Korrosionssensor

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensorsystem zur Messung der Korrosivität von Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigen Schmierstoffen (z.B. Maschinenölen).

Bei Maschinen, bei welchen z.B. zur Schmierung, Kühlung oder Kraftübertragung größerer Mengen öl verwendet werden (d. h. die Maschine hat eine bei Wartung austauschbare ölfüllung), ist eines der ölwechselkriterien die Versäuerung (bzw. Korrosivität) des öls. Das heißt, dass im öl durch Alterung und auch durch Verschmutzung mit Fremdsubstanzen korrosiv wirkende (meist sauere) Verbindungen entstehen oder eingebracht werden, welche in der Maschine Korrosion (bzw. korrosiven Abrieb) verursachen können. Um die Maschine zu schützen, sollte das öl gewechselt werden, bevor die Korrosion (bzw. korrosiver Abrieb) unerwünscht groß wird. Bei mit Bio- Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren ist die Korrosivität bzw. Versäuerung des Motoröls sogar das Hauptkriterium für die Durchführung eines ölwechsels, da durch die Verunreinigungen aus den Verbrennungsgasen des oft chemisch „unreinen" Bio-Kraftstoffs viele aggressive chemische Verbindungen in das öl gelangen, welche korrosiv sind oder durch weitere chemische Reaktionen im öl korrosive (meist säurige) Substanzen bilden.

Für den Praxiseinsatz kommen nur wenige Methoden in Frage, um die Korrosivität bzw. Versäuerung (d. h. Säuregehalt) eines öls zu messen. Die meisten Methoden erfordern ein entsprechend ausgerüstetes chemisches Labor, wie z. B. die Methoden zur Bestimmung der Neutralisationszahl, Bestimmung der Gesamtsäurezahl TAN (Total Acid Number) oder der Kupferstreifentest sowie der Stahlfingertest.

Eine an sich bekannte Methode zur sensorischen Messung der Korrosion von Maschinenölen ist die Verwendung eines dünnen Widerstandskupferfilms an einem isolierenden Träger, wobei die änderung des Widerstandes des Kupferfilms, zufolge des Materialverlusts durch Korrosion, elektrisch gemessen wird.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der änderung des Widerstandes eines oben beschriebenen Sensors, während er in ein korrosives öl eingetaucht ist. Wie in Fig. 1 erkennbar, erhöht sich der Widerstand eines derartigen Sensors quasi exponentiell. Der Nachteil dieser Methode ist, dass nur in einem zeitlich eingeschränkten Messbereich (M) die Korrosion beobachtet werden kann. Je nach Schichtdicke gibt es ein Anfangsbereich (A), wo die Widerstandsänderung noch kaum oder nur mit großem technischen Aufwand auflösbar ist, und es gibt einen Endbereich (E), wo sich der Widerstand relativ schnell über mehrere Dekaden bis zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung erhöht. Die zuverlässige Messung des Widerstandes über mehrere Dekaden benötigt ebenfalls eine relative aufwendige Messelektronik. Nach der Unterbrechung der elektrischen Verbindung ist keine weitere Beobachtung der Korrosionswirkung möglich.

Der Verlauf der in Fig. 1 symbolisierten Widerstandskurve hängt von der Korrosivität des öls und von der Schichtdicke des Kupferfilms ab. Bei stärker

korrosiven ölen läuft die Korrosion des Kupferfiims und die damit verbundene Widerstandsänderung schneller, bei weniger korrosiven ölen langsamer ab. Je dicker der Kupferfilm ist, desto langsamer ändert sich dessen messbarer Widerstand während dessen Korrosion, das heißt der Anfangsbereich (A) wird länger und die Unterbrechung der elektrischen Verbindung erfolgt später. Bei dünnem Kupferfilm ändert sich der messbare Widerstand während der Korrosion schneller, das heißt der Anfangsbereich (A) wird kürzer, der Endbereich (E) wird steiler und die Unterbrechung der elektrischen Verbindung erfolgt früher.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Sensorsystem zur Messung der Korrosivität von Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigen Schmierstoffen (z.B. Maschinenölen) bereitzustellen, das mit geringem apparativen Aufwand realisierbar ist, insbesondere zur Auswertung keiner Laboreinrichtung bedarf, sondern vielmehr in-situ in Maschinen einbaubar und betreibbar ist und das eine hohe Auflösung der Messergebnisse bietet. Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Sensorsystems mit den

Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem verwendet mindestens zwei flächige Elemente aus elektrisch leitfähigen Materialien (beispielsweise Metallstreifen, Folie, Metallfilm oder Blech) - im folgenden kurz „flächige Elemente" genannt -, welche flächig und/oder auch im Querschnitt (beispielsweise durch Unterschiede in der Filmdicke) strukturiert sein können und wobei mindestens eines dieser flächigen Elemente als „Korrosionsopfer" zur Erfassung der Korrosion dient, indem es mit der zu messenden korrosiven Flüssigkeit in Kontakt gehalten wird. Die gegebenenfalls strukturierten flächigen Elemente aus elektrisch leitfähigen Materialien sind in einem elektrischen Messkreis entsprechend der verwendeten Messmethode mit der Auswerteelektronik (bzw. auch miteinander) verschaltet oder verbunden. Das erfindungsgemäße Sensorsystem verwendet eine Messmethode zur Messung des korrosiven Material Verlustes des als „Korrosionsopfer" verwendeten flächigen Elementes, indem dieser über die änderung der elektrischen Eigenschaften der als „Korrosionsopfer" verwendeten flächigen Elemente (z. B. deren elektrischer Widerstand oder Kapazität) vorzugsweise flächenhaft erfasst wird.

Dieses erfindungsgemäße Sensorsystem behebt die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik und bietet einen erweiterten Messbereich und eine bessere Auflösung. Weiters erlaubt es die Implementierung einer relativ einfachen Messelektronik.

Die Vorteile der Erfindung gehen klar aus der nachfolgenden beispielhaften Erläuterung einiger Ausführungsvarianten der Erfindung anhand der vorgelegten Figuren hervor, die jedoch in keiner Weise als einschränkend zu interpretieren sind.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der änderung des Widerstandes eines Kupferfilms gemäß dem zitierten Stand der Technik, während er in ein korrosives öl eingetaucht ist.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung der Korrosion in ölen mit mindestens zwei flächigen Elementen.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Mess- und Auswerteeinheit (3), welche z. B. für die in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante des Sensorsystems verwendet werden kann.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Messelektronik (3a, 3b, ... bis 3n) zur Messung des elektrischen Widerstandes der flächigen Elemente, welche in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 verwendet werden kann.

Fig. 5 zeigt beispielhaft Widerstandsmesskurven, gemessen an einem Ausführungsbeispiel mit vier verschieden dicken flächigen Elementen aus Kupfer, welche für die Dauer der Messung in ein bereits korrosiv wirkendes Gebrauchtöl eingetaucht wurden.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensoraufbaus, welcher zur Messung der Korrosion in ölen mit der erfindungsgemäßen Messmethode verwendet werden kann.

Fig. 7 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der chemisch stabilen flächigen Elemente (Messelektroden) (6) zur kapazitiven Messung der elektrischen Eigenschaft eines als „Korrosionsopfer" verwendeten flächigen Elementes zur Messung des korrosiven Materialverlustes.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die chemisch stabilen flächigen Elemente (6) als kapazitive Messelektroden auf dem selben Träger (7) gegenüber den zu korrodierenden flächigen Elementen (2) auf der Rückseite des Trägers (7) aufgebracht sind.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsvariante, wo die durch Korrosion sich ändernde elektrische Eigenschaft des als „Korrosionsopfer" verwendeten, gegebenenfalls strukturierten flächigen Elementes bzw. der flächigen Elemente (2) induktiv erfasst wird.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung der Korrosion in ölen mit mindestens zwei flächigen Elementen. Die flächigen Elemente dienen hier als „Korrosionsopfer" (2a), (2b), (2c) ... bis (2π) mit unterschiedlichen Filmdicken und sind auf einem nicht leitenden ölbeständigen Träger (1) aufgebracht. Die flächigen Elemente (2a), (2b), (2c) ... bis (2π) und sollen aus einem Metall sein, welche für die in der jeweiligen Anwendung auftretende Korrosivität des öles anfällig ist und/oder in der für die Korrosion kritischen Teilen

der Maschine verwendet wird. Durch Verwendung einer beliebigen Anzahl n von flächigen Elementen (2a), (2b), (2c) ... bis (2n) ist eine beliebig feine Abstufung und Erweiterung des Messbereiches für die Korrosion möglich. Die flächigen Elemente (2a), (2b), (2c) ... bis (2n) sind in diesem Falle vorzugsweise als Widerstandsbahnen ausgeführt, welche an zwei Enden elektrisch leitend kontaktiert und mit den zugeordneten Messelektronik-Komponenten (3a), (3b), (3c) ... bis (3π) der Mess- und Auswerteeinheit (3) zu einem elektrischen Messkreis (siehe Fig. 3) verbunden sind.

