JP2016206107A - 腐食センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度の向上した分極抵抗法による腐食センサを提供する。
【解決手段】腐食センサ１０は、測定時に水中に浸漬される第一電極１１及び第二電極１２と、第一電極１１と第二電極１２との間に交流電圧又は直流電圧を印加する電源２０と、第一電極１１と第二電極１２との間に流される電流を測定する電流計２１と、電源２０を制御すると共に、電源２０に交流電圧を印加させた際の印加電圧及び電流計２１の測定値と、電源２０に直流電圧を印加させた際の印加電圧及び電流計２１の測定値とに基づいて、腐食反応抵抗を算出する制御装置３０と、を備え、制御装置３０は、正負を反転しながら交流電圧を印加する際に、各電圧印加の間に電圧を印加しない所定の長さの待機時間を設定するように電源２０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却水やボイラ水等を収容する金属製の容器や配管の腐食速度を計測する腐食センサに関する。

従来、ボイラ缶体や冷却塔、これらの配管の腐食状況を測定するための腐食センサが提供されている。腐食センサとしては、様々な方式の腐食センサが提供されているが、下記特許文献１，２には、分極抵抗法を用いた腐食センサが開示されている。

分極抵抗法による腐食センサは、ボイラ水や冷却水等の水に二本の電極を浸し、これら電極間に電圧を印加することで、分極抵抗（腐食反応抵抗、電荷移動抵抗）を測定し、金属製の容器や配管の腐食速度を算出する。

特開２００１−３２４４６５号公報 特開２０１１−２２０７１７号公報

分極抵抗法による腐食センサによれば、容器や配管の腐食速度を定量的に求めることができるが、測定精度の低さが指摘される場合もあった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、測定精度の向上した分極抵抗法による腐食センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る腐食センサは、水を収容する金属製の容器又は配管の腐食速度を分極抵抗法により算出する腐食センサにおいて、測定時に水中に浸漬される第一電極及び第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間に交流電圧又は直流電圧を印加する電源と、前記第一電極と前記第二電極との間に流れる電流を測定する電流計と、前記電源を制御すると共に、前記電源に交流電圧を印加させた際の印加電圧及び前記電流計の測定値と、前記電源に直流電圧を印加させた際の印加電圧及び前記電流計の測定値とに基づいて、腐食反応抵抗を算出する制御装置と、を備え、前記制御装置は、正負を反転しながら交流電圧を印加する際に、各電圧印加の間に電圧を印加しない所定の長さの待機時間を設定するように前記電源を制御することを特徴とする。

本発明に係る腐食センサによれば、精度良く腐食速度を計測することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る腐食センサの構成を概略的に示す模式図である。 図２は、本発明の実施形態に係る分極抵抗法による腐食速度の測定の仕組みを説明するための図である。 図３は、本発明の実施形態に係る分極抵抗法による腐食速度の測定の仕組みを説明するための図である。 図４は、本発明の実施形態に係る電源制御部による電源の制御を示すタイムチャートである。 図５は、本発明の実施形態に係る腐食線による交流測定の測定試験結果を示す図である。 図６は、本発明の実施形態に係る腐食センサの設置状態を概略的に示す模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る腐食センサについて説明する。本実施形態では、クーリングタワー（冷却塔）内の冷却水の水槽容器の腐食速度を測定する場合を例に挙げて説明する。図１は、本実施形態に係る腐食センサの構成を模式的に示す図である。

腐食センサ１０は、分極抵抗法により腐食速度を測定する機器であり、第一電極１１と、第二電極１２と、電源２０と、電流計２１と、電圧計２２と、配線２５と、制御装置３０と、筐体４０とを備えている。

第一電極１１及び第二電極１２は、鉄（Fe）製の電極であり、所定の間隔を空けて設置されている。測定時には、両電極１１，１２は、水中に浸漬される。電源２０は、配線２５を介して第一電極１１及び第二電極１２と接続されており、測定時に、両電極１１，１２間に所定の電圧を印加する。電源２０は、直流電圧と交流電圧を切り換えて印加することができる。

電流計２１は、両電極１１，１２間に流れる電流を計測する機器であり、配線２５によって、電源２０と直列に両電極１１，１２と接続されている。電圧計２２は、両電極１１，１２間の電圧を計測する機器であり、配線２５によって、電源２０と並列に両電極１１，２１と接続されている。

制御装置３０は、電源２０の電圧印加を制御すると共に、電流計２１及び電圧計２２の測定値に基づいて容器の腐食速度を算出する機能を有しており、電源制御部３１と、腐食速度算出部３２と、電源２０、電流計２１及び電圧計２２と接続するための配線３５とを備えている。

