Устройство для определения удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в электролите Российский патент 2024 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к области защиты металлоизделий от коррозии и может быть использовано для определения удельного электрического сопротивления нового лакокрасочного покрытия, разрабатываемого для защиты стальных элементов тукоразбрасывателей в условиях воздействия растворов минеральных удобрений.

Известен способ экспресс-оценки состояния защитных покрытий во время длительной эксплуатации и старения (см. патент RU №2792698, МПК G01R 27/02, 2023 г.), заключающийся в измерении электрического сопротивления защитного покрытия в интервале от 83 кОм до 115 кОм под напряжением 1000 В посредством мегаомметра, оснащенного измерительным щупом с токопроводящей подложкой, и сопоставлении полученных результатов с твердостью, адгезией и площадью микротрещин. Предложенный способ пригоден для экспресс-оценки состояния защитного покрытия, эксплуатируемого в атмосферных условиях, но не применим для измерения электрического сопротивления нового лакокрасочного покрытия, например, из полиуретановой эмали с начальным электрическим сопротивлением 100-500 МОм, длительно работающего в условиях воздействия концентрированного раствора минерального удобрения. Он опасен возможным воздействием тока высокого напряжения (1000 В) во время выполнения измерений.

Известен способ испытаний защитной способности покрытий в электролите (см. ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии». Приложение Г), сущность которого заключается в измерении электрического сопротивления системы покрытие-труба в 3%-ном растворе хлорида натрия посредством тераомметра, присоединенного одним щупом к трубе, а другим - к платиновому (графитовому) электроду в растворе, контактирующем с покрытием трубы. Искомая величина переходного сопротивления покрытия (Ом⋅м²) определяется расчетным путем, как произведение измеренного сопротивления покрытия на площадь контакта покрытия с раствором.

Однако в предложенном методе определения переходного сопротивления не учтена толщина покрытия, поэтому полученная величина переходного сопротивления считается приведенной к толщине 1 м. Полученный результат не дает представления об изолирующих и защитных свойствах материала, из которого нанесено покрытие, о влиянии количества слоев на изменение сопротивления покрытия. К тому же использование тераомметра в качестве измерительного прибора сопряжено с опасностью электрического удара высоким напряжением (до 2500 В); измерительные импульсы тока высокого напряжения от тераомметра отрицательно воздействуют на тестируемое покрытие, так как в порах с электролитом способны вызвать электрогидравлический эффект, существенно ускоряющий деградацию покрытия.

Известен способ определения удельного объемного сопротивления лакокрасочного покрытия (см. Авторское свидетельство СССР №1798730, МПК G01R 27/02, 1990 г.), заключающийся в измерении электрического сопротивления между двумя отстоящими друг от друга измерительными электродами, контактирующими с участками лакокрасочного покрытия на токопроводящей подложке и окруженными охранными электродами, токи которых не попадают в измерительные цепи, а потенциалы поддерживаются измерительным прибором равными потенциалам измерительных электродов для исключения влияния поверхностного сопротивления покрытия между измерительными электродами. Причем удельное объемное электрическое сопротивление покрытия определяется расчетным путем, как произведение электрического сопротивления на эффективную площадь контакта электродов с покрытием, отнесенное к удвоенной толщине этого покрытия.

Недостаток известного способа заключается в необходимости измерения практически удвоенного электрического сопротивления покрытия из-за суммирования его толщин на двух участках под измерительными электродами, что требует опасно высокого испытательного напряжения и повышает абсолютную погрешность измерения сопротивления. К недостатку известного способа следует отнести сложность технического осуществления измерительного прибора, который должен иметь гальваническую развязку для поддержания равных потенциалов на измерительных и охранных электродах и защиту от токов перетекания с охранных электродов в измерительные цепи. В натурных условиях применение охранных электродов неэффективно, так как их потенциалы не способны влиять на величину поверхностного сопротивления между измерительными электродами и на точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для контроля пористости лакокрасочных покрытий на металлической основе (см. Авторское свидетельство СССР №569907, МПК G01N 15/08, 1974 г.), содержащее два гальванических элемента в виде диэлектрических резервуаров, закрепленных на контролируемом покрытии и наполненных электролитом, помещенные в резервуары электроды из металлов с различными стационарными потенциалами (например, из цинка и меди), и соединенный с электродами электроизмерительный прибор в виде гальванометра. Электролит из резервуаров по порам в покрытии проникает к металлической основе и замыкает гальваническую цепь между электродами, вызывая прохождение тока через гальванометр. Величина тока определяется разностью потенциалов электродов и омическим сопротивлением смоченных участков покрытия, которое зависит от степени пористости лакокрасочного покрытия.

