Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zur Korrosionsdetektion

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrosionsdetektion sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung. Konkret betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Korrosionsdetektion mit einer im Betrieb durch ein Prozessmedium kontaktierbaren Elektrode, also z. B. eine derartige Vorrichtung, die mit einer Rohrleitung derart kombinierbar ist, dass die Elektrode sich ins Innere der Rohrleitung erstreckt und dort im Betrieb von einem durch die Rohrleitung strömenden Prozessmedium kontaktiert wird.

Eine derartige Vorrichtung zur Korrosionsdetektion (Korrosionssensor) 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 diesen 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 Korrosions- detektion 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 Korro- sionsstromdichten 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einer Vorrichtung zur Korrosi- onsdetektion mit einer im Betrieb durch ein Prozessmedium kontaktierbaren Elektrode vorgesehen, dass die Elektrode in Form eines Zweipols mit einem komplexen Widerstand ausgeführt ist.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit einer solchen Elektrode nicht nur die Widerstandsänderung als Maß für eine eventuelle Korrosion erfasst werden kann, sondern auch eine änderung einer elektrischen Resonanzfreguenz in Lage, Amplitude und/oder Phase. Eine derartige Korrosionserkennung ist erheblich sensitiver als Verfahren und Vorrichtungen, die auf einer reinen Widerstandsänderung basieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombina-

tionen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachge- ordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Be- schränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Elektrode eine Induktivität umfasst oder dass der Elektrode eine Induktivität zuge- ordnet ist, also z. B. eine Induktivität, die in einem elektrischen Ersatzschaltbild der Elektrode oder des Zweipols mit einem ohmschen Widerstand derselben in Serie oder parallel geschaltet ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Elektrode eine Kapazität umfasst oder dass der Elektrode eine Kapazität zugeordnet ist, derart, dass sich ein Zweipol ergibt, in dessen elektrischem Ersatzschaltbild die Kapazität mit dem ohmschen Widerstand der Elektrode in Serie oder parallel geschaltet ist. Sowohl eine Induktivität als auch eine Kapazität oder eine Kombination von Induktivi- tat und Kapazität verleihen dem in seiner Gesamtheit die

Elektrode bildenden Zweipol einen komplexen Widerstand. Durch Verwendung einer Induktivität und/oder Kapazität ist also eine Korrosionsdetektion durch Erfassung einer änderung einer elektrischen Resonanzfrequenz möglich.

Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass der Elektrode eine einen Wellengenerator umfassende Auswerteelektronik zugeordnet ist. Die Auswerteelektronik ist dabei wie eine entsprechende Auswerteelektronik bei bekannten Korrosionssensoren zur Er- fassung von änderungen elektrischer Charakteristika der

Elektrode vorgesehen, hier also zumindest auch zur Erfassung von änderungen der elektrischen Resonanzfrequenz. Wenn mit der Auswerteelektronik ein Wellengenerator kombiniert ist, können das Beaufschlagen der Elektrode mit einem Signal und eine nachfolgende Auswertung der elektrischen Charakteristika der Elektrode besonders einfach zeitlich koordiniert werden. Die Verwendung eines Wellengenerators eröffnet zudem die Möglichkeit, den die Elektrode bildenden Zweipol mit einem Sig-

nal vorgegebener oder vorgebbarer Frequenz zu beaufschlagen und/oder sicherzustellen, dass eine Amplitude des zur Beaufschlagung der Elektrode verwendeten Signals eine vorgegebene oder vorgebbare Maximalamplitude nicht überschreitet. Der Vorteil einer Anregung der Elektrode mit einem Signal vorgegebener oder vorgebbarer Frequenz oder mit einem Signal aus einem vorgegebenen oder vorgebbaren Frequenzbereich ergibt sich vor allem aus einer Reduktion einer bei einer Auswertung der elektrischen Charakteristika zu berücksichtigen- den Anzahl von Unbekannten. Der Vorteil einer Verwendung eines Signals, dessen Amplitude eine vorgegebene oder vorgebbare Maximalamplitude nicht überschreitet, liegt vor allem darin, dass mit Signalen unterhalb einer solchen Maximalamplitude, die im Folgenden auch als „Kleinwellen" und der Wellenge- nerator entsprechend als „Kleinwellengenerator" bezeichnet werden, die sich ergebenden Zusammenhänge ausreichend genau durch lineare Beziehungen darstellbar sind, während bei Anregungen mit Signalen oberhalb einer solchen Maximalamplitude der lineare Bereich verlassen würde und entsprechend der ma- thematische Aufwand zur Ermittlung der elektrischen Charakteristika überproportional steigt.

