Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zur Korrosionsdetektion

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrosionsdetektion sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.

Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise zur Detektion von Korrosion an einer Rohr- oder Behälterwand dienen, die in Kontakt mit einem aggressiven Medium steht und daher auf Korrosion zu überwachen ist.

Eine derartige Vorrichtung zur Korrosionsdetektion (Korrosi- onssensor) ist z. B. durch Produkte, wie sie von der Firma Pepperl & Fuchs unter der Marke CorrTran angeboten werden, bekannt. Solche Korrosionssensoren oder kurz Sensoren werden im Kontakt mit dem Prozessmedium eingesetzt und umfassen drei gleichartige potentialmessende Elektroden. Korrosion an die- sen Elektroden wird typischerweise durch die Verfahren Widerstandsmethode, Elektrochemische Rauschanalyse (EN) oder Lineare Polarisations-Widerstandsmessung (LPR) bestimmt.

Die Widerstandsmethode ist einfach, robust und eine einzelne Elektrode ist ausreichend. Es wird der Widerstand einer schlaufenförmigen Elektrode gemessen, der sich bei Korrosion aufgrund der veränderten Geometrie der Elektrode verändert. Wegen der notwendigen Geometrieänderung ist eine Korrosionsdetektion erst bei starker Korrosion der Elektroden möglich. Somit können nur größere Mengen an Korrosion detektiert werden. Eine Widerstandsänderung aufgrund von Temperaturänderung wird mithilfe einer zweiten gleichartigen Elektrode, die nicht dem Medium ausgesetzt ist, kompensiert.

Die Elektrochemische Rauschanalyse (EN) ist empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen und benötigt eine komplizierte Auswerteelektronik. Bereits geringes Auftreten von Korrosion kann detektiert werden. Die Elektroden müssen

nicht stark durch Korrosion verändert worden sein, da bereits der Elektronenaustausch zwischen Elektrodenoberfläche und Prozessmedium detektiert wird.

Beim LPR-Verfahren werden die Elektroden polarisiert und der dabei fließende Strom wird registriert. Nach Kompensation des Elektrodenwiderstandes wird aus dem Polarisationswiderstand die Korrosionsstromdichte gemessen. Aufgrund geringer Korrosionsstromdichten ist dieses Verfahren ebenfalls empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht entsprechend darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Korrosionsde- tektion anzugeben, bei denen die oben genannten Nachteile vermieden oder zumindest deren Auswirkungen reduziert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Vorrichtung zur Kor- rosionsdetektion der eingangs genannten Art die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. In den weiteren Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit einer solchen Vorrichtung nicht die Widerstandsänderung einer Elektrode als Maß für eine eventuelle Korrosion erfasst wird sondern eine änderung der mechanischen Schwingungseigenschaften eines Schwingkörpers, die aufgrund von Korrosion auftritt und daher vorteilhaft zu deren Detektion ausgewertet werden kann. Eine derartige Korrosionserkennung ist erheblich sensitiver als Verfahren und Vorrichtungen, die auf einer reinen Widerstandsänderung basieren. Es wird also das dynamische mechanische Verhalten eines in ein aggressives Medium eingetauchten Schwingkörpers benutzt, um ein weiteres, dem aggressiven Medium ausgesetztes Bauteil auf Korrosion zu überwachen. Durch die überwachung der Lage der Eigenfrequenz des Schwingkörpers kann ein Korrosionssensor aufgebaut werden, der ein zur Korrosion proportionales Signal ausgibt. Im Vergleich zur Anwendung der Widerstandsmethode sind lediglich geringe Kontakt-