Применение известного устройства возможно только для косвенной оценки омического сопротивления смоченных участков покрытия по качественному критерию «больше-меньше», так как не позволяет определять численные значения показателей омического сопротивления. Устройство характеризуется низкой чувствительностью из-за слабого измерительного напряжения (для электродов цинк-медь электрохимический потенциал составляет 0,83 В) и высокого внутреннего сопротивления гальванической цепи, равного удвоенному омическому сопротивлению покрытия. Из-за нестабильности процессов, протекающих в местах контакта электролита с металлической основой, показания гальванометра часто меняются, что искажает точность измерения.

Задача заявляемого изобретения - устранить указанные недостатки и тем самым обеспечить определение величины удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в высокоомном диапазоне посредством низковольтного устройства, безопасного для электрической прочности покрытия в процессе его испытаний на длительное воздействие электролита.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для определения удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в электролите, содержащем два гальванических элемента с электролитом, смачивающим лакокрасочное покрытие на металлической подложке, погруженные в электролит электроды из проводников с различными стационарными потенциалами и присоединенный к электродам электроизмерительный прибор, согласно изобретению гальванические элементы с электролитом разделены на тестовую ячейку, снабженную графитовым электродом анодом и стальной пластиной катодом с лакокрасочным покрытием, и гальваноячейку, снабженную графитовым электродом анодом и стальным электродом катодом, соединенным с графитовым электродом тестовой ячейки для подачи к ней опорного напряжения, в качестве электроизмерительного прибора для измерения постоянного напряжения установлен цифровой мультиметр с высокоомным входным сопротивлением, один вход которого через выключатель присоединен к конденсатору и графитовому электроду в гальваноячейке, а второй вход присоединен к конденсатору и к выходному контакту трехпозиционного переключателя, имеющего два вводных контакта для подключения или к стальному электроду гальваноячейки при измерении опорного напряжения, или к стальной пластине с лакокрасочным покрытием в тестовой ячейке при измерении на входном сопротивлении мультиметра падения напряжения, поданного от электродов последовательно соединенных гальваноячейки и тестовой ячейки, при этом величина удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в электролите вычисляется как произведение входного сопротивления мультиметра на отношение площади контакта покрытия с электролитом к толщине покрытия под электролитом и на выражение, содержащее уменьшенное на единицу отношение удвоенной величины напряжения на электродах гальваноячейки к величине падения напряжения, измеренного на входном сопротивлении мультиметра при его подключении к последовательно соединенным гальваноячейке и тестовой ячейке.

Применение мультиметра в диапазоне измерения постоянного напряжения позволит использовать его высокоомное входное сопротивление в качестве известного нагрузочного сопротивления при выполнении измерений параметров электрического тока, проходящего через искомое сопротивление лакокрасочного покрытия. Благодаря применению мультиметра оптимизируется структурная схема предлагаемого устройства и обосновывается расчетная зависимость для определения удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в электролите.

Включение в схему устройства конденсатора параллельно входному сопротивлению мультиметра способно минимизировать пульсации показаний напряжения на дисплее мультиметра, вызванных нестационарностью процесса движения электролита по порам покрытия и его неуправляемым химическим воздействием на окрашенную стальную пластину.

