検出信号から腐食状況を判定する１つの腐食判定回路５が設けられている。その他の構成は、図１の実施形態の場合と同様である。

このように、イオン化傾向の大きい金属電極として厚さの異なる複数枚の金属電極７Ａ，７Ｂ，７Ｃを用いることにより、より詳細な腐食環境の情報を取得することができる。 この実施形態において、各音波センサ３Ａ〜３Ｃの送信部９Ａ〜９Ｃおよび受信部１０Ａ〜１０Ｃは、図５に示した実施形態の場合のように、角度調整手段１５，１６でそれぞれ送信方向および受信方向を角度調整できるようにするのが望ましい。このように、角度調整可能とすると、各音波センサ３Ａ〜３の送信方向および受信方向が検出電極組２における対応する非重なり部２ｂＡ〜２ｂＣに合うように調整でき、より正確な腐食検出が可能となる。

図７は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、図１の腐食環境センサ１において、イオン化傾向の小さい金属電極（第１の種類の金属電極）６を、イオン化傾向の大きい金属電極（第２の種類の金属電極）７に対して、その長手方向に２枚以上配置することで、検出電極組２に複数の非重なり部２ｂを設けると共に、これら各非重なり部２ｂに対応させて複数組の音波センサ３Ａ，３Ｂ…３Ｆを設けたものである。これら各音波センサ３Ａ，３Ｂ…３Ｆに対して、個別に腐食検出回路４Ａ，４Ｂ…４Ｆが設けられ、これら各腐食検出回路４Ａ，４Ｂ…４Ｆの検出信号から腐食状況を判定する１つの腐食判定回路５が設けられている。図示しないが、この場合も、各音波センサ３Ａ〜３Ｆの送信部９Ａ〜９Ｆおよび受信部１０Ａ〜１０Ｆは、図５に示した実施形態の場合のように、角度調整手段１５，１６でそれぞれ送信方向および受信方向を角度調整できるようにするのが望ましい。その他の構成は、図１の実施形態の場合と同様である。

このように、検出電極組２の非重なり部２ｂを多数設けることにより、１つの腐食環境センサ１で広い範囲にわたって腐食環境の情報を段階的に取得することができる。

図８には、図１の実施形態の腐食環境センサ１を用いたセンサシステムの一構成例を示している。このセンサシステムでは、腐食環境センサ１の構成部品である腐食判定回路５が、演算手段１８、記憶装置１９、送受信回路２０，電源回路２１を備え、演算手段１８は腐食判定回路５の本来の機能と、図１の実施形態における腐食検出回路４の機能を担う。腐食判定回路５は、記憶装置１９に予め記録された信号パターンにより、音波センサ３の送信部９に一定の電流を流し、検出電極組２の非重なり部２ｂに向け発射する音波の強度を一定にする。音波センサ３の受信部１０の出力を受けて、演算手段１８が上記した腐食検出・判定の処理を行う。受信部１０の出力や、演算手段１８で演算された物理量または判定結果は、記憶装置１９に保存される。また、得られた情報は送受信手段２２により監視システムなどへ送信される。なお、電源回路２１は、腐食判定回路５の外部に設けても良いし、内部にバッテリなどの電源を設けても良い。音波センサ３における送信部９および受信部１０の検出電極組２に対する角度は、電気的な制御で可変調整できる構成としても良い。

このセンサシステムでは、製品の段階や、倉庫など輸送・保管の段階での環境をモニタできると共に、送受信手段２２で得られる他の検出装置（温度，湿度）や表示装置からの情報を加味して、このセンサシステムが設置されている場所の環境状態を判定することにより、高精度で信頼性の高い腐食環境検出を行うことができる。

図９には、センサシステムの他の構成例を示している。このセンサシステムでは、図８の腐食判定回路５において、演算手段１８および記憶装置１９を省略した構成の回路ユニット５１を音波センサ３の送信部９に接続すると共に、同様の構成の別の回路ユニット５２を音波センサ３の受信部１０に接続したものである。送信部９に接続された回路ユニット５１では、遠隔の監視システムなどから送信されてくる指令を送受信手段２２で受信し、送信部９を駆動する。受信部１０に接続された回路ユニット５２では、受信部１０の出力である受信音波の強度情報を、送受信手段２２から前記監視システムに送信する。このシステムでは、回路ユニット５２から送信されてくる受信音波強度の情報に基づき、センサシステムが設置されている場所の腐食環境状態を前記監視システムで判定することになる。

図１０は、図８のセンサシステムと外部との間でのデータ転送構成の一例を示す。このデータ転送構成例は無線で送受信する例であり、腐食判定回路５で扱われたデータは送受信手段２２から例えば電波２３により送受信端末２４に送信され、また、電波２３により送信された送受信端末２４のデータが送受信手段２２で受信される。
図１１は、図８のセンサシステムと外部との間でのデータ転送構成の他の例を示す。このデータ転送構成例は有線で送受信する例であり、腐食判定回路５で扱われたデータは有線２５および通信網２６を経て送受信端末２４に送信され、また送受信端末２４より送信されたデータが有線２５および通信網２６を経て送受信手段２２で受信される。

