JP2009300244A

JP2009300244A - 腐食センサ

Info

Publication number: JP2009300244A
Application number: JP2008154867A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Miyaji; 宣夫宮地
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】消費電力が少なく温度、密度、粘度の影響を受けないで腐食度を測定することが可能な腐食度センサを提供する。
【解決手段】非腐食性第１弾性体の一端に固定された腐食チップと、非腐食性第２弾性体の一端に固定された非腐食チップと、前記第１，第２弾性体を介して前記腐食性チップ及び非腐食性チップをそれぞれ共振させる自励発振回路と、前記腐食性チップ及び非腐食性チップからの共振周波数をカウントする周波数カウンタと周波数の２乗の比を演算する演算部を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造部材の腐食を検出する腐食センサに関し、腐食性部材と、非腐食部材を共振させ、これらの部材の共振周波数の差をもとに測定対象の部材の腐食度を推定する腐食センサに関するものである。

従来、腐食センサは腐食減量を電気抵抗の増加で測定するもの、電気化学電位を測定するものが知られている。腐食減量法は電気抵抗を測定するものであるが、形状変化に対応した電気抵抗を測定するので電圧が腐食化学反応に影響する可能性があった。

また、高感度電気抵抗法は環境の腐食性を腐食速度としてモニタリングでき、かつ感度と応答性に優れることから、現場検証試験などで用いられている。
また、化学電位による腐食センサも知られているが、この腐食センサはＣＬ^-などその環境に存在するイオンに影響されるので正確に腐食が起きるか予測できない。たとえば、ＣＬ^-が存在すると、不動態域で孔食が起こり、鉄に孔があく。電位−ｐＨ図は、実際の環境で起る現象の全てを予測する事は出来ない。

図２は腐食により変化する共振周波数を検出して測定部材の腐食度を測定する腐食センサの従来例を示すものである。
この腐食センサは円板形状の測定試料１１と、その測定試料１１の周縁を固定する剛性のある筒状の支持体１２と、支持体１２の端部を固定して装着する振動子１３と、測定試料１１、支持体１２及び振動子１３で囲われた密閉空間で測定試料の真裏またはその近辺に設置された物理量センサ１４とから構成されている。

上記の構成において、まず外部からの信号により振動子１３を振動させ、その振動を支持体１２を介して測定試料１１の表面に直角方向に伝搬し、その測定試料１１の中央部の振動時の振幅を物理量センサ１４が測定する。
ここで物理量センサ１４は、接触または非接触で測定試料１１の歪、変位、または電気容量などを測定し、測定値は電気信号に変換されて外部に取り出される。

図３はこのような腐食センサの構成図である。
図において腐食センサ１は図２に示すもので、この腐食センサ１の測定試料１１は振動子駆動回路２により駆動される振動子１３の振動に応じて支持体１２を介して振動し、測定試料１１の中央部の振動は物理量センサ１４により測定される。測定された振動データはコンピュータ３に入力されて演算処理される。

そして、振動子駆動回路２により腐食センサ１に振動数が高→低または低→高と変動する振動を掃引するとき、腐食センサ１は、その各次数の共振振動数に達したときに共振する。
図４（ａ，ｂ）は腐食センサ１における測定試料１１の振動特性を示すもので、横軸に測定試料に与えられた振動の振動数を示し、縦軸にはその振動数に対する測定試料１１の振幅を示している。

そして、実線の曲線は測定試料が腐食などにより質量変化した場合の振動特性を示し、鎖線の曲線は測定試料が初期の新しい状態にある場合の振動特性を示している。これらの図に示すように、共振振動数において測定試料１１の振幅はピークに達する。測定時コンピュータ３には各振動数での腐食センサ１に設置された物理量センサ１４より測定試料１１の振幅に対応した物理量が、更に振動子駆動回路２から起振力の振動数が入力され、物理量のピークに対応する振動数が共振振動数と判断される。

次に、測定試料１１の質量が腐食生成物析出物又は付着物により見かけ上増加した場合、図４（ａ）に示すように損傷を受けた測定試料の各次数での共振振動数Ｐ０’，Ｐ１’等は、初期における質量変化がないときの共振周波数Ｐ０，Ｐ１などに比べ高振動数側にシフトする。また、測定試料の質量が溶出、溶解により減少した場合図４（ｂ）に示すように損傷を受けた測定試料の各次数での共振振動数Ｐ０’’，Ｐ１’’等は、初期における質量変化がないときの共振周波数Ｐ０，Ｐ１などに比べ低振動数側にシフトする。

