Projekte

Auf dieser Seite werden einige Projekte beschrieben, die in ihrer Ausführung von einem normalen Korrosionsmessplatz abweichen, d.h. kundenspezifische Erweiterungen beinhalten. Sie sollen als Informationsbeispiel für Lösungen dienen, die mit unseren Systemen möglich sind.

Spannungsrisskorrosion an hochfesten Befestigungselementen

Kundenspezifische Komplettlösung für einen Korrosionsmessplatz

Rotierende Ring-Scheiben-Elektrode / BI-Potentiostaten und neue Messmethoden

Photoelektrochemische Messung

Ethernet Data Aquisition System (EDAS™)

 

Spannungsrisskorrosion an hochfesten Befestigungselementen

Gemäß den aktuellen Vorschriften werden Befestigungselemente nicht
nur mechanisch sondern auch elektrochemisch geprüft.

Ergänzend zur mechanischen Zugprüfeinrichtung eines Lichtensteiner Werkzeugherstellers haben wir die Komponenten zur elektrochemischen Prüfung von Setzbolzen geliefert. Zur besseren Handhabung und zum Schutz der Elektronik wurden die Potentiostaten in einen Schaltschrank eingebaut, verkabelt und die Anschlussleitungen in entsprechender Länge nach außen geführt.

Das rechte Bild zeigt den Schaltschrank mit den zwanzig Potentiostaten. Die Front des Schranks wird mit einer Glastür verschlossen. So kann man die Instrumente ablesen, die Geräte sind weitgehend geschützt.

Das untere Bild zeigt schematisch den Aufbau einer solchen Prüfvorrichtung.

Testkriterien:
3-Elektroden Messung
hochfester Beton C50/C60
gesättigte Calcium-Hydroxid Lösung
(pH 12,6) in einer Wanne ohne Boden
Potenzial -955mV gegen NHE
Testdauer 100 Stunden


 

Kundenspezifische Komplettlösung für einen Korrosionsmessplatz

In der Korrosionsforschung wird neben den bekannten Größen wie Stromdichte und Potential auch die Messung zusätzlicher physikalischer oder mechanischer Größen verlangt. Dazu reichen Standardlösungen häufig nicht aus. Anhand eines aktuellen Beispiels möchten wir die Möglichkeiten heutiger Technologien und moderner Werkzeuge darstellen.

Wir erhielten die Anfrage eines Herstellers von Metallrohren bezüglich eines Korrosionsmessplatzes. Bei der Klärung der Anforderungen an diesen Messplatz ergab sich, dass weitere Mess- und Steueraufgaben zu lösen waren. Das Ziel war, das System für die Korrosionsmessung als auch für andere Messaufgaben zu verwenden, wie z.B.:

  • Temperaturüberwachung
  • Dehnungsmessungen an Metallrohren
  • pH-Wert-Messung
  • gelöster Sauerstoff im Elektrolyten

Weiterhin sollte eine Stromquelle zeit- und temperaturabhängig geschaltet werden. Der Strom sollte die Wandstärke eines Rohres reduzieren. Die dadurch auftretende Eigenspannung sollte gemessen werden. Das folgende Übersichtsbild zeigt die mit dem Kunden erarbeitete Lösung.

Darstellung des kompletten Messplatzes

Darstellung des kompletten Messplatzes

 

Folgende Komponenten wurden für den Korrosionsmessplatz ausgesucht:

  • Potentiostat IMP 88 PC
  • Multifunktionsmesskarte
  • Anschlußbox zur Adaption der Messkarte und zur Signalkonditionierung

Die Anschlußbox wurde neben der Standardbestückung zum Anschluß des Potentiostaten noch mit einem potentialgetrennten Modul zum Anschluß eines Temperatursensors bestückt. Für die Dehnungsmessung wurde ein Spider8 der Firma HBM gewählt, zur Messung von pH-Wert, Leitfähigkeit und gelöstem Sauerstoff ein MultifunktionsMessgerät der Firma WTW. Als Software kam unsere Standardsoftware für Korrosionsmessung und das Programmpaket VISUAL DESIGNER™ zum Einsatz. Mit VISUAL DESIGNER™ wurden alle Aufgaben programmiert, die über die Korrosionsmessung hinausgingen. Es wurde eine erste Applikation für den Spider8 (Dehnungsmessung), die Steuerung der Stromquelle und die Temperaturüberwachung realisiert.