Es sei erwähnt, dass die flächigen Elemente nicht auf ebene Flächen eingeschränkt sind, sondern eine beliebige Form im Raum einnehmen können, die z.B. durch Ausschneiden und Biegen herstellbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel für eine Mess- und Auswerteeinheit (3), welche z. B. für die in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante des Sensorsystems verwendet werden kann, zeigt Fig. 3. Die Mess- und Auswerteeinheit (3) hat in diesem Falle für jedes der flächigen Elemente (2a), (2b), (2c) ... bis (2n) eine Messelektronik (3a), (3b), (3c) ... bis (3/?) zur Messung des elektrischen Widerstandes der flächigen Elemente. Die Ausgangssignale der Messelektroniken (3a), (3b), (3c) ... bis (3n) werden zur Auswerteeinheit (4) weitergeleitet, wo diese weiter verarbeitet und als Messwert ausgegeben bzw. - z. B auf einer Anzeigeeinheit (Display) - dargestellt werden können.

Durch die Verwendung von mehr als einem flächigen Element mit unter- schiedlicher Filmdicke in dieser Ausführungsvariante ist es ausreichend, die relative

Widerstandsänderung nur in einem kleineren, für die Messelektronik technisch einfach realisierbaren, Bereich zu messen, vorzugsweise nur über zwei oder weniger

Dekaden. Durch Verwendung mehrerer flächigen Elemente mit unterschiedlicher

Filmdicke ist auch eine digitale Auslesung (Erkennung des Zustandes „leitend" bzw. „nicht-leitend") des Sensors möglich, wobei die Auflösung von der Anzahl n der flächigen Elemente bestimmt wird.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Messelektronik (3) zur Messung des elektrischen Widerstandes der flächigen Elemente, welche in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 verwendet werden kann. Durch den Widerstand R _MF zwischen den elektrisch leitenden Kontaktierungen an zwei Enden eines zu messenden flächigen Elementes (2) wird ein durch die Stromquelle (3.1) definierter Strom geleitet. Ein Spannungsverstärker (3.2) kann verwendet werden, um das Spannungsabfallsignal an dem Widerstand des flächigen Elementes für die Weiterverarbeitung zu verstärken. Wenn der Sensor in eine Maschine so eingebaut wird, dass der Sensor ständig ins öl eintaucht, d. h. mit dem öl in Kontakt ist, erfahren die flächigen Elemente auf dem Sensor den selben Korrosionsangriff des öls während der Betriebs- und auch Stillstandzeiten der Maschine, wie die metallischen Teile der Maschine selbst, d. h. die durch die flächigen Elemente des Sensors als „Korrosionsopfer" erfahrene

Korrosion repräsentiert die gesamte Korrosionswirkung, welche auch die metallischen Teile der Maschine selbst erfahren. Die so aufintegrierte Gesamt- korrosionswirkung kann bereits als Maß für ein ölwechselkriterium dienen.