筐体４０は、別体の第一筐体４１と第二筐体４２とを有しており、第一筐体４１には、第一電極１１及び第二電極１２が設置され、第二筐体４２には、電源２０、電流計２１、電圧計２２及び制御装置３０が設置されている。測定時には、第一筐体４１を容器内に設置し、第二筐体４２は容器外に設置する。

ここで、分極抵抗法による腐食速度の測定の仕組みについて説明する。図２及び図３は、分極抵抗法による腐食速度の測定の仕組みを説明するための図である。図２（Ａ）は、溶液に浸漬した二つの電極間に電圧を印加した際の電気的な状態を模式的に示しており、図２（Ｂ）は、溶液に浸漬した二つの電極間に電圧を印加した際の電気的な状態の等価回路を示している。

図２（Ａ）に示すように、二つの電極を溶液に浸けて両電極間に電圧を印加すると、金属電極の表面で腐食が進行することにより、電極と溶液との境界（電極の表面）には、腐食反応による抵抗（分極抵抗）と、電気二重層とが並列に形成された状態となる。また、溶液中において両電極間を流れる電流に対して、溶液抵抗が形成される。

したがって、溶液に浸漬した二つの電極間に電圧を印加した際には、溶液中の二つの電極の間に、図２（Ｂ）に示す等価回路が形成されているとみなせる。ここで、溶液抵抗をＲ_Ｓ、腐食反応抵抗をＲ_ＣＴ、電気二重層の容量をＣ_ｄｌとする。腐食反応抵抗（分極抵抗）は、電荷移動抵抗、つまり、腐食速度に比例する値であり、腐食反応抵抗Ｒ_ＣＴを算出すれば、腐食速度を求めることができる。

図３（Ａ）は、図２（Ｂ）に示す等価回路に直流電圧を印加した際の直流電流の流れる様子を示す図であり、図３（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示す等価回路に交流電圧を印加した際の交流電流の流れる様子を示す図である。

図３（Ａ）に示すように、上記等価回路に直流電圧を印加した際には、直流電流は、並列に形成された腐食反応抵抗と電気二重層のうち、腐食反応抵抗の側を流れることになる。よって、直流電圧印加時の等価回路に流れる直流時電流をＩ_１、等価回路の両端における直流時電圧をＶ_１とすると、Ｖ_１／Ｉ_１＝Ｒｓ＋２Ｒ_ＣＴ（式１）が成立する。

図３（Ｂ）に示すように、上記等価回路に交流電圧を印加した際には、電気二重層（コンデンサ）が充電されるまで、交流電流は、並列に形成された腐食反応抵抗と電気二重層のうち、電気二重層の側を流れることになる。よって、交流電圧印加時の等価回路に流れる交流時ピーク電流をＩ_２、等価回路の両端における交流時電圧をＶ_２とすると、Ｖ_２／Ｉ_２＝Ｒ_Ｓ（式２）が成立する。

よって、分極抵抗法においては、溶液に二つの金属電極を浸漬させた状態で、両電極間に直流電圧と交流電圧とをそれぞれ印加し、直流電圧を印加した際の電圧と電流を測定する（直流測定）と共に、交流電圧を印加した際の電圧と電流を測定する（交流測定）ことで、上記式１及び式２に基づいて、腐食反応抵抗Ｒ_ＣＴを算出することができ、腐食速度を得ることができる。

本実施形態においても、腐食速度算出部３２は、直流電圧印加時及び交流電圧印加時の電流計２１及び電圧計２２の測定値から、式１、式２に基づいて腐食速度を算出している。

ここで、分極抵抗法において、交流電圧を印加する際には、正負が反転しながら正負の電圧が交互に印加されるため、前回の電圧印加による電荷が電気二重層に残っている状態で次の電圧印加が行われると、残留電荷の放電に伴う電流が当該電圧印加に伴う電流に加算され、当該電圧印加のみに伴う電流よりも大きめの電流が流れることになる。

このように、残留電荷の放電に伴う電流が加算されると、交流電圧印加時の測定電流Ｉ_２を正確に測定できないおそれがある、といった知見を本発明者らは得た。これでは、式２により求める溶液抵抗Ｒ_Ｓを正確に求められず、腐食速度の算出精度が大きく低下してしまう。このような現象は、電気二重層の容量Ｃ_ｄｌが小さく、溶液抵抗Ｒ_Ｓが小さい場合、つまり時定数の小さい場合に顕著となる。