Soweit die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung der eingangs und nachfolgend beschriebenen Art betrifft, ist vorgesehen, dass die Elektrode mittels des Wellengenerators mit einem Signal, also einer oder mehreren Frequenzen oder einem Impuls, angeregt oder beaufschlagt wird und mittels der Auswerteelektronik ein resultierender Strom oder eine resultierende Spannung ausgewertet wird.

Das Verfahren ist bevorzugt in Software oder in einer Kombination Soft-/Hardware implementiert, so dass die Erfindung auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des oben skizzierten und nachfolgend beschriebenen Verfahrens betrifft. In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder ein Speichermedium, mit einem durch einen Computer aus-

führbaren derartigen Computerprogramm. Ein solches Computerprogramm ist bevorzugt Bestandteil der Auswerteelektronik oder wird in einem Speicher der Auswerteelektronik vorgehalten oder ist in diesen Speicher ladbar, so dass beim Betrieb der Vorrichtung diese die Korrosionsdetektion nach dem Verfahren automatisch ausführt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegen- stände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen.

Es zeigen

FIG 1, FIG 3, FIG 5 und FIG 7 schematisch vereinfachte Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsformen einer Vorrich- tung zur Korrosionsdetektion (Korrosionssensor) mit dem jeweiligen elektrischen Ersatzschaltbild und

FIG 2, FIG 4, FIG 6 und FIG 8 eine graphische Darstellung eines übertragungsverhaltens der in FIG 1, 3, 5 und 7 darge- stellten Korrosionssensoren.

FIG 1 zeigt schematisch vereinfacht eine Vorrichtung zur Korrosionsdetektion 10 (Korrosionssensor) mit einer im Betrieb

durch ein Prozessmedium 12 kontaktierbaren Elektrode 14, wobei die Strömungsrichtung des Prozessmediums 12 durch eine Pfeilrichtung symbolisiert ist. Die Vorrichtung 10 ist insgesamt einer Rohrleitung 16 zugeordnet, derart, dass sich die Elektrode 14 in das Innere der Rohrleitung 16 erstreckt und dass eine Auswerteelektronik 18, insbesondere eine mit einem Wellengenerator kombinierte Auswerteelektronik 18, außerhalb der Rohrleitung, also ohne Kontakt mit dem Prozessmedium 12 angeordnet ist. Die Elektrode 14 ist als Zweipol mit einem komplexen Widerstand ausgeführt. Bei der Ausführungsform gemäß FIG 1 ergibt sich der komplexe Widerstand dadurch, dass die Elektrode 14 zumindest teilweise nach Art einer Spule geformt ist und entsprechend eine Induktivität aufweist. Auf der linken Seite in FIG 1 ist dazu das elektrische Ersatz- Schaltbild gezeigt, das den ohmschen Widerstand der Elektrode 14 als R und die Induktivität der Elektrode 14 aufgrund deren Spulenform als L zeigt. Wenn die Elektrode 14 mittels der Elektronik 18, namentlich durch den davon umfassten Wellengenerator, angeregt wird, ergeben sich ein Stromfluss I durch den Zweipol und eine Spannung U über demselben. Zur Erkennung etwaiger Korrosionen an der Elektrode 14 ist vorgesehen, dass nicht (nur) , wie im Stand der Technik bekannt, eine änderung des Widerstands der Elektrode 14, sondern alternativ oder zusätzlich die änderung einer elektrischen Resonanzfrequenz des die Elektrode 14 bildenden Zweipols nach Lage, Amplitude und/oder Phase ermittelt wird. Die änderung kann durch Aufprägung einer Kleinsignalerregung bei einer oder mehreren Frequenzen oder als Impuls und Auswertung des resultierenden Wechselstroms oder der resultierenden Wechselspannung ermit- telt werden.

Die in FIG 1 dargestellte spulenförmige Elektrode 14 lässt sich durch ihre Windungsanzahl N, Länge 1, Fläche einer Windung A ₁ Permeabilitätszahl μ, Radius r und ihren spezifischen elektrischen Widerstand p beschreiben. Ein elektrischer Widerstand R und eine Selbstinduktion L der Spulenelektrode 14 ergeben sich wie folgt:

π-r ² I

Das frequenzabhängige Verhalten wird durch

— = R + L-Jω ( 1 )

R o- ϊ ¹ beschrieben, wobei eine Grenzfrequenz — = ^ auf-

L μ _o -N ² -A-π-r ² tritt.