Введением трехпозиционного переключателя решается задача переключения электрических цепей, выполняемая при измерении опорного напряжения на электродах гальваноячейки, а также при измерении падения напряжения на электродах последовательно соединенных гальваноячейки и тестовой ячейки, имеющей лакокрасочное покрытие на стальной пластине.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, на которых приведены общая схема (фиг. 1) и структурная схема (фиг. 2) устройства для определения удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в электролите; представлен пример графической зависимости (фиг. 3) изменения удельного электрического сопротивления двухкомпонентного полиуретанового покрытия Raptor, нанесенного в 2 и 3 слоя, при длительном воздействии раствора борофоски.

Устройство для определения удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в электролите содержит два гальванических элемента, выполненные в виде тестовой ячейки 1 и гальваноячейки 2, а также соединенные с ними конденсатор 3, выключатель 4, цифровой мультиметр 5 с высокоомным входным сопротивлением (например, мультиметр MAS838 с входным сопротивлением 1,0 МОм), трехпозиционный переключатель 6 (например, МП-63 1Р) в качестве вводно-распределительного устройства для переключения электрических цепей.

Тестовая ячейка 1 включает стальную пластину 7 из углеродистой стали, защищенную исследуемым лакокрасочным покрытием 8, к которому герметично прикреплен пластиковый стакан 9 без дна. На крышке 10 стакана 9 закреплен графитовый электрод 11.

Гальваноячейка 2 включает пластиковый стакан 12 с дном, на крышке 13 которого закреплены графитовый электрод 14 и стальной электрод 15 из углеродистой стали. Графитовый электрод 11 соединен со стальным электродом 15 и с вводным контактом «с» трехпозиционного переключателя 6. Стальная пластина 7 соединена с вводным контактом «b» трехпозиционного переключателя 6. Графитовый электрод 14 соединен с выключателем 4 и с обкладкой «плюс» конденсатора 3. Выключатель 4 соединен с гнездом «V.Ω.μA» (на рисунке не показано) цифрового мультиметра 5. Выходной контакт «а» трехпозиционного переключателя 6 соединен с обкладкой «минус» конденсатора 3 и с гнездом «СОМ» (на рисунке не показано) цифрового мультиметра 5. Трехпозиционный переключатель 6 имеет позиции: «нейтральное», «включена гальваноячейка», «включены обе ячейки».

Входное сопротивление мультиметра 5 обозначено СИМВОЛОМ R_м. Внутреннее сопротивление тестовой ячейки 1 в совокупности с электрическим сопротивлением лакокрасочного покрытия 8, обозначено символом r_пк. Внутреннее сопротивление гальваноячейки 2 обозначено символом г. Показывающий дисплей мультиметра 5 обозначен символом V.

Устройство работает следующим образом. Перед началом работы измеряют смачиваемую площадь S (м²) поверхности лакокрасочного покрытия в тестовой ячейке 1 и толщину δ (м) этого покрытия. В тестовую ячейку 1 и в гальваноячейку 2 заливают водный раствор 16 минерального удобрения, используемого в качестве электролита. Погружают в ячейки 1 и 2 с раствором 16 соответствующие электроды, закрепленные на крышках 10 и 13, и фиксируют крышки 10 и 13 на стаканах 9 и 12.

В гальваноячейке 2 с электролитом стальной электрод 15 и графитовый электрод 14 образуют гальванический элемент. Электродвижущая сила (ЭДС) Е гальванического элемента близка к электрохимическому потенциалу Аф между сталью и графитом (углеродом), величина которого, по справочным данным, равна:

Е≅Δϕ=0,87 В,

(см. Electrochemical Potentials https://www.qsl.net/n9zia/electrochemical.html).

В гальваноячейке 2 с раствором минерального удобрения стальной электрод 15 является катодом, а графитовый электрод 14 - анодом.

Так как тестовая ячейка 1 тоже имеет графитовый электрод 11 и стальную пластину 7 с лакокрасочным покрытием 8, смоченным раствором удобрения, то после проникновения раствора удобрения по порам покрытия 8 к пластине 7, тестовая ячейка 1 становится гальваническим элементом с ЭДС Е_т, примерно равной ЭДС гальваноячейки 2:

Е_т = Е.