従って、コンピュータ３内で測定試料１１の初期における共振周波数と測定環境において質量変化を生じた後での共振周波数の差を求め、その値に対応する測定試料の算出し、腐食損傷の定量化を随時行うことができる。そして、各次数の共振振動数の内で最低時の共振振動では測定試料の振幅のピークが他の高次の振幅のピークに比べもっとも大きく、振幅のピークを検出することができる。

特開平３−１８３９４６号公報

ところで、上述の従来例においては、次のような課題があった。
周波数を掃引して振幅が最大になる周波数、または発振回路の励振信号と振動体の振動信号との位相差がπ／２になる時にその周波数を共振周波数として見つけているので、その間駆動回路での電力を消費するとともに所定の時間を要する。
また、振動が温度、粘度、密度により影響を受けるのでその補正が必要である。

従って本発明は、消費電力が少なく温度、密度、粘度の影響を受けないで腐食度を測定することが可能な腐食度センサを提供することを目的としている。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明においては、
非腐食性第１弾性体の一端に固定された腐食チップと、非腐食性第２弾性体の一端に固定された非腐食チップと、前記第１，第２弾性体を介して前記腐食性チップ及び非腐食性チップをそれぞれ共振させる自励発振回路と、前記腐食性チップ及び非腐食性チップからの共振周波数をカウントする周波数カウンタと、前記２つの共振周波数の２乗の比を演算する演算部を備えたことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載の腐食センサにおいて、
前記腐食性チップと非腐食性チップは初期段階においては同一周波数で共振するように形成されたことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１に記載の腐食センサにおいて、
前記第１，第２弾性体は不錆鋼若しくは金メッキを含む不錆処理が施されたことを特徴とする。

請求項４においては、請求項１に記載の腐食センサにおいて、
前記腐食性チップと非腐食性チップは腐食度を測定すべき構造物が配置された環境中に近接して配置され、前記腐食性チップは腐食度を測定すべき部材と同一部材で形成されたことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１によれば、非腐食性第１弾性体の一端に固定された腐食チップと、非腐食性第２弾性体の一端に固定された非腐食チップと、前記第１，第２弾性体を介して前記腐食性チップ及び非腐食性チップをそれぞれ共振させる自励発振回路と、前記腐食性チップ及び非腐食性チップからの共振周波数をカウントする周波数カウンタと、前記２つの共振周波数の２乗の比を演算する演算部を備えているので、消費電力が少なく温度、密度、粘度の影響を受けないで腐食性チップの腐食度を測定することができる。

請求項２によれば、腐食性チップと非腐食性チップは初期段階においては同一周波数で共振するように形成されているので、腐食の状況を連続して容易に観察することができる。

請求項３によれば、第１，第２弾性体は不錆鋼若しくは金メッキを含む不錆処理が施されているので、ノイズがなく信頼性の高い腐食センサを得ることができる。
また、請求項４によれば、腐食性チップと非腐食性チップは腐食度を測定すべき構造物が配置された環境中に近接して配置され、前記腐食性チップは腐食度を測定すべき部材と同一部材で形成されているので、信頼性の高い構造物の腐食監視が可能となる。

図１は本発明の腐食センサの実施形態の一例を示すブロック構成図である。
図１において、２１は腐食性チップであり、腐食度を測定すべき部材と同じ材質で形成されている。２２はリファレンスとして機能する非腐食性（耐食）チップである。

これらのチップの寸法は例えば縦横の寸法が１０×２０ｍｍ、厚み５ｍｍ程度とし、長さ５０ｍｍ、直径３ｍｍ程度の腐食しないバネ（以下単にバネという）２２ａ，２２ｂの一端に固定されている。２４ａ，２４ｂは固定部材であり、例えば直径１０ｍｍ、長さ１０ｍｍに形成され、その一端にバネ２２ａ，２２ｂの他端が気密に固定されている。

２５ａ，２５ｂは圧電素子やコイルなどで構成された公知の自励発振回路で、その出力はバネ２２ａ，２２ｂを介して腐食性チップ２１および非腐食性チップ２２に伝達され、これらのチップを共振周波数により共振させる。

２６は周波数カウンタ２７を含むＣＰＵで、腐食性チップ２１および非腐食性チップ２２の共振周波数を入力し２つの共振周波数の２乗の比を演算する。図１に示すように、固定部材２４（ａ，ｂ）は例えば一点鎖線Ａで示す壁面にその外周が気密に固定され、バネ２３ａ，２３ｂを含む腐食性チップ２１、非腐食性チップ２２を腐食度を測定すべき構造物が配置された環境中（例えば液体中）に近接して配置されている。

