Korozymetr polaryzacyjny

Opracował: dr inż. Igor Skalski

Projekt objęty prawami autorskimi.

Założenia wstępne

Korozymetr polaryzacyjny służy do pomiaru szybkości korozji ogólnej metali i stopów. Szybkość korozji materiału wyznacza się określając na podstawie zależności potencjału polaryzacji od prądu polaryzacji. Wartość rezystancji polaryzacji Rp, czyli granicy stosunku zmiany potencjału do zmiany gęstości prądu dla zerowej wartości prądu, pozwala na określenie szybkości korozji (ba - anodowy współczynnik Tafela, bk - katodowy współczynnik Tafela).

Niniejsza praca stanowi próbę weryfikacji koncepcji możliwości wykonania wiarygodnego i wystarczająco dokładnego przyrządu korozymetrycznego w oparciu o programowalny układ mikrokontrolera AVR - wykorzystano system uruchomieniowy Arduino - oraz niewielka liczbę elementów biernych. Opracowano i wykonano prototyp korozymetru, pracującego w trybie galwanostatu. Zadaniem układu elektronicznego jest zapewnienie właściwej wartości prądu polaryzacji. Wszystkie pozostałe funkcje korozymetru rozwiązano w sposób programowy.

14.04.2015 r. - Na obecnym etapie rozwojowym korozymetr jest wyposażony w wyświetlacz ułatwiający śledzenie zachowania urządzenia podczas pracy. Dane pomiarowe są na bieżąco przesyłane do komputera za pośrednictwem złącza USB. Planuje się wbudowanie do układu modułu kart pamięci SD oraz zapis danych na kartach. Korozymetr będzie również posiadał zegar czasu rzeczywistego, ułatwiający identyfikację zarejestrowanych danych.

Schematy

Schemat ideowy

Sposób przyłączenia wyświetlacza LCD, modułu karty SD, zegara czasu rzeczywistego i enkodera MOD-16.Z do Arduino Uno/Nano

Sposób przyłączenia modułu ethernetowego ENC28J60 do Arduino Uno/Due/Mega

Zmontowany układ

Wyniki wstępnych pomiarów

Wstępne badania przeprowadzono polaryzując próbkę ze stali węglowej, umieszczoną w nie mieszanym wodnym roztworze chlorku sodowego NaCl, o niewielkim stężeniu. Czas ekspozycji próbki: ok. 2 tygodnie. Temperatura pokojowa. Wymiary powierzchni próbki: 1,3x1,3 cm. Zakres polaryzacji: +/- 100 mV względem potencjału korozyjnego. Elektroda odniesienia: nasycona elektroda kalomelowa. Elektroda pomocnicza: platynowana siatka tytanowa.

Zależność potencjału od gęstości prądu polaryzacji

Zmiana prądu polaryzacji w czasie badania

Zmiana potencjału w czasie badania

Pomiarów dokonywano bez przerwy w czasie 16 godzin, podczas których urządzenie wykonało 10 pomiarów. Podczas ponad godzinnych przerw pomiędzy pomiarami korozymetr śledził wartość potencjału korozyjnego ustalając warunki bezprądowe. Zmienność wartości przedstawiono na wykresach. Zależności w zakresie +/- 30 mV względem potencjału korozyjnego aproksymowano wielomianem trzeciego stopnia i na tej podstawie wyznaczano wartość Rp jako nachylenie wielomianu w punkcie j=0. Szybkość korozji obliczono dla wartości B=32 mV.

Zmienność potencjału korozyjnego w czasie pomiarów

Zmienność rezystancji polaryzacji w czasie pomiarów

Zmienność szybkości korozji w czasie pomiarów

16.4.2015 r. - Autonomiczny korozymetr wyposażony w zegar czasu rzeczywistego, zapisujący wyniki pomiarów na karcie SD.