本実施形態では、このような問題に鑑み、分極抵抗法によって腐食速度を求める腐食センサ１０において、正負を反転しながら交流電圧を印加する際に、各電圧印加の間に電圧を印加しない放電待機時間を設定し、直前の逆向きの電圧印加によって電気二重層に蓄電された電荷が十分に放電されてから、次の交流電圧の印加を行うようにしたことを特徴としている。

ここで、電源制御部３１による電源２０の制御方法について詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る電源制御部の制御による電源の印加電圧を時系列で示すタイムチャートである。図４（Ａ）は、交流電圧を印加して測定を行う交流測定と、直流電圧を印加して測定を行う直流測定の双方を示している。図４（Ｂ）は、交流測定の一部を時間軸方向に拡大して示している。

図４において、横軸が時間を示し、縦軸が印加電圧を示している。本実施形態では、縦軸の印加電圧は、水中において第一電極１１から第二電極１２に電流が流れる方向を正（＋）方向とし、逆方向に流れる方向を負（−）方向としている。なお、図４（Ａ）において、交流測定の部分は、見やすいように時間軸方向に一部拡大して模式的に示している。

図４（Ａ）に示すように、電源制御部３１は、まず、交流測定を行うために、電源２０に交流電圧を発生させた後、電圧を印加しない待機時間を置いてから、直流測定を行うために、電源２０に負方向の直流電圧を発生させると共に、さらに、電圧を印加しない待機時間を置いて、電源２０に正方向の直流電圧を発生させる。本実施形態では、交流測定時間は5秒間、直流測定時間は正負それぞれ40秒間、待機時間は5秒間であるが、各時間は適宜変更可能である。

ここで、交流測定と直流測定とを行う時間帯が大きくずれると、測定対象の冷却水の状態が変化してしまうおそれもあるため、なるべく交流測定と直流測定とを間近に行うのが望ましい。交流測定は、直流測定に比べて短時間で済むため、本実施形態では、交流測定を先に行ってから、直流測定を後に行っている。

続いて、図４（Ｂ）を参照しながら、交流測定の詳細について説明する。交流測定においては、電源制御部３１は、正方向の交流電圧の印加を500μs行ってから、放電待機時間として2,000μs待機し、その後、負方向の交流電圧の印加を500μs行ってから、放電待機時間として2,000μs待機するサイクルを繰り返すように電源２０を制御する。

このように、正負何れかの方向の電圧を印加した後、次の逆方向の電圧の印加までに、電圧を印加しない2,000μsの放電待機時間を設けることで、直前の逆向きの電圧の印加によって電気二重層に蓄電された電荷が略完全に放電されるため、次の電圧印加時の電流測定の際に、蓄電荷の放電による電流が加算されて影響を与えることを防止し、当該電圧の印加によって生じる電流のみを正確に測定することができる。

なお、放電待機時間の長さは適宜変更可能であり、交流電圧の印加によって電気二重層に蓄電された電荷が略完全に放電される時間以上であれば良い。電極の材質や形状、水質の状態等によって蓄電荷が放電されるのに要する時間は異なるため、適宜、状況に応じて必要な長さの放電待機時間を設定すれば良い。

腐食速度算出部３２は、交流測定時の電流計２１のピーク測定値である交流時ピーク電流Ｉ_２と、電圧計２２の測定値である交流時電圧Ｖ_２とを式２に代入して溶液抵抗Ｒ_Ｓを算出し、この溶液抵抗Ｒ_Ｓと、直流測定時の電流計２１の測定値である直流時電流Ｉ_１と、電圧計２２の測定値である直流時電圧Ｖ_１とを式１に代入することで、腐食速度に比例する腐食反応抵抗Ｒ_ＣＴを算出する。

ここで、交流測定においては、腐食速度算出部３２は、各正負の電圧の印加時に、電圧計２２及び電流計２１から交流時電圧Ｖ_２と交流時ピーク電流Ｉ_２とを取得し、これらの平均値を式２に代入する。また、直流測定においては、腐食速度算出部３２は、正方向の直流測定時の測定値と負方向の直流測定時の測定値との平均値を式１に代入する。

以上、腐食センサ１０の構成について詳細に説明したが、続いて、腐食センサ１０による測定試験の結果について説明する。本試験では、交流測定において、上述した放電待機時間を設けた場合と設けない場合とを比較している。図５は、本実施形態に係る腐食センサによる交流測定の測定試験結果を示す図である。図５（Ａ）は、比較例として放電待機時間を設けない場合の測定試験結果を示しており、図５（Ｂ）は、本実施形態に係る腐食センサによる測定試験結果を示している。

