JPS6157849A - デジタル・フーリエ積分法による金属の腐食測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、デジタル・フーリエ積分法による金属の腐
食測定方法及びその装置に関する。

周知のように、多くの金属は、その金属の置１　　　　
かれた環境に応じた速度で腐食し、その進行にともなっ
て消耗する。このため、金属で作られた製品は、経時的
に性能が低下し、そのま壕にしておくと、ついには使用
不能となってし捷うものである。そこで、金属の腐食速
度を容易にしかも迅速かつ正確に測定する技術の開発が
強く要望されることになる。

一般に、金属の腐食速度を電気化学的に測定する手段と
しては、従来より直流法と交流法とが用いられている。

このうち、直流法は、測定対象となる金属が電気分解さ
れるため、実際の腐食速度を求めることが困難であると
ともに、工業技術として採用するにあたっても、設置。

保守及び測定の連続性等に難点があるものである。

一方、交流法は、その代表的なものとして交流インピー
ダンス法があり、これは例えば「新版電気化学便覧、電
気化学協会編、昭和３９年１２月２５日丸善発行、２１
・２・２；交流試験法の欄」及び「電気化学１１１１吉
沢四部編、昭和４９年１０月２５日共立出版発行、４・
２・Ｄ；交流重畳下での電極反応の解析の楠」等に示さ
れるように広く使用されており、金属の交流インピーダ
ンスを腐食溶液−金属系の電気的等価回路により解釈す
る試みがたされている。

すなわち、第１図は、腐食溶液中における金属腐食系の
電気的等価回路を示すものである。

そして、図中（Ｒｓｏｌ、）は、腐食溶液の電気抵抗（
以下溶液抵抗と、いう）であｆ）　、（Ｒｃｏｒ）は金
属の腐食反応速度に関係する腐食抵抗である。また、金
属と溶液との界面では電荷が分離し、これが静電容量と
等価であるため、電気二重層容量と称されており、これ
を（Ｃａｒ）で表わしている。

そして、金属の腐食速度（金属の腐食による溶解速度）
　（Ｖｃｏｒ）ｉ４ｓ Ｖｃｏｒ＝　　　　　　　（Ｋ’定数）Ｒｃｏｒ で求めることができる。なお、定数（Ｋ）は、理論的ま
たは笑験的に求めることが可能なものである。

ところで、従来の交流インピーダンス法による金属の腐
食測定は、腐食速度を測定しようとする金属とこの金属
に対向設置される電極（例えば白金等で構成される）と
を腐食溶液（電解質溶液）中に浸漬して腐食測定系を構
成し、該金属と電極との間に、高い周波数（例えば１０
［ｋＨｚ　〕程度）の交流電圧と低い周波数（例えば１
０　（ｍＨ２）程度で５〜１０〔ｍｖ〕）の交流電圧を
それぞれ印加する。そして、上記腐食測定系を流れる電
流を電圧に変換し、上記交流電圧の各周波数でのインピ
ーダンスを求めることにより、高い周波数の交流電圧印
加時に溶液抵抗（Ｒｓｏｌバ低い周波数の交流電圧印加
時に溶液抵抗（Ｒｓｏｌ）と腐食抵抗（Ｒｅｏｒ）との
和（Ｒ８（ＩＩ　＋Ｒｅ　ｏ　ｒ）が、それぞれ測定で
きるものとして、両者の差から腐食抵抗（Ｒｅ　ｏ　ｒ
　）を求めるようにしている。

しかし表から、上記のような従来の腐食測定手段は、次
のような問題を有している。すなわち、通常、腐食して
いる金属の電気二重層容量（Ｃｄ１．）は例えば数１０
〔μル偏２〕とかなり大きく、このため、１０　（ｋＨ
ｚ　）程度の高い周波数の交流電圧印加時に求められる
溶液抵抗（Ｒｓｏｌ）の値６一 は正確なものとみなすことができる。ところが、１０　
（ｍ：Ｈｚ　］程度の低い周波数の交流電圧印加時には
、求められたインピーダンス値を、溶液抵抗（Ｒｓｏｌ
）と腐食抵抗（Ｒｃｏｒ）との和（Ｒｓｏ　ｌ＋Ｒｃｏ
　ｒ）とみなすことができず、腐食抵抗（Ｒｃｏｒ）Ｏ
測定が困難になるものである。

また、仮りに１０　〔ｍＴ（ｚ　）の交流電圧で測定で
きたとしても、誤差を小さくするために、該交流電圧の
５周期分程度の測定が必要であり、この場合、１回の測
定に約５分以上の時間を要することになる。特に、１〔
ｍＨ２〕の交流電圧印加時には、約５０分以上の時間が
必要となる。