Da die Korrosivität (bzw. der Säuregehalt) des öles im Laufe des Betriebs zunimmt, könnte es vorteilhaft sein, die Korrosivität bzw. Korrosionswirkung des öles in einem bestimmten Zeitpunkt bzw. einer bestimmten Zeitspanne zu bestimmen. Die Korrosivität des öles bestimmt, wie schnei! die Korrosionskurve (wie in Fig. 1 symbolisiert) für eine bestimmte Filmdicke durchlaufen wird. Durch Vergleich zu einem Referenzverlauf, welche mit Hilfe eines konstantkorrosiven öles bestimmt wird, ist es möglich Korrosivität bzw. Korrosionswirkung des öles, bei welchem sich die Korrosivität mit der Zeit ändert, in einem bestimmten Zeitpunkt bzw. Zeitspanne zu bestimmen. Durch Verwendung von mehr als einem flächigen Element aus elektrisch leitfähigen Materialien erfolgt eine feinere Abstufung, d. h. Auflösung, des Messbereiches, wodurch die Messgenauigkeit wesentlich verbessert wird. Fig. 5 zeigt beispielhaft Widerstandsmesskurven gemessen an einem Ausführungsbeispiel mit vier verschieden dicken flächigen Elementen aus Kupfer, welche für die Dauer der Messung in ein bereits korrosiv wirkendes Gebrauchtöl eingetaucht wurden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die flächigen Elemente als Kupferfilm ausgebildet und 100 nm (KF1), 300 nm (KF2), 600 nm (KF3) und 1000 nm (KF4) dick. Es ist erkennbar, dass durch die geeignete Abstufung der Filmdicken eine überlappung der Messbereiche erreicht werden kann. In diesem Beispiel kann das Voranschreiten der Korrosion sowohl bei noch geringen, als auch bei großer Gesamtkorrosion noch aufgelöst werden, ohne dass der Widerstand über mehrere Dekaden gemessen werden muss. Die Korrosion eines Metalls erfolgt im allgemeinen nicht gleichmäßig über die ganze Fläche, sondern fleckig, ausgehend von so genannten Korrosionskeimen (Korrosionszentren). Dies ist mitunter der Grund, dass der Widerstand eines hinreichend dünnen flächigen Elementes (Metallfilmes) während der Korrosion sprungartig zunehmen kann. In einem ungünstigen Fall kann es vorkommen, dass der elektrische Kontakt an einer Stelle des flächigen Elementes durch die Korrosion bereits unterbrochen ist, obwohl der Großteil der Metallfümfläche noch vorhanden ist. Deshalb ist die Messung des elektrischen Widerstandes eines flächigen Elementes nur bedingt bzw. nicht in allen Fällen geeignet, um den korrosiven Materialverlust, etwa eines Metallfilms, zu messen. Die vorgeschlagene erfindungsgemäße Messmethode gestattet mit einem hiezu ebenfalls vorgeschlagenen Sensoraufbau, die oben genannten Einschränkungen zu beheben und eine messtechnische Beobachtung der gesamten zur Erfassung der Korrosion eingesetzten flächigen Elemente als „Korrosionsopfer" zu ermöglichen.

Der erfindungsgemäße Sensoraufbau zur Messung der Korrosion in ölen mit der erfindungsgemäßen Messmethode sieht mindestens ein flächiges Element vor, welches als „Korrosionsopfer" (Opferschicht) zur Erfassung der Korrosion dient. Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensoraufbaus. Mindestens ein flächiges Element aus elektrisch leitfähigem Material (2) ist auf einem nicht leitenden ölbeständigen Träger (5) aufgebracht. Dabei gelten die im ersten Teil der Erfindung beschriebenen erfindungsgemäße Grundsätze auch hierbei. Das heißt, durch Verwendung mehrerer flächiger Elemente aus elektrisch leitfähigen Materialien unterschiedlicher Filmdicke ist auch bei diesem Sensoraufbau eine weitere Verfeinerung und Erweiterung des Messbereiches für die Korrosion möglich. Die im Weiteren beschriebene Variante der erfindungsgemäßen Messmethode erlaubt auch, dass die flächigen Elemente unterschiedlicher Filmdicke sich elektrisch leitend berühren, d. h. dass das als „Korrosionsopfer" verwendete flächige Element im Querschnitt (in der Filmdicke) strukturiert ist. Die erfindungsgemäße Messmethode zur Messung des korrosiven

Materialverlustes mit wenigstens einem als „Korrosionsopfer" verwendeten flächigen Element sieht in einer anderen Ausführungsvariante die kapazitive Messung der elektrischen Eigenschaft der flächigen Elemente vor. Hierbei kann durch eine flächige Strukturierung der chemisch stabilen flächigen Elemente im Sinne von Messelektroden, vorzugsweise durch eine an sich bekannte inter-digitale (d.h. kammartig ineinander greifende) Struktur, im wesentlichen parallel zum Flächenverlauf des als „Korrosionsσpfer" verwendeten flächigen Elementes bzw. der als „Korrosionsopfer" verwendeten flächigen Elemente die Summe der lokalen Flächenleitfähigkeiten gemessen werden. Fig. 7 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der chemisch stabilen flächigen

Elemente (6), die als Messelektroden fungieren, zur kapazitiven Messung der elektrischen Eigenschaft eines als „Korrosionsopfer" verwendeten flächigen Elementes zur Messung des korrosiven Materialverlustes. Das „Korrosionsopfer" liegt parallel zu den chemisch stabilen flächigen Elementen (6) an der Rückseite des Trägers (7) und ist daher in Fig. 7 nicht zu sehen. Die chemisch stabilen flächigen Elemente (6) sind aus einem elektrisch leitfähigen, korrosionsbeständigen Material oder mit an sich bekannten Beschichtungen bzw. Methoden vor Korrosion geschützt. Die chemisch stabilen flächigen Elemente (6) sind in diesem Beispiel auf einem Träger (7) aus einem elektrisch isolierenden ölbeständigen Material aufgebracht, können alternativ dazu auch in eine Halterung aus solchem Material montiert sein. Es ist auch eine Ausführungsvariante vorgesehen, bei der die chemisch stabilen flächigen Elemente (6) und die als „Korrosionsopfer" eingesetzten flächigen Elemente (2) an gegenüberliegenden Oberflächen eines auswechselbaren Trägers oder einer auswechselbaren Halterung angeordnet sind, so dass sie rasch und mit geringem Arbeitsaufwand ausgetauscht werden können.

