Устройство для измерения электродных потенциалов на металлической поверхности
DEVICE FOR MEASURING ELECTRODE POTENTIALS ON METALLIC SURFACE

Настоящее изобретение относится к строительству и машиностроению и может быть использовано для измерения электродных потенциалов, обнаружения микро- и макроскопических несплошностей в покрытиях на металлах в различных изделиях, изучения электрохимической коррозии разнородных материалов при взаимодействии с окружающей средой, обеспечения коррозионной стойкости металлов и сварных соединений.
Из существующего уровня техники известны устройства для измерения электродных потенциалов, представляющие собой электролитические ячейки со стандартным водородным или каломельным электродом. Известны также устройства, предусматривающие порционную подачу капли электролита на поверхность металла и погружения в него электрода сравнения из благородного металла. Известны электрохимические ячейки для исследования коррозии металлов (авт. свид. SU №927037, опубл. 2000 г.; пат. RU 2085926, опубл. 21.07.1997). Эти устройства позволяют определить средний электродный потенциал материала. Недостатком данных технических решений является то, что они не предназначены для определения электродных потенциалов на криволинейных поверхностях и на малых участках металла, контактирующих с агрессивной средой.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является электрохимическая ячейка для исследования коррозии металлов, состоящая из стола, капилляра, электролитического ключа, сосуда с рабочим раствором, электрода сравнения, подвижного стола, изолирующей прокладки, милливольтметра (пат. RU №2088913, опубл. 27.08.1997).
2
Недостатками данного технического решения являются низкая точность измерения электродных потенциалов, сложность регулирования процесса измерений, особенно на криволинейных поверхностях из-за стекания электролита, зависимость состояния поверхности, смоченной каплей электролита, на результаты измерений, поэтому известное устройство позволяет определить средний электродный потенциал участков поверхности металла только на большой площади размером не менее 10 мм.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства увеличенной точности для локального измерения электродных потенциалов металлических поверхностях со структурной и химической неоднородностью. Локальность измерения достигается ограничением растекания электролита на исследуемой поверхности и применением электрода малого диаметра 0,05-1,2 мм, что позволяет ограничить растекание измеряемого гальванического тока, на площади, близкой к площади поперечного сечения электрода сравнения.
Данное устройство для измерения электродных потенциалов на металлической поверхности, как и наиболее близкий аналог, содержит электродный узел, систему подвода электролита в зону измерения, координатный столик, милливольтметр. Указанная выше техническая проблема решается за счет того, что заявленное изобретение отличается от ближайшего аналога тем, что электродный узел выполнен в виде полой трубки из диэлектрического материала с внутренним диаметром до 4 мм, внутрь которого помещен электрод сравнения диаметром 0,05-1,2 мм из благородного металла, соединенный с милливольтметром, причем конец электрода не доходит на расстояние не более чем 3 мм до торца трубки, а пространство между стенками внутренней поверхности трубки и наружной поверхностью электрода заполнено волокнистым материалом, через который электролит подается по гибкой трубке из емкости в зону измерения. Волокнистый материал размещен в полости трубки и выступает за пределы торца трубки на 0,3-1,5 мм, а конец электрода сравнения расположен выше торца трубки на 0,5-3 мм. Милливольтметр предназначен для измерения напряжения между электродом сравнения и образцом.
Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение повышенной точности и локальности измерения электродных потенциалов на металлических поверхностях со структурной и химической неоднородностью на малых площадях и отдельных структурных составляющих материала. Измерение электродных потенциалов на малых участках по площади поверхности металла необходимо, в частности, при оценке коррозионной стойкости сварных соединений из сталей, цветных металлов и сплавов, а также при оценке коррозионной стойкости двухфазных материалов, например ферритно-перлитных сталей.