さらに、金属腐食系の変化が激しい場合には、十分な測
定精度を得ることができず、また、１０〔」２〕以下の
周波数で５〜１０　［：　ｍＶ　：］の正弦波交流電圧
を発生する発振器として、簡易な構成で安価なものが彦
いという問題も生じている。

その上、金属の状態によっては、金属と電極との間に印
加する交流電圧レベルよりも大きな電位差（例えば０．
１〜数〔Ｖ〕）が発生してしまい、測定不能になること
もある。

この発明は上記事情を考慮してなされたもので、腐食抵
抗を迅速かつ正確に測定することができ、ひいては腐食
速度を容易に測定し得るようにするとともに、従来測定
することができ々かった電気二重層容量をも測定し得る
極めて良好なデジタル・フーリエ積分法による金属の腐
食測定法及びその装置を提供することを目的とする。

以下、この発明の一実施例を説明するに先立ち、この発
明で用いられるデジタル・フーリエ積分法と、その金属
腐食系への適用とについて、原理的に説明することにす
る。捷ず、デジタル・フーリエ積分法について説明する
。すなわち、前記金属と電極との間に角周波数（ω０）
の交流電圧 ＥＯＣＱＳωｏｔ＋、　　　　（Ｅｏ　：定数、ｔ：時
間）を印加すると、前記金属腐食系を流れる電流１ｏ（
ｔ）は、 ｉ６　（ｔ）＝Ａｃｏｓω。ｔ＋＋ｊＢｓｉｎωｏｔ　
　（Ａ、Ｂ：定数）と表わすことができる。

ここで、三角関数の直交性から、次式が成立但し、ｍ、
ｎは整数、Ｔは周期（＝２π廓）である。

そして、上記（１）　ｅ　（２）式から、ω＝ω０に選
べば、与えられた周波数成分における電流の実数部Ｒｅ
ｆｔｏ（ω。）〕と、虚数部Ｉｍ［ｉ。（ω、）’ｌ）
とが求められる。

と力る。ここで、上記（３）　ｌ　（４）式から、金属
腐食系を流れる電流に上記角周波数（ω。）と異なる角
周波数（ωつを有する雑信号成分が含まれても、測定に
は影響されないことがわかる。そして、上記（３）　＋
　（４）式から、電流の絶対値（Ｌｌ）と、該電流と電
圧との位相差（θ）を求めると、次式のようになる。

θ＝　ｔａｎ−１（Ｉｍ（ｔｏ（ω、　）：］／ｋｅＩ
：ｉ、　ＣＯ２）月ここで、金属腐食系のインピーダン
スの絶対値１ｚ（ω。）１は、上記定数（ＥＯ）と電流
の絶対値（工。）との比から算出することができる。そ
して、実際のデジタル・フーリエ積分による演算では、
上記電流ｉ、（ｔ）が（Δｔ）時間間隔で測定されるた
め、上記（３）　、　（４）式は、 ・・・（６） となる。

次に、上述したデジタル・フーリエ積分の金属腐食系へ
の適用について説明する。すなわち、先に述べたように
、腐食溶液中における金属腐食系の電気的等価回路は、
第１図に示される。

この等何回路のインーーダンス（Ｚ）は、１＋ｊω−Ｃ
ｄｌ　・Ｒｃｏｒ で表わされる。このため、角周波数（ω）が十分高くか
つ電気二重層容量（ＣｄＸ）が十分圧大きい場合には、
上記（７）式右辺第２項が無視できることになり、結局
、 Ｚ＃Ｒａｏｌ とみなすことができる。したがって、前述した′　　　
　ように例えば１０　ＣｋＨｚ　）程度の高い周波数の
交流電圧印加時に、溶液抵抗（Ｒｓ　ｏ　１　）が測定
できることになる。

一方、低い周波数の交流電圧印加時に、Ｚ＝　　Ｒｓｏ
ｌ　＋Ｒｃｏｒ とみなすためには、上記（７）式より、１＋ｊω・Ｃｄ
１−Ｒｃｏｒ：８：１ となる必要がある。このためには、　　　′ω・Ｃｄ１
・Ｒｃｏｒ〈１ つまり、実際上（ω・Ｃｄｌ＊Ｒｃｏｒ）が０．１以下
程度になるように交流電圧の周波数を選定する必要があ
るものである。そして、実際上は、電気二重層容量（Ｃ
ｄｌ）及び腐食抵抗（Ｒｃｏｒ）の値を考えると、交流
電圧の周波数が１０〔ｍ’Ｈ２：ｌ程度では、上記条件
を満足させることが困難な場合が多いものである。