längen des korrodierenden Sensorelements mit dem aggressiven Medium notwendig. Im Vergleich zu anderen bekannten, bereits oben beschriebenen Verfahren kann die Größe des Sensors wesentlich kleiner gewählt werden. Zudem hat die neue Vorrich- tung den Vorteil, dass sie unempfindlich gegenüber statischer Aufladung, Temperaturänderungen und Störpotenzialen ist, da ausschließlich dynamische Signale ausgewertet werden. Elektrische Störgrößen, wie beispielsweise Wechselfelder oder elektromagnetische Felder, stören in vorteilhafter Weise ebenfalls nicht, da zur Auswertung nicht kleinste elektrische Ströme benutzt werden sondern mechanische Größen, die durch derartige Felder kaum beeinflusst werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Aktor durch die Auswerteeinrichtung mit einem Signal ansteuerbar und die Auswerteeinrichtung detektiert eine Korrosion in Abhängigkeit des Ansteuersignals und des Schwingungssignals. Damit kann die Eigenfrequenz des Schwingkörpers durch überwachung der Phasenlage des Schwingungssignals im Vergleich zum Ansteuer- signal oder durch überwachung der Amplitude des Schwingungssignals im Vergleich zum Ansteuersignal in bestimmten Frequenzbereichen ermittelt werden.

Bevorzugt besteht der Schwingkörper oder ein Teil davon aus demselben Material wie das auf Korrosion zu überwachende Bauteil, beispielsweise eine Wand einer Rohrleitung oder eines Behälters. Dadurch wird eine bessere Zuverlässigkeit der Diagnoseaussage erreicht, da sowohl das Sensorelement wie auch das zu überwachende Element identische Korrosionseigenschaf- ten besitzen.

Eine Ausgestaltung der Vorrichtung, bei welcher der Schwingkörper im Wesentlichen in einem Abstand zu einer Wand angeordnet ist, welcher der Breite einer zu detektierenden Spalt- korrosion entspricht, hat den Vorteil, dass diese neben der Detektion einer Flächenkorrosion zusätzlich eine überwachung auf Spaltkorrosion ermöglicht. Diese Korrosionsform tritt beispielsweise an Metallteilen bei Vorhandensein eines korro-

siven Mediums in nicht abgeschlossenen Auflagespalten wie überlappungen, aufgesetzten Stegen und bei nicht durchgeschweißten Schweißnähten auf. Sie könnte theoretisch zwar unterbunden werden, indem man konstruktiv auf Spalte verzichtet oder diese so groß ausführt, dass Spaltkorrosion nicht auftritt. In der Praxis ist dies jedoch nicht immer möglich, so dass eine überwachung auf Spaltkorrosion in vielen Fällen nützlich ist.

Eine Ausbildung des Schwingkörpers mit einer Elektrode, die Teil eines elektrostatischen Aktors mit in geringem Abstand zum Schwingkörper angeordneter zweiter Aktorelektrode ist, hat den Vorteil, dass Aktor und Sensor in einem Bauelement kombiniert werden können. Gesonderte Sensoren zur Aufnahme eines Schwingungssignals können somit entfallen. Alternativ können selbstverständlich noch zusätzliche elektrostatische Aufnehmer als Sensoren vorgesehen werden. Als weitere Alternative ist es beispielsweise möglich, zur Anregung des Schwingkörpers einen piezoelektrischen Aktor zu verwenden, der in entsprechender Weise ebenfalls als so genannter SeIf- Sensing-Aktor betrieben werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schwingkörper nach Art eines beidseitig eingespannten Biegebalkens ausge- bildet. Dadurch wird erreicht, dass die änderung der Eigenfrequenz des Schwingkörpers direkt proportional zur Korrosion ist und dass somit ein Korrosionssensor mit linearer Kennlinie durch überwachung der Lage der Eigenfrequenz erhältlich ist.

Zusätzlich zur Erfassung und Auswertung eines mechanischen Schwingungsverhaltens können Mittel zur Messung des elektrischen Widerstands des Biegebalkens vorgesehen werden. Vorteilhaft kann als Kenngröße zur Detektion einer Korrosion das Produkt der mechanischen Resonanzfrequenz des Biegebalkens und des Quadrats des elektrischen Widerstands herangezogen werden, da eine derartige Kenngröße unabhängig von der Länge

des Biegebalkens ist und durch diese Einflussgröße keine Fehler entstehen.