При этом в тестовой ячейке 1 с раствором минерального удобрения стальная пластина 7 является электродом катодом, а графитовый электрод 11 - анодом.

В исходном положении трехпозиционный переключатель 6 находится на позиции «нейтральное», выключатель 4 и мультиметр 5 выключены. Для проведения измерений переводят переключатель 6 на позицию «включена гальваноячейка». При этом выходной контакт «а» переключателя 6 соединен с вводным контактом «с». Обкладки конденсатора 3 соединены со стальным электродом 15 (катодом) и с графитовым электродом 14 (анодом) гальваноячейки 2, от которой заряжается конденсатор 3.

Включают мультиметр 5 на диапазон измерения постоянного напряжения U от 0,001 В до 2 В, а затем включают выключатель 4. По показаниям дисплея мультиметра 5 фиксируют величину напряжения U₁ на электродах 14 и 15 гальваноячейки 2 и обкладках конденсатора 3. Во время этого измерения через мультиметр 5 протекает ток I₁, величина которого зависит от величины опорного напряжения U₁, фиксируемого на дисплее мультиметра 5, и входного сопротивления R_м мультиметра:

U₁ = I₁⋅R_м.

Затем трехпозиционный переключатель 6 переводят на позицию «включены обе ячейки», в которой его выходной контакт «а» соединен с вводным контактом «b». В результате образуется электрическая цепь, в которой электрод 15 (катод) гальваноячейки 2 последовательно соединен с электродом 11 (анодом) тестовой ячейки 1, а стальная пластина 7 (катод) подключена к обкладке «минус» конденсатора 3. При последовательном соединении двух источников тока с одинаковыми ЭДС, к которым относятся гальваноячейка 2 и тестовая ячейка 1, их напряжения суммируются:

U₀ = 2U₁.

где U₀ - тестовое напряжение при последовательном соединении гальваноячейки 2 с тестовой ячейкой 1, В.

Если выключатель 4 выключен, то конденсатор 3 заряжается током, проходящим через внутреннее сопротивление r гальваноячейки 2 и внутреннее сопротивление r_пк тестовой ячейки 1, включающее сопротивление лакокрасочного покрытия 8. Время полного заряда конденсатора 3 до напряжения U₀ напрямую зависит от его емкости, сопротивлений r и r_пк. При большой величине сопротивления r_пк оно может длиться несколько часов, что неприемлемо для процесса измерений.

Поэтому, после перевода переключателя 6 на позицию «включены обе ячейки», выключатель 4 и мультиметр 5 оставляют включенными. Конденсатор 3 разряжается через входное сопротивление R_м мультиметра 5. Напряжение на нем падает до стабилизированной величины U_м, которая определяется током, питаемым от гальваноячейки 2 и тестовой ячейки 1. Так как внутреннее сопротивление r гальваноячейки 2 много меньше внутреннего сопротивления r_пк лакокрасочного покрытия 8 тестовой ячейки 1 (r << r_пк), то в последующих расчетах величина r не учитывается. Внутренним сопротивлением тестовой ячейки 1 с лакокрасочным покрытием считается сопротивление r_пк лакокрасочного покрытия 8.

При последовательном соединении сопротивления г_пк покрытия 8 и входного сопротивления R_м мультиметра 5, в цепи через мультиметр 5 течет ток I₀ под напряжением U₀:

В выражении (1) произведение I₀⋅R_м представляет собой падение напряжения U_м, фиксируемое на дисплее мультиметра:

Из формулы (2) определяется значение силы тока (I₀ = U_м / R_м), посредством которого выражение (1) преобразуется в зависимость для расчета электрического сопротивления r_пк лакокрасочного покрытия в тестовой ячейке:

При практических измерениях напряжения мультиметром MAS838 на стальном и графитовым электродах, погруженных в раствор минерального удобрения (борофоски), получена величина опорного напряжения U₁=0,76 В. Согласно технической характеристике на мультиметр MAS838, его входное сопротивление R_м =1 МОм, минимальное значение измеряемого падения напряжения U_м.min = 0,001 В.