ところが、デジタル・フーリエ積分法を用いることによ
り、電気二重層容量（Ｃｄｌ）及び腐食抵抗（Ｒｃｏｒ
）が、次のように算出される。捷ず、上記（７）式の実
数部Ｒｅ（Ｚ）及び虚数部Ｉｍ［Ｚ］は、それぞれ、 ω・Ｃｄｌ−Ｒｃｏｒ２ Ｉｍ［Ｚ］　＝□　　　　　　　・・・（９）１−）ｍ
　　−ｃａｔ　　ｏＲｃｏｒ２となる。そして、この（
ｓ）　ｅ　（９）式の左辺Ｒｅ　［：Ｚ　］及びＩｍ（
Ｚ：］ば、前述したデジタル・フーリエ積分の（５）　
、　（６）式から演算によって求めることができる。ま
た、溶液抵抗（Ｒｓ　ｏ　１　）は先に述べたように別
途算出され、角周波数（ω）も既知の値である。

このため、上記（８）　、　（９）式は、腐食抵抗（Ｒ
ｃｏｒ）と電気二重層容量（Ｃｄ１）を根とする２元方
程式となり、両者の値（Ｒｃｏｒ）、（Ｃｄｌ）を演算
によって正確に求めることができるものである。

以下、上記のような原理に基づくこの発明の一実施例に
ついて、図面を参照して詳細に説明する。第２図におい
て、１１は発振器で、例えば１−１０　［ｋＨｚ　〕程
度の高い周波数で、５〜１０　（ｍＶ）程度の一定振幅
の交流電圧化゛号を発生するものである。この発振器１
１から出力された交流電圧信号は、最初に図示の如き切
換状態にあるスイッチ１２．１３を介して、互いに対向
して電解質溶液１４中に浸漬された金属１５と電極１６
とに印加され、ここに１つの腐食測定系が構成される。

そして、上記金属１５と電極１６との間の電位差が電圧
測定器１７で測定され、その測定値がスイッチ１８及び
ＡＤ変換器１９を介してデジタルデータに変換されて、
計算部２０の演算器２１に供給される。また、上記腐食
測定系を流れる電流が電流電圧変換器２２で電圧信号に
変換され、その電圧信号がスイッチ２３．帯域フィルタ
回路２４．ピークホルダ回路２５及びＡＤ変換器２６を
介してデジタルデータに変換されて、上記演算器２１に
供給される。

ここで、上記演算器２１は、上記ＡＤ変換器１９．２６
の出力に基づいて前記溶液抵抗（Ｒｓｏｌ）を算出する
演算を行なうものである。そして、この演算器２１で算
出された溶液抵抗（ＲＦＩＯＩ）は、他の演算器２７に
出力される。

次に、上記各スイッチ１２　、１３　、１８．２３を図
示と反対側に切換える。すると、発振器２８からの出力
信号が、上記金属１５と電極１６とに供給され、ここに
もう１つの腐食測定系が構成される。この発振器２８は
、従来の低い周波数（１０（ｍＴ（ｚ　〕）の交流電圧
の１０倍程度（１００（吐ｚ））の周波数で、５〜１０
（ｍＶ）の一定振幅の交流電圧信号を発生するものであ
る。このため、測定時間を従来の約１／１０に短縮する
ことができる。

そして、上記金属１５と電極１６との間の電位差が上記
電圧測定器１７で測定され、その測定値がスイッチ１８
及びＡＤ変換器２９を介してデジタルデータに変換され
て、上記計算部２０の演算器３０に供給される。また、
上記腐食測定系を流れる電流が上記電流電圧変換器２２
で電圧信号に変換され、その電圧信号がスイッチ２３．
サンプルホールド回路３１及びＡＤ変換器３２を介して
デジタルデータに変換されて、上記演算器３０に供給さ
れる。

この場合、上記サンプルホールド回路３１に１上記計算
部２０のクロック発生器３３から出力されるクロック信
号に基づく一定周期のサンプリングタイミングで、上記
電流電圧変換器２２の出力をホールドして、ＡＤ変換器
３２に出力するものである。そして、上記発振器２８か
ら出力される交流電圧信号も、上記クロック発生器３３
からのクロック信号（（基づいて生成されており、上記
交流電圧信号は上記サンプリングタイミングと同期し、
その周期がサンプリング周期の整数倍となるようになさ
れている。す々わち、例えば１ｏｏ［ｍＦ■ｚ　）　（
周期］−０［８ｊ　）の交流電圧信号を用いると、ＡＤ
変換器３２が１２ビツト構成であれば、上記クロック信
号の周期は２．５　［ｍｓｌとなり、サンプリング周期
をその２倍の５〔ｍ８〕にとることができるものである
。

