CZ35860U1 - Triplicitní rezistometrické čidlo pro měření korozní rychlosti kovů - Google Patents

Description

Triplicitní rezistometrické čidlo pro měření korozní rychlosti kovů

Oblast techniky

Koroze kovů je jedním z hlavních mechanizmů degradace kovových materiálů. Většina plochy existujících kovových předmětů a konstrukcí je vystavena působení atmosféry. Koroze kovů v atmosféře také zaujímá největší podíl na finančních ztrátách způsobených korozí obecně. Z hlediska plánování živostnosti kovových konstrukcí a kontroly vlivu prostředí na jejich životnost za provozu je třeba znát korozní rychlost konstrukčního kovu za daných podmínek. V praxi se uplatňují různé metody měření korozní rychlosti kovů v atmosféře. Jednou z nich je rezistometrická metoda pracující s rezistometrickými čidly. Vedle konstrukčních materiálů exponovaných ve vnější atmosféře je určování korozní rychlosti klíčové také ve specifických případech, jako je péče o kovové památky, ochrana kovových výrobků při transportu na dlouhé vzdálenosti, ochrana významných elektronických zařízení před atmosférickými vlivy atd. Rezistometrická čidla jsou vždy řešena spojením tzv. měrné a tzv. referenční části. Takové čidlo poskytuje jedinou informaci o korozním úbytku. Přitom korozní rychlost je veličinou, kterou je třeba hodnotit z hlediska reprodukovatelnosti. Předmětné rezistometrické čidlo svým novým designem umožňuje zisk tří hodnot korozního úbytku současně při využití jediné referenční části. To umožňuje ověřování správnosti měření, zvýšení spolehlivost dat, eliminaci chybných výsledků, možnost detekce anomálního chování, např. lokalizovaných forem koroze apod. Konstrukční řešení umožňuje rozšíření počtu měrných částí i na více než tři v případě potřeby akvizice vyššího počtu hodnot korozního úbytku nebo kombinování různých materiálu, jejichž korozní rychlost má být měřena.

Dosavadní stav techniky

K hodnocení korozního vlivu prostředí na kovy je využíváno mnoho metod. Rychlost, s jakou kov za daných podmínek koroduje, lze nejsnáze určit prostřednictvím hmotnostní změny kovového vzorku (kupónu) po určené době expozice. Ke spolehlivému určení korozní rychlosti z hmotnostního úbytku korozního kupónu je nutná dlouhá doba expozice. Platné normy ji stanovují minimálně najeden rok. Tímto způsobem se klasifikují atmosféry podle jejich korozní agresivity. Takový postup neumožňuje určit vliv změny podmínek na korozní rychlost kovů. Odezva metody hmotnostního úbytku je často příliš dlouhá a citlivost příliš malá. Vhodnými způsobem pro semikontinuální sledování korozní rychlosti kovů v závislosti na podmínkách je rezistometrická metoda, která využívá pro určení korozního úbytku kovu změnu elektrického odporu korodujícího čidla. Změna elektrického odporu kovového čidla je dána změnou průřezu korodujícího kovu podle vztahu (Rl):

(Rl) R = p~·, 0 kde R - elektrický odpor, p - rezistivita, l - délka kovového čidla, 5 - průřez kovového čidla

Kromě geometrických parametrů kovového čidla, které se mění s mírou koroze, závisí odpor čidla také na teplotě. Za provozních podmínek není teplota prostředí, a tedy ani kovu konstantní. Vliv teploty na elektrický odpor rezistometrického čidla je kompenzován tím, že vedle exponované kovové stopy (měrná část) obsahuje čidlo ještě identickou kovovou stopu (referenční část), která je před korozními vlivy prostředí chráněna protikorozním povlakem. Elektrický odpor této části tak není ovlivňován korozním úbytkem a její odpor se mění pouze se změnou teploty. Korozní úbytek je pak vyjadřován pomocí změny poměru odporů referenční a měrné části v porovnání s poměrem na začátku expozice. Pro výpočet korozního úbytku existuje několik postupů. Nejběžnější výpočet popisuje vztah R2:

- 1 CZ 35860 UI (R2) ( R R J kh = K· ι-Δυ.χχ

I R_m Rro) kde ΔΛ - úbytek tloušťky, ho - počáteční tloušťka kovové stopy, Rr,o - elektrický odpor referenční části sondy na počátku expozice, Rm,o - elektrický odpor měrné části sondy na počátku expozice, Rr - elektrický odpor referenční části, Rm - elektrický odpor měrné části.

Rezistometrická metoda pro určení korozního úbytku kovu vyžaduje vysokou přesnost měření elektrického odporu. Elektrický odpor se měří v tzv. čtyřvodičovém zapojení, kdy kovovou stopou rezistometrického čidla prochází definovaný elektrický proud a na jiných kontaktech měrné i referenční části je měřeno napětí, které tento proud vyvolává. Ze znalosti proudu a napětí je pomocí Ohmová zákona vypočten odpor obou částí čidla.

V současnosti nejčastěji využívané konstrukční řešení čidla má jednu měrnou a jednu referenční část. Takové řešení umožňuje zisk pouze jedné hodnoty korozního úbytku. Ze statického hlediska a hlediska reprodukovatelnosti informace je jediná hodnota korozního úbytku nedostatečná. Všechny ostatní metody určení korozního úbytku a korozní rychlosti využívají opakovaná měření, čímž je zvyšována výpovědní hodnota informace. V případě rezistometrické metody je pro replikování měření využívána paralelní expozice dalšího rezistometrického čidla snímaného zařízením umožňujícím měření na více kanálech nebo dalším separátním zařízením.

Popisované technické řešení předmětného triplicitního rezistometrického čidla navrhuje takové konstrukční uspořádání, které umožňuje v jednom měřicím kroku zisk tří nezávisle měřených hodnot korozního úbytku. Oproti třem separátně exponovaným čidlům má triplicitní čidlo výhodu, že využívá pouze jednu referenční část. Dochází tak k úspoře materiálu a nákladů na výrobu takových čidel. Nezanedbatelnou výhodou je úspora energie pro autonomně pracující měřicí systémy.

Podstata technického řešení

Rezistometrické čidlo pro měření korozního úbytku kovu v atmosféře je tvořeno tenkou (50 run až 0,25 mm) kovovou stopou 1 nanesenou na elektricky nevodivém podkladu 2 o rozměrech 50 x 50,82. Tloušťka podkladu je omezena pouze šířkou ústí konektoru, do kterého jsou čidla zasouvána, většinou 1,5 mm. Využít lze například sklo-laminátovou desku, na níž je nalaminována fólie z kovu, jehož korozní úbytek chceme měřit. Požadovaný design kovové stopy je pak vyleptán postupem známým z výroby tištěných spojů. Jiným možným postupem je PVD depozice kovu na keramický nebo skleněný substrát. Touto technikou získáváme kovové vrstvy s nižší tloušťkou, což poskytuje vyšší citlivost výsledného korozního čidla. Tři měrné části 3 a referenční část 4 výsledného čidla jsou propojeny můstky v konektoru tak, aby proud při snímání elektrického oporu prošel všemi částmi čidla. V okamžiku průchodu proudu jsou snímány hodnoty spádu napětí na všech čtyřech částích, z nichž je určován jejich odpor. Hranice ochranného povlaku 5 je mezi referenční částí a sousední měrnou částí (Obr. 1).

Objasnění výkresů

Obr. 1: Schéma triplicitního rezistometrického čidla.

Obr. 2: Triplicitní rezistometrické čidlo Fe-250.