По формуле (3) рассчитана максимальная величина сопротивления тестируемого лакокрасочного покрытия, которая может быть определена посредством предлагаемого устройства: r_пк.max =1500 МОм.

Удельное электрическое сопротивление тестируемого лакокрасочного покрытия рассчитывается по формуле:

где ρ_пк - удельное электрическое сопротивление лакокрасочного покрытия, МОм⋅м;

5 - площадь контакта лакокрасочного покрытия с раствором электролита в тестовой ячейке, м²;

6 - толщина тестируемого участка лакокрасочного покрытия, м;

R_м - входное сопротивление мультиметра, МОм;

U₁ - опорное напряжение на электродах 14 и 15 гальваноячейки 2, фиксируемое по дисплею мультиметра 5, В;

U_м - падение напряжения на входном сопротивлении мультиметра при последовательном соединении гальваноячейки 2 и тестовой ячейки 1, фиксируемое по дисплею мультиметра 5, В.

По формуле (4) определяют удельное электрическое сопротивление лакокрасочного покрытия в процессе его испытаний на стойкость к воздействию раствора минерального удобрения.

Предлагаемое устройство может использоваться при выборе лакокрасочного покрытия для узлов тукоразбрасывателя, изготовленных из углеродистой конструкционной стали, путем оценки его защитной стойкости по величине удельного электрического сопротивления, определяемого в имитационных испытаниях покрытия при длительном воздействии концентрированного раствора минерального удобрения.

Ниже приведены результаты испытаний двух лакокрасочных покрытий в двух тестовых ячейках с раствором борофоски, содержание которой по сухому остатку равно 200 г/л. Испытаны лакокрасочные покрытия из двухкомпонентной полиуретановой краски Raptor (с отвердителем), нанесенной кистью в 2 и 3 слоя на пластины из стали 08кп. Смачиваемые участки полиуретановых покрытий Raptor в тестовых ячейках имели толщину: двухслойное покрытие - δ=0,18 мм (0,18⋅10^-3 м), трехслойное покрытие - δ=0,25 мм (0,25⋅10^-3 м). Смачиваемая площадь контакта раствора борофоски с покрытием в каждой тестовой ячейке: S=10 см² (10^-3 м²). После заправки тестовых ячеек раствором борофоски, покрытия под раствором выдерживали двое суток. Используя трехпозиционный переключатель, посредством мультиметра MAS83 8 сначала измеряли величину напряжения U₁ - на графитовом и стальном электродах гальваноячейки, а затем величину падения напряжения U_м на входном сопротивлении мультиметра при последовательном соединении гальваноячейки и тестовой ячейки. По формуле (3) определили начальную величину электрического сопротивления покрытий после двух суток экспозиции покрытий в растворе борофоски: для двухслойного покрытия - r_пк=13 МОм; для трехслойного - r_пк=120 МОм.

Затем измерения значений напряжения выполняли поэтапно в течение 200 суток. После каждого этапа измерений, тестовую ячейку и гальваноячейку разъединяли, из гальваноячейки извлекали электроды вместе с крышкой. Гальваноячейку с раствором борофоски плотно закрывали новой крышкой, чтобы избежать испарения воды из раствора. Извлеченные электроды промывали дистиллированной водой, удаляли со стального электрода продукты окисления и помещали их в эксикатор с силикагелем. Для проведения новых измерений устройство быстро собирали в общую схему, изображенную на фиг. 1. Тестовые ячейки с раствором борофоски на протяжении всего периода испытаний оставались герметично закрытыми посредством крышек с закрепленными на них графитовыми электродами.