В предлагаемом устройстве отмеченные недостатки существующих устройств и достижение указанного выше технического результата достигается за счет того, что взамен электродной ячейки со свободно лежащей каплей электролита на поверхности металла использована электродная ячейка, создаваемая электродом сравнения диаметром 0,05-1,2 мм, расположенным внутри капиллярного волокнистого материала, помещенного в корпус электродного узла.
Подача электролита осуществляется по трубке. Растекание электролита ограничено площадью касания волокнистого материала на поверхности образца, что обеспечивает измерение электродного потенциала на малых площадях, соизмеримых с размерами структурных составляющих металлических материалов.
За малый промежуток времени, необходимый для измерения величины электродного потенциала, электролит не растекается по поверхности образца, ограниченной площадью внутреннего диаметра полимерной трубки, прижатой грузом к образцу.
Площадь измерения электродного потенциала определяется площадью торца электрода сравнения в месте его контакта с исследуемой поверхностью образца.
Локальность измерения обеспечивается использованием электрода малого диаметра с заостренным концом, сопоставимым по размерам с неоднородностями поверхностей исследуемого участка образца.
В частном случае осуществления изобретения для обеспечения стабильности результатов измерений в разных точках исследуемого образца на корпусе электродного узла предусмотрена площадка для крепления груза, создающего постоянное усилие, достаточное для прижатия торца волокнистого заполнителя к образцу, не зависящее от перемещения устройства по поверхности исследуемого образца.
Кроме того, в частном случае осуществления изобретения для обеспечения точности установки электродного узла на исследуемую поверхность образца и наблюдения за процессом измерения в увеличенном масштабе х(10-24) на экране дисплея устройство может быть снабжено видеокамерой, подключенной к компьютеру.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена общая схема устройства для измерения электродных потенциалов.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено:
1 - электрод сравнения из благородного металла (золота, платины);
2 - трубка из диэлектрического материала (полиэтилена, полистирола или полиметил акрилата);
3 - волокнистый материал;
4 - держатель электродного узла;
5 - площадка для груза;
6 - груз;
7 - кран;
8 - гибкая трубка для подачи электролита в микрокапилляр;
9 - электролит;
10 - емкость для электролита;
11 - штатив;
12 - устройство крепления емкости с электролитом;
13 - монитор компьютера;
14 - устройство для вертикального перемещения электродного узла;
15 - видеокамера;
16 - милливольтметр;
17 - стол;
18 - координатный столик;
19, 20 - микрометрические лимбы;
21 - изолирующая прокладка;
22 - исследуемый образец;
h - зазор между электродом сравнения и поверхностью образца.
Устройство для измерения электродных потенциалов на металлических поверхностях с геометрической, структурной и химической неоднородностью содержит: электродный узел, включающий электрод сравнения 1 из благородного металла (золота или платины), который помещен в гибкую трубку 2 из диэлектрического материала (полиэтилена, полистирола или полиметилакрилата), заполненную волокнистым материалом 3, обеспечивающим капиллярный эффект при подаче электролита от системы подвода электролита в зону измерения.
Устройство также содержит держатель 4 трубки электродного узла и закрепленную на трубке 2 площадку 5 для груза 6. В систему подвода электролита в зону измерения входит кран 7 и гибкая трубка 8 для подачи электролита 9 через волокнистый материал 3 к исследуемому образцу, а также емкость 10 для электролита.
Устройство для измерения электродных потенциалов содержит штатив 11, к которому прикреплены держатель 4 трубки электродного узла и емкость 10 для электролита, закрепленную посредством устройства 12 ее крепления на штативе 11.
На штативе 11 также закреплено устройство 14 для вертикального перемещения электродного узла и видеокамера 15, подключенная к монитору 13 компьютера. Измерение электродных потенциалов производится посредством милливольтметра 16.
Устройство также содержит стол 17, на котором установлен штатив 11 и координатный столик 18 для размещения исследуемого образца. Координатный столик 18 снабжен микрометрическими лимбами 19 и 20 для перемещения столика по направляющим, установленным на столе 17; изолирующую прокладку 21, закрепленную на поверхности координатного столика и предназначенную для установки на ней исследуемого металлического образца 22.