Im Rahmen der Inbetriebnahme erhielt der Kunde mit der ersten Applikation eine Einweisung in die Programmierung mit VISUAL DESIGNER™. Hier lernte er, an einer ihm bekannten Aufgabenstellung, ein leistungsfähiges grafisches Programmierwerkzeug kennen, um später selbst die zwangsläufig auftretenden Änderungen im Ablauf eines Forschungsprojektes schnell durchführen zu können.
Wie eine solche Applikation als Blockschaltbild letztendlich aussehen kann, zeigt das nächste Bild.

Applikation als Blockschaltbild

Applikation als Blockschaltbild

Für den Kunden entstand somit ein leistungsfähiger und flexibler Messplatz, der jederzeit gut und schnell auch auf neue Aufgabenstellungen angepaßt werden kann.


 

Rotierende Ring-Scheiben-Elektrode / BI-Potentiostaten und neue Messmethoden

Die Firma Jaissle ist nun seit mehreren Jahrzehnten auf dem Markt als Hersteller von rotierenden
Ring-Scheiben-Elektroden in höchster Präzision bekannt.

Höchste Präzision heißt:

  • Rundlaufgenauigkeit der Elektrode von ca. 1 / 100mm
  • Stufenlose Regelung der Drehzahl von 5 bis 4000 (6000) U / min
  • Garantiert gleichbleibender Übergangswiderstand im Milli-Ohm-Bereich durch Quecksilber-Stromabnehmerkopf (Anschluß Ring / Scheibe), auch nach mehreren 1000 Betriebsstunden

Rotierende Ring-Scheiben-Elektrode

Rotierende Ring-Scheiben-Elektrode

Ergänzend zur Ring-Scheiben-Elektrode liefert die Firma Jaissle einen BI-Potentiostaten, der für die besonderen Anforderungen dieser Messmethode optimiert ist. Der einstellbare Strom-Bereich für beide Messelektroden geht von 100nA bis 100mA. Das Gerät kann mit den eingebauten Batterien mehrere Stunden ohne Netz betrieben werden.

Im Laufe des Jahres 1997 erhielten wir eine Anfrage bezüglich eines BI-Potentiostaten inkl. Messsystem für Leitfähigkeitsmessungen an Polymeren und für rasterelektrochemische Mikroskopie (SECM) mit folgender Spezifikation:

  • Messung kleiner Ströme im Nano- und Pikoampere-Bereich
  • Scangeschwindigkeiten von 0,5mV bis 2,5kV
  • Strombereiche von 10mA bis 10nA für beide Seiten des BI-Potentiostaten, d. h. bei einem stromproportionalen 10V Ausgangssignal für den Strom eine Auflösung im kleinsten Strombereich von
    1mV = 1pA
  • Der durch den Betrieb der beiden Arbeitselektroden in einer Messzelle fließende Ausgleichsstrom / Fehlerstrom sollte möglichst klein (nA oder pA) sein

 

BI-Potentiostat

Nach eingehender Prüfung der Anfrage konzipierten wir ein System, bestehend aus folgenden Komponenten:

  • BI-Potentiostat BI-PG 100 für kleine Ströme (Netz- und Batteriebetrieb)
  • Strombereich von 100mA bis 1nA für beide Messelektroden
  • Ein eventuell auftretender Ausgleichsstrom / Fehlerstrom zwischen beiden Arbeitselektroden kann abgeglichen werden

BI-PG 100 - BI-Potentiostat

BI-PG 100 - BI-Potentiostat

Datenerfassung, Steuerung und Software

  • Ansteuerung und Datenerfassung durch Hochgeschwindigkeitskarten mit 12-Bit A/D- bzw. D/A-Wandlern
  • Filter mit Spannungsteilern und Impedanzwandlern für beide Analogausgänge, zur Veränderung des Potentialbereiches und damit auch der Schrittweite des D/A-Wandlers
  • Standardsoftware ECHEMIE unter MS-DOS™ für langsame Leitfähigkeitsmessungen (heute EcmWin unter Microsoft® Windows™)

Es wurde ein interaktiver Dialog programmiert, der dem Anwender die für die Leitfähigkeitsmessung notwendigen Eingabe- und Bedienelemente zur Verfügung stellt.

Cyclovoltammogramm

Cyclovoltammogramm

So werden in den beiden oberen Diagrammen alternierend jeweils die beiden letzten Zyklen angezeigt, im unteren Diagramm wird die Leitfähigkeit (DI / DU) über das Potential angezeigt. Der Anwender kann für beide Kanäle getrennte Potentiale und Scanraten eingeben. Außerdem kann während der Messung die Polarisation jederzeit angehalten oder umgekehrt werden.

Für die schnellen Messvorgänge wurde mit dem Programmpaket LabView™ eine Applikation erstellt, welche die Eingaben in elektrochemisch bekannten Größen gestattet. Mit den eingegebenen Parametern wird der Scan und die Erfassung gestartet. Nach der Messung erfolgt die Anzeige und die Speicherung der Daten zur weiteren Auswertung.