Die flächigen Elemente (2, 6) und gegebenenfalls der Träger oder die Halterung können auch flexibel ausgeführt sein, was eine Formanpassung durch Ausschneiden und Biegen erlaubt. Der sich daraus ergebende Vorteil ist z.B., dass der so ausgebildete Korrosionssensor auch als ein Teilstück einer Rohrwand ausgeführt sein bzw. so in einem Rohr untergebracht werden kann, dass die Strömung einer Flüssigkeit im Rohr nicht wesentlich beeinflusst wird. Diese ist auch gegeben, wenn die flächigen Elemente zwar starr sind, aber Herstellungstechnisch in die gewünschte Form gebracht werden.

Fig. 8 zeit ein Ausführungsbeispiel, bei dem die chemisch stabilen flächigen Elemente (6) als kapazitive Messelektroden auf demselben Träger (7) gegenüber den zu korrodierenden flächigen Elementen (2) („Korrosionsopfer") aufgebracht sind, welche auf der Rückseite des Trägers (7) aufgebracht sind. Mit dieser Anordnung ist es möglich, zum Beispiel durch Anlegen einer Wechselspannung an die chemisch stabilen flächigen Elemente (6) die Kopplungskapazitäten zwischen den chemisch stabilen flächigen Elementen (6) und dem „Korrosionsopfer" (2) sowie den verteilten elektrischen Widerstand des „Korrosionsopfers" (2) zu bestimmen. Die

Kopplungskapazität ist im Fall von einer fleckigen, Loch bildenden Korrosion ein Maß für die verbleibende Fläche des „Korrosionsopfers" (2). Bei der Bestimmung der verbleibenden Fläche bzw. des verteilten Widerstands ist die Funktion des chemisch stabilen flächigen Elementes (6) die großflächige und flächenhafte elektrische

Ankopplung an das Korrosionsσpfer (2) bzw. dass es eine kontaktlose Messung erlaubt und dadurch die Wartung vereinfacht.

Fig. 9 zeigt eine Ausfühmngsvariante, bei der die durch Korrosion sich ändernde elektrische Eigenschaft des als „Korrosionsopfer" verwendeten, gegebenenfalls strukturierten flächigen Elementes bzw. der flächigen Elemente (2) induktiv mit Hilfe einer elektrischen Spule (8) erfasst wird, welche auf der Rückseite des Trägers (7) durch entsprechende Strukturierung eines flächigen Elementes (etwa eines Metallfilmes) als Spule ausgebildet sein kann.

Es sei betont, dass die Verwendung mehrerer verschiedener Dickenschichten des als „Korrosionsopfer" verwendeten flächigen Elements (2) die Messtechnik vereinfacht und den Messbereich erweitert. Weiters wird durch die Verwendung eines flächigen Messverfahrens sowohl gleichmäßiger als auch fleckiger Korrosions- Materialverlust erfasst, und dadurch zusätzliche Information über den Korrosionsmechanismus gewonnen. Außerdem muss das „Korrosionsopfer" nicht elektrisch leitend kontaktiert werden, wodurch das Problem beseitigt wird, dass Korrosion bevorzugt an Kontaktstellen stattfindet. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass eine einfacherer Wartung, ermöglicht wird, da dadurch das Korrosionsopfer (eicht tauschbar ist. Denn bei elektrisch kontaktierender Messung

muss wegen Kontaktierungsproblemen die ganze Einheit getauscht werden, welche in das ö) hinein ragt.

Im Falle der induktiven Ankupplung ist der induzierte Wirbelstrσm bzw. die dadurch verursachte Dämpfung ein Maß für den verteilten elektrischen Widerstand des Korrosionsopfers, wobei dies vom leitenden Volumen der Opferschicht abhängt, egal ob Material gleichmäßig oder in Flecken verteilt ist.

Im Fall kapazitiver Ankopplung ist bei entsprechender Anordnung der Messelektroden sowohl der Flächenanteil als auch der verteilte Widerstand bestimmbar.