なお、本試験では、電圧計２２による測定電圧の代わりに、電源２０による印加電圧を用いている。また、図５において、横軸が時間、縦軸が印加電圧値と測定電流値とを示している。また、図５において後面側に描かれている黒い線が印加電圧を示し、前面側に描かれているグレーの線が測定電流を示している。

図５に示すように、交流電圧として正負の電圧を短時間で交互に印加する場合、正負を切り換えた直後のピーク電流値についてみると、図５（Ｂ）に比べて、図５（Ａ）のほうが大きくなっている。これは、上述したように、交流電圧の正負が切り替わる際に放電待機時間を設けない比較例では、直前の逆方向の電圧印加によって電気二重層に蓄電された電荷が、交流電圧の正負が切り替わった直後に放電されることによる電流が加算されるためである。

これに対して、放電待機時間を設けた本実施形態によれば、図５（Ｂ）に示すように、放電待機時間中に、電極１１，１２の表面に形成された電気二重層に蓄電された電荷が完全に放電されるため、次の逆方向の電圧印加時には、このような放電による電流の影響を受けることなく、電圧印加に伴う電流のみのピーク電流を正確に測定することができる。

続いて、腐食センサ１０の使用態様について説明する。図６は、本実施形態に係る腐食センサの設置状態を概略的に示す模式図である。同図に示すように、本実施形態では、腐食センサ１０は、電極１１，１２が設置された第一筐体４１がクーリングタワー６０の水槽６１内に設置される。クーリングタワー６０には、冷却水ポンプ６５及び熱交換器６６が設置された冷却水配管６４が接続されている。

腐食センサ１０は、水槽６１内に設置された電極１１，１２を介して、冷却水の水質に応じた腐食反応抵抗を測定することで、金属製の水槽６１容器や冷却水配管６４の腐食速度を算出することができる。なお、電極１１，１２の設置位置は、水槽６１内に限らず、冷却水配管６４上など、冷却水に接触する位置であれば、適宜、他の位置に設置しても良い。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本発明の実施の形態は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、腐食センサを構成する各部材の形状やサイズ、素材等は適宜変更可能である。第一電極１１及び第二電極１２の素材は、同種の金属であれば良く、鉄に限らず銅等の金属を採用することができ、腐食をモニタリングしたい金属と同じ素材を用いれば良い。

また、上記実施形態では、電源の印加電圧を電圧計により測定しているが、上記試験と同様に、電源２０の印加電圧の値を用いて腐食速度を算出するようにしても良い。

また、上記実施形態の電源２０、電流計２１及び電圧計２２の代わりに、ポテンショスタットを用いて、電圧の印加、電流の測定、電圧の測定を行うようにしても良い。

１０ 腐食センサ
１１ 第一電極
１２ 第二電極
２０ 電源
２１ 電流計
２２ 電圧計
２５ 配線
３０ 制御装置
３１ 電源制御部
３２ 腐食速度算出部
３５ 配線
４０ 筐体
６０ クーリングタワー

Claims (4)

1. 水を収容する金属製の容器又は配管の腐食速度を分極抵抗法により算出する腐食センサにおいて、
   測定時に水中に浸漬される第一電極及び第二電極と、
   前記第一電極と前記第二電極との間に交流電圧又は直流電圧を印加する電源と、
   前記第一電極と前記第二電極との間に流れる電流を測定する電流計と、
   前記電源を制御すると共に、前記電源に交流電圧を印加させた際の印加電圧及び前記電流計の測定値と、前記電源に直流電圧を印加させた際の印加電圧及び前記電流計の測定値とに基づいて、腐食反応抵抗を算出する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、正負を反転しながら交流電圧を印加する際に、各電圧印加の間に電圧を印加しない所定の長さの待機時間を設定するように前記電源を制御することを特徴とする腐食センサ。
2. 前記待機時間の長さは、直前の逆方向の電圧印加によって、前記第一電極及び前記第二電極の表面に形成される電気二重層に蓄電された電荷が略完全に放電されるのに要する時間以上であることを特徴とする請求項１記載の腐食センサ。
3. 前記電源は、矩形波の交流電圧を印加することを特徴とする請求項１又は２記載の腐食センサ。
4. 前記制御装置は、交流電圧を印加する交流測定を先に行い、直流電圧を印加する直流測定を後に行うことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の腐食センサ。