FIG 2 zeigt das durch (1) ausgedrückte übertragungsverhalten als Funktion der Frequenz. Auf der Ordinate sind dazu in der oberen und unteren Darstellung der Betrag bzw. die Phase des Quotienten aus Spannung U und Strom I dargestellt, wobei für den Betrag eine logarithmische Darstellung Anwendung findet.

In FIG 2 beschreibt die durchgezogene Linie 20 das Verhalten für eine nicht von Korrosion betroffene Elektrode 14 (FIG 1) . Die gestrichelten und strichpunktierten Linien 22, 24 beschreiben Simulationen für eine Elektrode 14 mit um 10% bzw. 20% verringertem Radius aufgrund von Korrosion. Die Lage der Grenzfrequenz ist nicht nur vom Elektrodenradius r abhängig, der durch die Korrosion reduziert wird, sondern auch von der Spulenfläche A und Windungsanzahl W, die als zusätzliche Parameter sowohl die Lage der Grenzfrequenz als auch die Empfindlichkeit der Lage gegenüber Korrosion beeinflussen.

FIG 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei der die Elektrode 14 einen spulenartig geformten ersten Elektrodenteil 26 mit Spulenanzahl N, Länge 1, Fläche einer Windung A und Permeabilitätszahl μ umfasst, der parallel zu einem einer konventionellen Elektrode mit Radius r, Länge l _r und spezifischem elek- trischen Widerstand p entsprechenden zweiten Elektrodenteil

28 geschaltet ist. In Abhängigkeit vom Widerstand des zweiten

Elektrodenteils 28 R = —— ^r - und der Selbstinduktion des ers- π-r ten Elektrodenteils 26 L = ^μ ° ^{'N 'A} beschreibt Gleichung (2) das frequenzabhängige übertragungsverhalten der Elektrode 14,

das in FIG 4 bei gleichen Verhältnissen wie in FIG 2 als Funktion der Anregungsfrequenz dargestellt ist.

Statische Spannungen U werden nur gering übertragen und damit beeinflussen Potentiale die Messungen nur im geringem Maße, da eine Grenzfrequenz auftritt. Die Grenzfrequenz R/L ergibt sich aus dem ohmschen Widerstand des zweiten Elektrodenteils 28, also gleichsam der „konventionellen Elektrode", und der

Selbstinduktion des spulenförmigen ersten Elektrodenteils 26. Bei geeigneter Wahl von Windungsfläche A und der Spulenlänge 2 kann der Einfluss des ohmschen Widerstands des zweiten Elektrodenteils 28 und damit einer etwaigen Korrosion gestei- gert werden, wobei der ohmsche Widerstand des ersten Elektrodenteils 26 klein gegenüber dem Widerstand des zweiten Elektrodenteils 28 gewählt wird.

FIG 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Elektrode 14 neben dem spulenförmigen, auch in FIG 1 oder FIG 3 gezeigten ersten Elektrodenteil 26 in Serienschaltung einen zweiten Elektrodenteil 28 mit einer Kapazität C umfasst. Dadurch ändert sich das übertragungsverhalten zu

1

wobei Uo die über dem zweiten Elektrodenteil 28 und Ui die über der Elektrode 14 insgesamt abfallende Spannung bezeichnet.

Auf der linken Seite in FIG 5 ist das elektrische Ersatzschaltbild einer solchen Elektrode 14 gezeigt.

In FIG 6 ist dieses übertragungsverhalten als Funktion der Anregungsfrequenz mit dem Kleinwellensignal dargestellt. Auf der Ordinate ist dazu in der oberen und unteren Darstellung der Betrag bzw. die Phase des Quotienten aus der Spannung Uo über dem zweiten Elektrodenteil 28 und der Spannung U± über der Elektrode 14 dargestellt, wobei für den Betrag eine logarithmische Darstellung Anwendung findet.

Die Korrosion beeinflusst jetzt nicht nur die Lage der auf- tretenden Resonanzfrequenz sondern auch deren Amplitude, die proportional zu ist. Das Auftreten hoher Amplituden bei Resonanz bedeutet ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis. Außerdem ist die übertragung bei statischen Werten konstant 1, so dass statische Potentiale nicht störend einwirken.