上述の構成において、腐食性チップと非腐食性チップ（リファレンス）の形状は等しく質量Ｍｃと質量Ｍｒも等しいものとし、同材質、同形状に形成された腐食しないバネ２３ａ，２３ｂのバネ定数をＫとすると、
非腐食性チップ（リファレンス）の周波数ｆは以下の式で表すことができる。
ｆｒ＝１／２π・（Ｋ／Ｍｒ）^1/2
また、腐食性チップの周波数ｆｃは以下の式となる。
ｆｃ＝１／２π・（Ｋ／Ｍｃ）^1/2

従って、（ｆｒ／ｆｃ）²＝Ｍｃ／Ｍｒとなる。
腐食が進行する前は（ｆｒ／ｆｃ）²は１に等しい。
腐食が進行するとＭｃが減量するので腐食度合いを知ることが出来る。
腐食速度はｄ[（ｆｒ／ｆｃ）²]／ｄｔで計算することができる。

ｆｃ＝１／２π・（Ｋ／Ｍｃ）^1/2だけでもＭｃの減少から計測できるが、流体の粘性や温度などの影響で有効バネ定数Ｋが変化してしまうので、ｆｃの変化となる（ｆｒ／ｆｃ）²にすることにより質量減量が無次元化されて誤差が小さくなり、温度や粘度の影響が少なくなる。

上記の構成によれば、
（１）腐食電位によらず実際の腐食量となる質量減少を電気機械的共振回路の振動数の変化として検出する腐食センサで、あって、
（２）腐食による質量減量を連続的に計測することができ、
（３）腐食する振動子と腐食しないリファレンス振動子の周波数比率演算をすることで腐食減量と腐食速度を出力する腐食センサを実現することができる。

公知文献、配管技術８０８６防食インヒビターの記事によれば、オイル精製プロセスの蒸留塔の腐食速度は０．０１ｍｍ／年程度とされている。例えばこれより腐食速度が１０倍速いとしても腐食速度は０．１ｍｍ／年程度である。従って、腐食性チップの厚さは５ｍｍ程度あれば耐食センサとして十分に機能する。

（ｆｒ／ｆｃ）²＝Ｍｃ／Ｍｒとして周波数の変化分を見ると、
Δ（ｆｃ／ｆｃ）²＝Δ（Ｍｃ／Ｍｃ）なので、周波数で０．０１％（１／１０００）の分解能があれば０．０２％の腐食チップの腐食度の検出ができる。
即ち腐食チップの厚さを５ｍｍとすれば、５ｍｍ×０．０００２＝０．００１ｍｍの変化（腐食）を検出することができる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。実施例では腐食性／非腐食性チップの形状を長方形としたが図示の例に限るものではない。また、バネの形状は丸棒であってもよく、要は固有振動数で共振する形状と材質であればよい。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の腐食センサの実施形態の一例を示す構成図である。従来の腐食センサの構成図である。従来の腐食センサの構成図である。従来の腐食センサにおける測定試料の振動特性を示す図である。

符号の説明

１腐食センサ
２振動子駆動回路
３コンピュータ
１１測定試料
１２支持体
１３振動子
１４物理量センサ
２１腐食性チップ
２２非腐食性チップ
２３バネ
２４固定部材
２５自励発振回路
２６ＣＰＵ
２７周波数カウンタ

Claims

非腐食性第１弾性体の一端に固定された腐食チップと、非腐食性第２弾性体の一端に固定された非腐食チップと、前記第１，第２弾性体を介して前記腐食性チップ及び非腐食性チップをそれぞれ共振させる自励発振回路と、前記腐食性チップ及び非腐食性チップからの共振周波数をカウントする周波数カウンタと、前記２つの共振周波数の２乗の比を演算する演算部を備えたことを特徴とする腐食センサ。
前記腐食性チップと非腐食性チップは初期段階においては同一周波数で共振するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の腐食センサ。
前記第１，第２弾性体は不錆鋼若しくは金メッキを含む不錆処理が施されたことを特徴とする請求項１に記載の腐食センサ。
前記腐食性チップと非腐食性チップは腐食度を測定すべき構造物が配置された環境中に近接して配置され、前記腐食性チップは腐食度を測定すべき部材と同一部材で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の腐食センサ。