Obr. 3. Měření podle modifikované normy ISO 16701 (2016) s ocelovým senzorem s tloušťkou 250 pm (konstantní teplota 35 °C; růžově jsou označeny fáze, kdy byly senzory ponořovány na

-2CZ 35860 UI min do 1% NaCl, po ponoru byly stejným roztokem postříkány a exponovány při 95% RH po dobu 1 h 45 min. V každé fázi byl tento postup opakován.

Příklad uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Triplicitní rezistometrické čidlo Fe-250 (Obr. 2) tvoří nevodivý substrát 2 vyrobený ze sklolaminátu o tloušťce 1,2 mm. Kovová stopa 1 je vyrobena z nelegované uhlíkové oceli a její tloušťka je 250 pm. Jedna ze čtyř smyček kovové stopy je zakryta epoxidovým tmelem 5 a je využívána jako referenční část 4 rezistometrického senzoru. Ostatní tři smyčky jsou exponovány koroznímu prostředí a jsou využívány jako měrné části 3.

Příklad 2

Triplicitní rezistometrické čidlo popisované v Příkladu 1 bylo exponováno podmínkám cyklické korozní zkoušky vycházející z normy ISO 16701 (2016). Při konstantní teplotě 35 °C byla periodicky měněna relativní vlhkost mezi 50 a 95 % relativní vlhkosti vždy po 12 hodinách. Ve čtyřech zvolených okamžicích (0, 96, 168, 264 hodin) byl aplikován 1% roztok NaCl. Obr. 3 uvádí záznam úbytku tloušťky tří měrných částí triplicitního rezistometrického čidla v závislosti na čase a měnících se podmínkách. Všechny tři záznamy sledují stejný trend i podobné hodnoty korozního úbytku v čase. Triplicitní senzor tak poskytuje informaci o korozním úbytku s vysokou výpovědní schopností. (Obr. 3)

Průmyslová využitelnost

Triplicitní rezistometrické čidlo pro měření korozní rychlosti kovů, jehož konstrukce je popisována, zvyšuje spolehlivost korozního monitoringu využívajícího rezistometrickou metodu měření korozního úbytku. Oproti elektrochemickým metodám monitoringu je rezistometrická metoda výhodná svojí jednoduchostí a použitelností v jakémkoli prostředí. V porovnání s expozičními zkouškami má rezistometrická metoda vyšší citlivost a kratší odezvu. Měření realizované v jednom okamžiku na třech nezávislých měrných částech čidla umožňuje statistické vyhodnocení korozního úbytku. To umožňuje ověřování správnosti měření, zvýšení spolehlivost dat, eliminaci chybných výsledků, možnost detekce anomálního chování, např. lokalizovaných forem koroze apod. Konstrukční řešení umožňuje rozšíření počtu měrných částí i na více než tři v případě potřeby akvizice vyššího počtu hodnot korozního úbytku nebo kombinování různých materiálu, jejichž korozní rychlost má být měřena. Korozní monitoring využívající rezistometrická čidla je vhodný pro protikorozní ochranu produktů a zařízení, a v důsledku toho i pro ochranu prostředí a zdraví. Korozní monitoring založený na rezistometrické metodě umožňuje včasné varování o zvýšení korozní agresivity prostředí vůči kovovým materiálům.

Claims (2)

NÁROKY NA OCHRANU

1 . Triplicitní rezistometrické čidlo pro měření korozního úbytku kovu, vyznačující se tím, že 5 sestává z tenké kovové stopy (1) nanesené na elektricky nevodivém podkladu (2), která je rozdělena natři měrné části (3) a referenční část (4), přičemž referenční část (4) je krytá ochranným povlakem (5) a sousedí se třemi měrnými částmi (3) pro poskytnutí tří nezávislých hodnot korozního úbytku při použití jediné referenční části.

to

2. Triplicitní rezistometrické čidlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že hranice ochranného povlaku (5) prochází napříč kovovou stopou (1) v oblasti mezi kontaktními plochami a spojením proudových a napěťových cest.