Wenn die Vorrichtung als Messumformer ausgebildet und mit einer Kommunikationsschnittstelle versehen ist, über welche ein Signal zur Korrosionsmeldung an eine Leitstation in einer automatisierungstechnischen Anlage ausgebbar ist, eignet sich die Vorrichtung in vorteilhafter Weise nach Art eines Messumformers zur Prozessinstrumentierung zur automatisierten über- wachung der prozesstechnischen Anlage.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausfϋhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Rohrleitung mit einem Messumformer zur Korrosionsdetektion ,

Figur 2 ein korrosionsempfindliches Sensorelement und

Figur 3 einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Korrosionsdetektion .

In einer in Figur 1 nicht weiter dargestellten prozesstechnischen Anlage wird eine Rohrleitung 1 von einem korrosiven Medium 2 durchströmt. Ein Messumformer 3 zur Detektion von Korrosion der Rohrleitung 1 ist derart an dieser angebracht, dass ein korrosionsempfindliches Sensorelement in Kontakt zum Medium 2 steht. Eine Kommunikationsschnittstelle 4 dient zur Ausgabe ermittelter Werte der Korrosion an eine übergeordnete Leitstation 5 in einer automatisierungstechnischen Anlage, die beispielsweise mit einem Feldbus 6 als Bestandteil eines Automatisierungsnetzwerks ausgestattet ist. Bei überschreiten eines Grenzwerts für eine zulässige Korrosion wird zusätzlich eine Alarmmeldung über den Feldbus 6 ausgegeben. Am Feldbus 6

befinden sich weitere Messumformer und Aktuatoren, beispielsweise ein Temperaturmessumformer 7.

Ein korrosionsempfindliches Sensorelement 20 gemäß Figur 2 kann beispielsweise als mikroelektromechanischer Sensor in einer MEMS-Realisierung ausgeführt sein. Prinzipiell sind beliebige Formen von Schwingkörpern denkbar, beispielsweise eine einfache Platte, die aus demselben Material wie die Rohrwandung besteht und zu Schwingungen senkrecht zur Plattenebe- ne angeregt wird.

In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 20 dienen als Schwingkörper drei beidseitig eingespannte Balken 21, 22 und 23, die zu Biegeschwingungen senkrecht zur Zeichnungsebene angeregt werden. Zur Herstellung der Biegebalken 21 bis 23 sind vier Schlitze 24, 25, 26 und 27 beispielsweise durch ein ätzverfahren in einen Siliziumträger des Sensorelements 20 eingebracht. An ihren in der Darstellung sichtbaren Oberseiten ist auf die Biegebalken 21, 22 und 23 eine dicke Schicht des Materials zum Beispiel durch Sputtern aufgebracht, aus welchem die Wandung des Rohrs 1 (Figur 1) besteht. Alternativ kann der gesamte Balken aus einer vorher aufgetragenen Schicht des Materials ausgeätzt werden, so dass der Biegebalken insgesamt aus dem Material be- steht. Mit Hilfe elektrischer Leitungen 211 und 212 kann der Biegebalken 21 an eine später noch näher erläuterte Auswerteeinrichtung angeschlossen werden. In entsprechender Weise sind elektrische Leitungen 221 und 222 für den Biegebalken 22 sowie elektrische Leitungen 231 und 232 für den Biegebalken 23 vorgesehen. Die elektrischen Leitungen können auf dem Sensorelement 20 beispielsweise durch Dotierung des Siliziumträgermaterials hergestellt werden.

Wie in Figur 3 dargestellt, ist das Sensorelement 20 wie ein Deckel in ein becherförmiges Gehäuse 31 eingelegt, in dessen Innenraum 32 beim Betrieb des Korrosionssensors korrosives Medium 2 (Figur 1) einfließen kann. Auf einer domförmigen Erhebung 33 im mittleren Bereich des Gehäuses 31 ist eine