そして、上記演算器３０は、上記ＡＤ変換器２９．３２
の出力を、上記サンプリングタイミング毎に上記（５）
　ｐ　（６）式によるデジタル、フーリエ積分演算し、
この演算結果から上記腐食測定系のインピーダンスの実
数部Ｒｅ　［Ｚ　］と虚数部Ｉｍ［Ｚ：］とを算出して
、前記演算器２７ＶＣ出力するものである。この演算器
３０の演算動作は、交流電圧信号の例えば５周期分にわ
たって行なわれる。そして、上記演算器２７が両波算器
２１．３０の出力に基づいて前記（８）　、　（９）式
を解く演算を行なうことにより、ここに腐食抵抗（Ｒｃ
ｏｒ）と電気二重層容量（Ｃｄｌ）とが算出されるもの
である。

このようにして算出された腐食抵抗（Ｒｃｏｒ）及び電
気二重層容量（Ｃｄｌ）は、プリンター３４によって印
字表示される。この場合、上記溶液抵抗（Ｒｓｏｌ）も
プリンター３４で印字するようにしてもよい。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではなく
、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施
することができる。

したがって、以上詳述したようにこの発明によれば、腐
食抵抗を迅速かつ正確に測定することができ、ひいては
腐食速度を容易に測定し得るようにするとともに、従来
測定することができなかった電気二重層容量をも測定し
得る極めて良好なデジタル・フーリエ積分法による金属
の腐食測定方法及びその装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は腐食溶液中における金属贋食系の電気的等価回
路を示す回路構成図、第２図はこの発明に係るデジタル
・フーリエ積分法による金属の腐食測定方法及びその装
置の一実施例を説明するためのブロック構成図である。 １１・・・発振器、１２．１３・・・スイッチ、１４・
・・電解質溶液、１５・・・金属、１６・・・電極、１
７・・・電圧測定器、１８・・・スイッチ、１９・・・
ＡＤ変換器、２０・・・計算部、２１・・・演算器、２
２・・・電流電圧変換器、２３・・・ス、イッチ、２４
・・・帯域フィルタ回路、２５・・・ビークホ）レダ回
路、２６・・・ＡＤ変換器、２７・・・演算器、２８・
・・発振器、２９・・・ＡＤ変換器、３０・・・演算器
、３１・・・サンプルホールド回路、３２・・・ＡＤ変
換器、３３・・・クロック発生器、３４・・・プリンタ
ー。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）腐食速度を測定しようとする金属とこの金属に対
   向設置される電極とを電解質溶液中に浸漬し前記金属と
   電極との間に所定周波数の交流電圧を印加してなる腐食
   測定系を構成する第１の工程と、この第１の工程の後前
   記金属と電極とに印加される電圧及び前記腐食測定系を
   流れる電流を測定し溶液抵抗を算出する第２の工程と、
   この第２の工程の後前記金属と電極との間に前記第１の
   工程で印加した交流電圧よりも低い周波数の交流電圧を
   印加してなる腐食測定系を構成してなる第３の工程と、
   この第３の工程の後前記金属と電極とに印加される電圧
   を測定するとともに前記腐食測定系を流れる電流をデジ
   タル・フーリエ積分法で算出して前記腐食測定系のイン
   ピーダンスを算出する第４の工程と、この第４の工程の
   後前記第２の工程で算出された溶液抵抗及び前記第４の
   工程で算出された前記腐食測定系のインピーダンスに基
   づいて前記金属の腐食抵抗及び電気二重層容量を算出す
   る第５の工程とを具備してなることを特徴とするデジタ
   ル・フーリエ積分法による金属の腐食測定方法。
2. （２）腐食速度を測定しようとする金属とこの金属に対
   向設置される電極とを電解質溶液中に浸漬し前記金属と
   電極との間に所定周波数の交流電圧を印加してなる第１
   の腐食測定系と、この第１の腐食測定系で前記金属と電
   極とに印加される電圧及び前記第１の腐食測定系を流れ
   る電流を測定し溶液抵抗を算出する第１の演算手段と、
   前記金属と電極との間に前記第１の腐食測定系で印加し
   た交流電圧よりも低い周波数の交流電圧を印加してなる
   第２の腐食測定系と、この第２の腐食測定系で前記金属
   と電極とに印加される電圧を測定する測定手段と、前記
   第２の腐食測定系を流れる電流を該第２の腐食測定系で
   印加した交流電圧に同期させてデジタルデータに変換す
   るＡＤ変換手段と、このＡＤ変換手段及び前記測定手段
   の出力に基づいて前記第２の腐食測定系を流れる電流を
   デジタル・フーリエ積分法で算出し該第２の腐食測定系
   のインピーダンスを算出する第２の演算手段と、前記第
   １の演算手段で算出された溶液抵抗及び前記第２の演算
   手段で算出された前記第２の腐食測定系のインピーダン
   スに基づいて前記金属の腐食抵抗及び電気二重層容量を
   算出する第３の演算手段とを具備してなることを特徴と
   するデジタル・フーリエ積分法による金属の腐食測定装
   置。