20.4.2015 r. - Wyniki pomiarów wykonanych w trybie programowego potencjostatu. Badano próbkę o powierzchni 1,3x1,3 cm eksponowaną w nie mieszanym wodnym roztworze chlorku sodowego NaCl. Zakres polaryzacji: +/- 50 mV względem potencjału korozyjnego. Elektroda odniesienia: nasycona elektroda kalomelowa. Elektroda pomocnicza: platynowana siatka tytanowa.

Zmiana potencjału i gęstości prądu w czasie pomiaru

21.4.2015 r. - Wyniki pomiarów wykonanych w trybie programowego potencjostatu. Szybkość korozji podczas czternastu kolejnych pomiarów.

22.4.2015 r. - Wyniki kolejnych pomiarów.

24.4.2015 r. - Wyniki kolejnych pomiarów.

27.4.2015 r. - Wyniki pomiarów. Po zakończeniu trzeciego cyklu pomiarowego do roztworu dodano niewielką ilość kwasu solnego.

06.5.2015 r. - Stal 16G2ANb, skorodowana, po poprzednich badaniach. Badanie w wodzie destylowanej. Po pierwszej dobie ekspozycji do naczynia dodano 0,1 ml 38% HCl cz.d.a. (stężenie roztworu ok. 0.013%).

Krzywe polaryzacyjne: zielona: ekspozycja w wodzie destylowanej; czerwona: ekspozycja w 0.013% HCl

07.5.2015 r. - ... po ponownym dodaniu 0.1 ml HCL: stężenie roztworu ok. 0.026% HCl.

Krzywe polaryzacyjne: zielona: ekspozycja w wodzie destylowanej; czerwona: ekspozycja w 0.013% HCl; niebieska: ekspozycja w 0.026% HCl

05.5.2015 r. - 08.5.2015 r. - Stal 16G2ANb, skorodowana, po poprzednich badaniach. Próbkę początkowo badano w wodzie destylowanej, a następnie w odstępach 24 h dodawano odmierzone dawki kwasu solnego HCl cz.d.a.

12.5.2015 r. -

17.5.2016 r. - Pomiary na sondzie trójelektrodowej - pręty wykonane ze stali węglowej

CORMET MEGA: Arduino Mega 2560 R3, Datalogger Shield SD+RTC, Ethernet Card ENC28J60, MOD-16.Z

# 2016-05-17 08:05:18 # cm0979.dat # S: 12.00 cm^2 # Vr: 40.00 mV/min # Ec: 5.94 mV # T: 24.68 C deg 8 -41.40 -11.81 15 -41.40 -12.08 28 -30.86 -10.79 35 -28.37 -8.78 42 -22.14 -7.85 50 -18.69 -5.90 57 -14.85 -5.10 65 -7.67 -2.95 72 -4.22 -1.85 79 1.34 1.14 91 4.60 0.64 98 11.12 2.91 107 14.09 4.50 117 20.13 7.65 126 23.10 7.42 134 29.42 12.43 142 37.09 14.57 150 42.36 15.41 157 45.33 18.34 164 47.73 20.05 173 54.91 23.10 # Rp: 3078.46 Ohm*cm^2 # Jc: 10.39 uA/cm^2

# 2016-05-17 08:17:50 # cm0980.dat # S: 12.00 cm^2 # Vr: 40.00 mV/min # Ec: 11.02 mV # T: 24.78 C deg 6 -41.02 -15.62 13 -30.19 -11.14 24 -28.08 -9.11 31 -18.88 -6.96 38 -16.68 -8.04 45 -9.87 -6.11 52 -9.49 -4.34 60 -2.68 -3.47 68 1.15 0.75 75 7.86 0.74 83 10.54 1.40 90 16.68 4.54 102 20.03 5.37 110 25.01 8.38 117 31.34 11.52 124 35.17 13.18 132 39.39 13.98 139 46.77 18.40 148 51.18 21.11 154 55.20 23.02 160 60.47 28.03 # Rp: 2767.78 Ohm*cm^2 # Jc: 11.56 uA/c m^2

18.5.2016 r. - Pomiary na sondzie trójelektrodowej - pręty wykonane ze stali węglowej; po uproszczeniu algorytmu poszukiwania wartości E i j.