Результаты поэтапных измерений напряжений, выполненных в процессе испытаний покрытий в растворе борофоски в течение 200 суток, пересчитали в удельное электрическое сопротивление ρ_пк лакокрасочного покрытия. Полученные с помощью предлагаемого устройства зависимости (фиг. 3) показали динамику изменения удельного электрического сопротивления двухкомпонентных полиуретановых покрытий Raptor при длительном воздействии раствора борофоски. Так, например, за период испытаний удельное электрическое сопротивление двухслойного покрытия толщиной 0,18 мм снизилось от ρ_пк=70 МОм⋅м до ρ_пк=5 МОм⋅м, а трехслойного покрытия толщиной 0,25 мм снизилось от ρ_пк=480 МОм⋅м до ρ_пк=20 МОм⋅м. По завершении испытаний удельное электрическое сопротивление трехслойного покрытия было в 4 раза больше двухслойного, что указывало на существенное увеличение защитной стойкости полиуретанового покрытия после нанесения третьего слоя.

Низковольтная токовая нагрузка на лакокрасочное покрытие от гальваноячейки, сопоставимая с параметрами электрохимических потенциалов конструкционных материалов тукоразбрасывателя, и отсутствие измерительных токовых импульсов обеспечивают проведение длительных испытаний покрытия в условиях, близких к эксплуатационным. Поэтому периодическое выполнение измерений параметров электрического тока с помощью предлагаемого устройства не способно привести к деструктивным изменениям в материале покрытия и повлиять на его электрическую прочность и защитную стойкость.

Изобретение относится к области защиты металлоизделий от коррозии и может быть использовано для определения удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в условиях воздействия электролита - раствора минерального удобрения. Сущность: устройство содержит наполненные электролитом тестовую ячейку и гальваноячейку, конденсатор, выключатель, цифровой мультиметр с высокоомным входным сопротивлением и трехпозиционный переключатель. Тестовая ячейка включает пластиковый стакан без дна, прикрепленный к лакокрасочному покрытию на стальной пластине, и графитовый электрод. Гальваноячейка включает пластиковый стакан, графитовый и стальной электроды. Мультиметр и трехпозиционный переключатель служат для измерения опорного напряжения на электродах гальваноячейки и для измерения падения напряжения на входном сопротивлении мультиметра при его подключении к гальваноячейке и соединенной с ней тестовой ячейки. Удельное электрическое сопротивление лакокрасочного покрытия вычисляется по формуле с учетом входного сопротивления мультиметра, толщины покрытия и площади его контакта с электролитом, опорного напряжения и падения напряжения на входном сопротивлении. Технический результат: возможность определения удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в высокоомном диапазоне посредством низковольтного устройства, безопасного для электрической прочности покрытия в процессе его испытаний на длительное воздействие электролита. 3 ил.

Устройство для определения удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в электролите, содержащее два гальванических элемента с электролитом, смачивающим лакокрасочное покрытие на металлической подложке, погруженные в электролит электроды из проводников с различными стационарными потенциалами и присоединенный к электродам электроизмерительный прибор, отличающееся тем, что гальванические элементы с электролитом разделены на тестовую ячейку, снабженную графитовым электродом анодом и стальной пластиной катодом с лакокрасочным покрытием, и гальваноячейку, снабженную графитовым электродом анодом и стальным электродом катодом, соединенным с графитовым электродом тестовой ячейки для подачи к ней опорного напряжения, в качестве электроизмерительного прибора для измерения постоянного напряжения установлен цифровой мультиметр с высокоомным входным сопротивлением, один вход которого через выключатель присоединен к конденсатору и графитовому электроду в гальваноячейке, а второй вход присоединен к конденсатору и к выходному контакту трехпозиционного переключателя, имеющего два вводных контакта для подключения или к стальному электроду гальваноячейки при измерении опорного напряжения, или к стальной пластине с лакокрасочным покрытием в тестовой ячейке при измерении на входном сопротивлении мультиметра падения напряжения, поданного от электродов последовательно соединенных гальваноячейки и тестовой ячейки, при этом величина удельного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия в электролите вычисляется как произведение входного сопротивления мультиметра на отношение площади контакта покрытия с электролитом к толщине покрытия под электролитом и на выражение, содержащее уменьшенное на единицу отношение удвоенной величины опорного напряжения на электродах гальваноячейки к величине падения напряжения, измеренного на входном сопротивлении мультиметра при его подключении к последовательно соединеным гальваноячейке и тестовой ячейке.