Nach Abschluß des Projektes stellten wir fest, dass Messgeräte und Methoden, die seit Jahrzehnten eingesetzt werden, nach wie vor aktuell sind und sogar in Verbindung mit Computern und leistungsfähiger Software für ganz neue Forschungsrichtungen eingesetzt werden können. Wie sich mittlerweile herausgestellt hat, erwarten uns auch aus Bereichen der Biosensorik weitere sehr interessante Einsatzmöglichkeiten für diese Gerätekombinationen.


 

Photoelektrochemische Messung

Im Laufe des Jahres 1999 erhielten wir eine Anfrage von einem Schweizer Forschungsinstitut bezüglich eines photoelektrochemischen Messplatzes. Die Anlage sollte photoelektrochemische Ströme auf oxidischen Halbleitern messen. Sie sollte aus einem empfindlichen Potentiostaten, einer Lichtquelle, einem Chopper, einem Monochromator, einem Shutter, ein Filterrad und natürlich aus einem Datenerfassungs- und Automatisierungssystem bestehen. Weiterhin sollte ein Lock-In-Verstärker zur Erfassung der relativ kleinen Photoströme eingesetzt werden. Der Lock-In-Verstärker sollte über eine IEEE 488 Schnittstelle und eine separate Software gesteuert werden, die praktisch als zweiter Task auf dem Computer laufen sollte. Außerdem sollte auch die Steuerung des Monochromators über die IEEE 488 Schnittstelle erfolgen.

Ein ähnliches System wurde in der Vergangenheit bereits an der ETH in Zürich aufgebaut und für ähnliche Messungen verwendet. Da damals noch kein Lieferant zur Verfügung stand, der seine Software entsprechend modifizieren konnte, wurde diese unter Zuhilfenahme von grafischen Entwicklungstools selbst erstellt.

Nach Klärung und Prüfung der Anforderung kamen wir zu dem Ergebnis, dass der Lock-In-Verstärker durch einen Wechselspannungsverstärker im Potentiostaten ersetzt werden konnte. Die Steuerung des Monochromators wurde über die serielle Schnittstelle geplant und in unsere Software EcmWin integriert. Dadurch konnte eine IEEE-Schnittstelle, der Lock-In-Verstärker und die dazu notwendige Software aus dem Angebot genommen werden, was eine deutliche Reduzierung der Kosten zur Folge hatte.

Photoelektrochemischer Messplatz

Photoelektrochemischer Messplatz

Nach der Auftragserteilung erweiterten wir unsere Software EcmWin um ein Funktions-Modul für photoelektrochemische Messungen. Dieses Modul steuert die Drehzahl des Choppers, den Monochromator mit Filterrad und den Potentiostaten. Als veränderbare Größe für die Messung kann die Wellenlänge des Lichtes in 5nm Schritten oder das Potential für die Probe in 1mV Schritten vorgegeben werden. Der Ablauf kann rein manuell oder automatisch über einen definierten Bereich erfolgen.

Erfaßt wird das Potential der Probe, der Photostrom (Gleich- und Wechselanteil), der reine Wechselanteil (über den zusätzlichen Wechselspannungsverstärker des Potentiostaten) und das Triggersignal des Choppers. Berechnet wird die Phasenverschiebung zwischen dem Triggersignal des Choppers und dem Wechselanteil des Photostromes, der Effektivwert und Imax - Imin des Photostromes.

Photoelektrochemische Messung

Photoelektrochemische_Messung

Grundsätzlich werden zwei Messarten unterschieden:

  • Normaler Photostrom
  • Transientenmessung

Bei der normalen Photostrommessung erfolgt in der oberen Grafik die Anzeige des Triggersignals und des Wechselanteils des Photostromes. In der unteren Grafik wird der Gleich- und Wechselanteil des Photostromes angezeigt. Die Darstellung erfolgt mit 500 Werten pro Sekunde für jeden Kanal. Damit können Chopperfrequenzen bis ca. 50Hz recht gut angezeigt werden. Für höhere Frequenzen kann die Software auch auf 1000 Werte pro Sekunde eingestellt werden. Aus den gemessenen Werten können praktisch alle relevanten Größen mathematisch ermittelt werden. Im Vergleich zur Datenerfassung mit einem Lock-In-Verstärker liegt hier noch die Information über den Signalverlauf vor, d.h. es stehen praktisch die Rohdaten zur Verfügung.