Устройство используется следующим образом. Исследуемый металлический образец 22 через изолирующую прокладку 21 размещают на координатном столике 18 и подключается к контактному проводу милливольтметра 16. В держателе 4 закрепляют трубку 2 из диэлектрического материала, заполненную изнутри известным волокнистым материалом 3, например из стекловолокна. Внутри волокнистого материала 3, способного пропускать через себя жидкость, расположен электрод сравнения 1 из благородного металла, преимущественно из золота или платины, причем заостренный конец электрода сравнения 1 не доходит до конца трубки 2 на расстояние h=0,5-3,0 мм, что позволяет избежать коротких замыканий в измерительной электрической цепи. Держатель 4 электродного узла соединен со штативом 11 и с устройством 14, обеспечивающим вертикальное перемещение электродного узла. Положение образца 22 относительно электродного узла устанавливается вручную с помощью микрометрических лимбов 19 и 20, либо автоматически шаговыми электродвигателями координатного столика (не показаны).
Электродный узел подводится к образцу 22 и грузом 6 нагружается площадка 5 для обеспечения постоянного и достаточного прижатия груза. Электрод сравнения 1 посредством устройства 14 для вертикального перемещения электродного узла перемещается к поверхности образца 22 и фиксируется на расстоянии h=0,5 мм от места контакта электролита с образцом. Из емкости 10 для электролита по трубке 8 через кран 7 электролит 9 по волокнистому материалу 3, помещенному в гибкую трубку 2, попадает в зону контакта электрода сравнения 1 с исследуемым образцом 22. Измерение электродного потенциала между местом контакта на исследуемом образце 22 и электродом сравнения 1 производится милливольтметром 16. Видеокамера 15 фиксирует положение электродного узла и его перемещения по отметкам на исследуемом образце, и в режиме реального времени производится фиксация величины электродных потенциалов цифровым милливольтметром 16. Устройство фиксирует значения электродных потенциалов не только локально, но и непрерывно путем перемещения образца на координатном столике микрометрическими лимбами 19 и 20.
При компьютерной обработке результаты измерений совмещаются по точкам времени записи координат мест измерений и соответствующих значений величин электродных потенциалов в точках измерения.
Цифровой милливольтметр с памятью, видеокамера и компьютер автоматически фиксируют величины электродных потенциалов и представляют результаты измерений на бумажном или ином носителе, с возможностью получения результатов исследований в режиме реального времени.
Пример 1. Локальное измерение электродных потенциалов структурных составляющих разнородных материалов, например, цинконаполненных покрытий, содержащих алюминий.
Пример 2. Измеренные величины электродных потенциалов сварного соединения из оцинкованной стали с металлонаполненным покрытием шва и зоны термического влияния. Результаты измерений позволяют оценить характер коррозионного повреждения и прогнозировать коррозионное поведение сварных соединений оцинкованных сталей в агрессивных средах. Эти сведения могут быть использованы при разработке технологических процессов сварки.
Изобретение может быть использовано для определения электродных потенциалов на поверхностях металлических материалов, обладающих электрохимической неоднородностью, и решения различных производственных и научных задач:
- оценка коррозионной стойкости материалов;
- оценка электрохимической неоднородности структурных составляющих материалов;
- прогнозирование срока службы металлических конструкций;
- разработка новых металлических коррозионно-стойких материалов;
- проектирование технологии сварки и пайки материалов, обеспечивающей коррозионную стойкость соединений;
- проектирование технологии сварки и пайки разнородных материалов;
- проектирование технологии сварки и пайки сталей с металлическими антикоррозионными покрытиями, обеспечивающей минимальное повреждение и сохранение защитного покрытия;
- обнаружение микро- и макроскопических несплошностей в покрытиях на металлах;
- определение коррозионных свойств на изделиях, бывших в эксплуатации, для прогнозирования остаточного ресурса.