Aufgrund der geringen Bandbreite der Resonanzüberhöhung genügt die Anregung durch ein Kleinwellensignal mit einer einzigen Frequenz. Die Kapazität des Kondensators kann als zusätzlicher Parameter zur Verstärkung der Widerstandsänderung durch Korrosion eingesetzt werden.

FIG 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Elektrode 14 neben einem im Wesentlichen einer konventionellen Elektrode entsprechenden ersten Elektrodenteil 26 in Serienschaltung einen zweiten Elektrodenteil 28 mit einer Kapazität C um- fasst. Dadurch ändert sich das übertragungsverhalten zu

1 wobei U ₀ die über dem zweiten Elektrodenteil 28 und Ui die über der Elektrode 14 insgesamt abfallende Spannung bezeichnet. Das übertragungsverhalten ist in Figur 8 bei gleichen Ordinatenbezeichnungen wie in Figur 6 dargestellt.

Die Lage der Grenzfrequenz gibt Aufschluss über das Korrosionsmaß. Die Größe der Kapazität C kann als Parameter zur Verstärkung der Widerstandsänderung benutzt werden und ein statisches Potential stört nicht bei den Messungen.

Der Ansatz gemäß der Erfindung ist ähnlich robust und einfach wie die Widerstandsmethode. Die Robustheit wird erhöht, wenn der Ansatz gemäß der Erfindung redundant zur Widerstandsmethode genutzt wird, wie in den Ausführungsbeispielen gemäß FIG 3 und FIG 7 beschrieben, weil sich eine größere Empfindlichkeit und ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis ergeben, da in Resonanz gemessen und die Resonanz ausgewertet wird, die weniger von Prozessrauschen beeinflusst wird. Die Resonanz kann besonders vorteilhaft im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 3 benutzt werden. Da das Verfahren dynamische Signale benutzt, ist es unempfindlich gegenüber statischen Potentialänderungen und kann in Kombination mit Verfahren eingesetzt werden, die Potentialänderungen benötigen (z.B. LPR) . Dies sind besonders Vorteile der Ausführungsbeispiele gemäß FIG 3, FIG 5 und FIG 7.

Durch das Hinzufügen zusätzlicher Komponenten als Elektrodenteile (spulenförmige Elektrode, Kondensator) und Veränderung bestimmter Parameter (z.B. Länge der Spule, Kapazität des Kondensators, Spulenwindungsdurchmesser) besteht eine bessere Möglichkeit zur Anpassung der Korrosionsdetektion an die Aufgabenstellung .

Durch die einfache Auswerteelektronik 18 ist auch eine Integ- ration in vorhandene Feldgeräte möglich. Herkömmliche Feldgeräte können einfach zu kombinierten Korrosionssensoren umgewandelt werden.

Gegenüber einer Impedanzspektroskopie ist die Anzahl der Un- bekannten verkleinert, da die Kleinwellenanregung nur gezielt bei einer vorher bestimmbaren Frequenz stattfindet. Bei der Impedanzspektroskopie wird demgegenüber die Systemantwort auf eine Kleinsignalerregung unterschiedlicher Frequenz (mHz- bis

kHz-Bereich) als Impedanzspektrum ermittelt. Das Verfahren ist instrumenteil aufwendig und der Zeitaufwand für Messungen liegt im Minutenbereich.

Damit lässt sich die Erfindung kurz wie folgt darstellen: Die Erfindung schlägt als Korrosionssensor eine Vorrichtung mit einer im Betrieb durch ein Prozessmedium 12 kontaktierba- ren Elektrode 14 vor, mit einer Elektrode 14 in Form eines Zweipols mit einem komplexen Widerstand, so dass zu dessen Betrieb die Elektrode 14 mittels eines Wellengenerators mit einem Signal angeregt wird und mittels einer Auswerteelektronik 18 ein resultierender Strom I oder eine resultierende Spannung U ausgewertet wird, insbesondere im Hinblick auf eine änderung des elektrischen Resonanzfrequenz in Lage, Ampli- tude und/oder Phase. Eine Elektrode 14 mit einem komplexen Widerstand lässt sich besonders einfach durch eine geometrisch optimierte Gestaltung derselben erreichen, also z.B. durch Verwendung einer spulenförmigen Elektrode und eines spulenförmigen Elektrodenteils.