Elektrode 34 angeordnet, die durch einen Schutzbelag 35 vor Korrosion geschützt ist. Die Elektrode 34 bildet einen Teil eines elektrostatischen Aktors, dessen anderen Teil die Biegebalken 21, 22 und 23 (Figur 2) darstellen, die sich im We- sentlichen oberhalb der domförmigen Erhebung 33 befinden. Alternativ kann der elektrostatische Aktor in einer vom korrosiven Medium abgetrennten Kammer untergebracht werden. Der Abstand zwischen Sensorelement 20 und Schutzbelag 35 ist derart bemessen, dass diese sich bei Schwingungen nicht berüh- ren. Der Abstand zwischen Sensorelement 20 und einer Innenfläche 36 des Gehäuses 31 entspricht der Spaltbreite der zu detektierenden Spaltkorrosion. Soll eine Spaltkorrosion mit verschiedenen Spaltbreiten detektiert werden, kann dies alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Gehäuse- form realisiert werden, die einen stufigen Becherboden aufweist. Eine Auswerteeinrichtung 37 ist durch Leitungen 38 elektrisch mit dem Sensorelement 20 sowie durch eine Leitung 39 elektrisch mit der Elektrode 34 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 37 liefert Ansteuersignale zur Anregung von Schwingungen im Sensorelement 20 und wertet gleichzeitig oder bei sich anschließenden Abklingvorgängen die sich einstellenden elektrischen Signale als Schwingungssignale zur Ermittelung des Schwingungsverhaltens des Sensorelements 20 aus. Da sich das Schwingungsverhalten des Sensorelements 20 in Abhän- gigkeit der Korrosion des aufgesputterten Materials verändert, kann ein Kennwert bestimmt werden, der den Fortschritt der Korrosion kennzeichnet. überschreitet dieser einen vorgegebenen Schwellwert, wird über einen Feldbus 40 eine Alarmmeldung ausgegeben.

Die Anregung des Sensorelements 20 zu Schwingungen kann kontinuierlich oder in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfolgen. Da sich Korrosion im Vergleich zu anderen überwachungsgrößen nur langsam verändert, bietet sich eine überwachung in größeren zyklischen Abständen an, um unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein elektrostatischer Aktor als Self-Sensing-Aktor betrieben. Alternativ können selbstverständlich Sensoren zur Erfassung von Schwingungen getrennt vom Aktor ausgebildet werden.

Die Auswertung des oder der Schwingungssignale stützt sich auf die änderung des dynamischen, mechanischen Verhaltens des oder der Schwingkörper. Zum Beispiel ändert sich die Höhe der Eigenfrequenz des Schwingkörpers mit der Größe des Schwing- körpers, die durch Korrosion vermindert wird. Im Fall eines einseitig fest eingespannten Balkens ist die Eigenfrequenz der Grundschwingung durch die Formel

gegeben, wobei E den Elastizitätsmodul, P ₁ die Dichte des

Balkenmaterials, I das Flächenträgheitsmoment, r den Radius und 1 die Länge des Balkens bezeichnen.

Die Balkenlänge wird durch die Korrosion nicht verändert, während sich der Radius und die Eigenfrequenz durch zunehmende Korrosion verringern. Damit ist die änderung der Eigenfrequenz direkt proportional zur Korrosion und die überwachung der Lage der Eigenfrequenz ermöglicht einen linearen Korrosi- onssensor. Die Eigenfrequenz kann über die überwachung der

Phasenlage des Ansteuersignals im Vergleich zum Schwingungssignal oder über die überwachung der Amplitude des Schwingungssignals in bestimmten Frequenzbereichen ermittelt werden.

Die Auswertung des mechanischen Schwingungsverhaltens kann mit einer Auswertung nach der bekannten Widerstandsmethode kombiniert werden. Dazu wird ein Strom durch den Schwingkörper, beispielsweise durch den Biegebalken 21 mit Hilfe der Leitungen 211 und 212 im Figur 2, eingeleitet, der zu unterschiedlichen Spannungsänderungen bei unterschiedlichem Korro-

sionsgrad führt. Im Falle des Balkens ist der Widerstand durch

R = P ₂ πr

gegeben, wobei p den spezifischen elektrischen Widerstand des Balkenmaterials bezeichnet. Eine von der aktuellen Länge des Biegebalkens unabhängige Detektion wird durch die mul- tiplikative Verknüpfung der beiden Kennwerte ω und R er- reicht. In einem Kennwert K = ωR ² hebt sich der Einfluss der Länge gerade auf, so dass ein längenunabhängiger Kennwert erzeugt werden kann.