図１０や図１１のようなデータ転送構成で前記センサシステムと送受信端末２４とを接続することにより、風力発電所などの設備内機器の設置場所に対する環境検出モニタ、輸送機器などの周囲環境モニタ、鉄道・船舶などの輸送用コンテナや輸送車両用荷台などの設置場所に対する環境モニタなどのように、遠隔地に設定された測定対象や移動手段を備えている測定対象に対しても、容易にデータ収集が可能となる。
また、内部電源（例えばバッテリ）や無線送受信装置（例えば無線タグ装置）を備えることにより、風力発電所などの設備内機器のように、有線での接続が困難な移動部を備えている製品や部品に対しても、データ収集が可能となる。

この発明の一実施形態に係る腐食環境センサの斜視図とその回路系のブロック図とを組み合わせて示す構成説明図である。 同腐食センサにおける検出電極組の断面図である。 同腐食環境センサの動作説明図である。 同腐食環境センサにおける腐食検出回路が検出する音波通過率の経時変化を示すグラフである。 この発明の他の実施形態に係る腐食環境センサの概略構成図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る腐食環境センサの概略構成図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る腐食環境センサの概略構成図である。 図１の腐食環境センサを用いたセンサシステムの一例を示す概略構成図である。 図１の腐食環境センサを用いたセンサシステムの他の例を示す概略構成図である。 図８のセンサシステムと外部との間でのデータ転送の一例の構成説明図である。 図８のセンサシステムと外部との間でのデータ転送の他の例の構成説明図である。

符号の説明

１…腐食環境センサ
２…検出電極組
２ａ…重なり部
２ｂ，２ｂＡ〜２ｂＣ…非重なり部
３，３Ａ〜３Ｆ…音波センサ
４，４Ａ〜４Ｆ…腐食検出回路
５…腐食判定回路
６，７，７Ａ〜７Ｃ…金属電極
８，８Ａ〜８Ｃ…電極接触部
９，９Ａ〜９Ｆ…送信部
１０，１０Ａ〜１０Ｆ…受信部
１５，１６…角度調整手段
１９…記憶装置
２２…送受信手段

Claims (8)

1. 成分、組成、または表面処理状態等の種類の違いによりイオン化傾向が互いに異なる２種類の金属電極を有し、一部が、上記２種類の金属電極が互いに直接に接触して重なった重なり部とされ、残り部分がイオン化傾向の大きい方の金属電極のみからなる非重なり部とされ、両金属電極間の電極接触部が被検出環境下に晒される検出電極組と、この検出電極組の前記非重なり部に音波を送信し上記非重なり部の接触腐食による欠損部分を通過した音波の強さを検出する音波センサを設けたことを特徴とする腐食環境センサ。
2. 請求項１に記載した腐食環境センサにおいて、上記２種類の金属電極のうち、少なくとも１種類の金属電極は、この腐食環境センサと同じ場所に保管した仕掛品、半製品、製品、またはこれらを保管している設備で用いられている金属と同じ金属であることを特徴とする腐食環境センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載した腐食環境センンサにおいて、上記２種類の金属のうち、イオン化傾向が大きい金属電極が２枚以上配置され、その２枚以上のイオン化傾向の大きい金属電極同士のうちで、１枚以上の金属電極が他の金属電極と厚さが異なることを特徴とする腐食環境センサ。
4. 請求項１または請求項２に記載した環境腐食センサにおいて、上記２種類の金属電極のうち、イオン化傾向が小さい金属電極が２枚以上配置されていることを特徴とした腐食環境センサ。
5. 請求項１または請求項２に記載した腐食環境センサにおいて、前記音波センサを構成する音波の送信部および受信部を、それぞれ２個以上設けたことを特徴とする腐食環境センサ。
6. 請求項５に記載した腐食環境センサにおいて、前記２個以上の送信部、および２個以上の受信部は、それぞれ送信方向および受信方向が角度可変である腐食環境センサ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の腐食環境センサを備えた腐食環境センサシステムであって、前記受信部で検出した測定値、またはこの測定値を演算して得られた物理量である腐食に関する情報を保存する記憶装置と、この記憶装置に保存した上記腐食に関する情報を読み出し可能とする手段を有することをと特徴とする腐食環境センサシステム。
8. 請求項７に記載の腐食環境センサシステムであって、上記記憶装置に記憶された腐食に関する情報を、有線または無線により、この腐食環境センサシステムは別の装置と送受信する情報送受信手段を有することを特徴とする腐食環境センサシステム。

Images