CORMET MEGA:

# 2016-05-18 11:02:18 # cm1050.dat # S: 12.00 cm^2 # Vr: 40.00 mV/min # Ec: 11.50 mV # T: 24.68 C deg 7 -42.26 -14.26 18 -35.84 -12.93 28 -29.23 -10.88 35 -22.23 -7.66 44 -15.81 -6.69 50 -10.93 -4.73 62 -4.22 -3.66 70 -3.16 -3.96 77 3.45 -0.71 84 9.87 2.36 91 15.14 4.42 98 16.48 5.18 105 23.10 8.19 113 25.40 8.98 123 32.49 9.82 133 35.55 13.57 140 41.69 15.73 148 46.48 19.72 155 52.81 21.67 163 58.46 24.51 174 64.78 28.21 # Rp: 2315.28 Ohm*cm^2 # Jc: 13.82 uA/cm^2

# 2016-05-18 11:09:41 # cm1051.dat # S: 12.00 cm^2 # Vr: 10.00 mV/min # Ec: 13.80 mV # T: 24.46 C deg 32 -36.32 -11.18 65 -31.72 -10.21 96 -25.97 -8.36 128 -22.33 -8.43 160 -13.80 -6.50 190 -9.20 -5.72 224 -9.01 -5.04 256 0.67 -1.73 288 5.46 -0.91 321 11.50 0.95 353 13.03 2.72 383 18.69 3.35 415 24.63 5.23 446 30.19 9.18 478 35.36 9.95 509 37.66 11.52 540 44.56 15.22 570 50.12 16.78 602 55.58 18.27 634 57.12 20.60 664 65.84 25.33 # Rp: 3309.38 Ohm*cm^2 # Jc: 9.67 uA/cm^2

24.5.2016 r. - CORMET MEGA

27.5.2016 r. - CORMET MEGA

SIERPIEŃ 2016 r. - Pomiary na sonach trójelektrodowych - drutach zakopanych w glebie.

# 2016-08-09 11:11:27 # cm0138.dat # S: 68.00 cm^2 # Vr: 10.00 mV/min # Ec: 181.80 mV # T: 17.60 C deg. 30 134.84 -0.25 62 144.33 -0.21 93 145.09 -0.18 124 149.69 -0.11 155 153.24 -0.10 186 160.04 -0.08 216 163.69 -0.10 248 169.63 0.00 280 178.83 0.05 311 178.92 0.04 344 182.57 0.03 375 190.71 0.14 406 196.08 0.21 437 200.58 0.18 470 207.48 0.23 500 208.73 0.20 532 220.42 0.29 563 221.76 0.25 595 227.70 0.31 627 230.29 0.29 659 232.59 0.32 # Rp: 147551.37 Ohm*cm^2 # Jc: 0.22 uA/cm^2

# 2016-08-09 12:38:06 # cm0140.dat # S: 76.00 cm^2 # Vr: 10.00 mV/min # Ec: 49.64 mV # T: 17.82 C deg. 31 1.15 -0.18 62 9.97 -0.08 93 18.11 -0.07 124 19.74 -0.05 155 25.49 -0.01 187 25.78 -0.00 218 34.60 -0.02 248 42.84 0.05 279 41.50 0.04 310 52.04 0.07 341 59.23 0.13 372 57.02 0.09 403 67.76 0.10 434 65.26 0.07 465 72.45 0.10 499 84.24 0.19 530 82.99 0.17 562 92.10 0.19 592 100.34 0.20 624 100.34 0.21 654 101.30 0.24 # Rp: 261114.43 Ohm*cm^2 # Jc: 0.12 uA/cm^2