Bei der Transientenmessung wird der Chopper angehalten und das Rad so positioniert, dass das Licht ungehindert auf die Probe fallen kann. Dann wird die Datenerfassung gestartet, der Shutter für eine kurze Zeit
(5 bis 10 Sekunden) geöffnet und dann wieder geschlossen. Erfaßt und gespeichert wird der Photostrom des Ein- und Ausschaltvorgangs.

Da zum Zeitpunkt der Lieferung noch nicht alle Vorgaben für die Software eindeutig waren, haben wir den Anwender auch in der Folgezeit noch weiter mit entsprechenden Modifikationen unterstützt. Das Ziel ist ein flexibler und einfach zu bedienender Messplatz der alle relevanten Funktionen für die Photoelektrochemie bietet.


 

Ethernet Data Aquisition System (EDAS™)

Das folgende Projekt hat auf den ersten Blick mit unserem Hauptgeschäft Elektrochemie nicht so viel zu tun. Allerdings nehmen auch aus den Bereichen der Korrosionsforschung die Anfragen in Richtung dezentrale Datenerfassung und Überwachung zu. Ein aktuelles Beispiel ist das Korrosions-Monitoring. Für eine solche Anwendung eignet sich das im folgenden beschriebene EDAS™ sehr gut. Es läßt sich nicht nur für Datenerfassungsaufgaben sondern genauso gut auch für Steuerungsaufgaben programmieren. So könnte z.B. ein Potentiostat an einem beliebigen Ort über Ethernet gesteuert werden. Eine parallel installierte
Web-Kamera würde zusätzlich eine visuelle Kontrolle ermöglichen.

Messen und Überwachen von Feuchte, Temperatur, Druck und pH-Wert über Ethernet

Im Zuge dezentraler Überwachungsaufgaben wird Messdatenerfassung über Netzwerke immer interessanter. Durch die Vielzahl der Ein- / Ausgangssignale kann eine Verkabelung von Sensoren meist nur noch über kurze Strecken erfolgen. Das Erfassungsmodul muß möglichst nahe der Quellen installiert werden.

Ist in Ihrem Hause bereits ein Ethernet-Netzwerk installiert, so ist das EDAS™-System der Firma Intelligent Instrumentation® GmbH (IIG) die ideale Lösung für diese Aufgaben. EDAS™, das heißt Ethernet Data Aquisition System. EDAS™ ist in zwei Versionen verfügbar. Als reines Digitalmodul mit 32 digitalen Ein- oder Ausgangskanälen oder als gemischtes Modul mit 16 analogen Eingängen (single ended oder
8 Differenzeingänge), zwei analogen Ausgängen und 16 digitalen Ein- oder Ausgängen (TTL-Pegel). Der Anschluß an das Netzwerk erfolgt über ein direktes 10Base-T Interface mit TCP / IP Protokoll. Als Applikationsserver stellt EDAS™ den im Netzwerk angeschlossenen Clients Ein- / Ausgabefunktionen zur Verfügung.

Prinzipieller Aufbau eines Systems

Netzwerk-Schema

Netzwerk-Schema

Installation

EDAS™ ist in einem Gehäuse mit den Abmessungen 152x141x39 mm eingebaut. Es kann als Tischgehäuse verwendet werden, ist aber auch zur Montage auf Hutschienen für den Schaltschrankeinbau vorgesehen. Außerdem kann es als OEM-Version in ein 19 Zoll Gehäuse eingebaut werden. Damit kann über Leiterplatten im Europaformat eine Signalkonditionierung realisiert werden. EDAS™ benötigt eine Versorgungsspannung zwischen 15 und 28 VAC oder 20 bis 40 VDC.

Die Softwareplattform

Für das EDAS™-System stehen Treiber für MS-DOS™, WINDOWS 3.1™, WINDOWS 95™, WINDOWS NT™ und UNIX™ zur Verfügung. Außerdem werden alle Funktionen von VISUAL DESIGNER™ unterstützt. Mit dem EDAS™-Syscheck-Programm wird das Modul konfiguriert. Damit es im Netzwerk ansprechbar ist, ist die
IP-Adresse, die SubNet Maske und ggf. eine Gateway Adresse einzustellen.

EDAS1

EDAS1

EDAS™ kann auf leichte Art mit VISUAL DESIGNER™ programmiert werden. VISUAL DESIGNER™ ist ein einfach zu benutzender Applikationsgenerator mit einer blockorientierten Entwicklungsumgebung für PC-gestützte Messdatenerfassung. Programmierkenntnisse sind nicht erforderlich. Mit Hilfe der Entwicklungsumgebung DIAGRAM™ werden die Blockschaltbilder (FlowGrams) erstellt, die Parameter für die Funktionen eingegeben und die Optionen für das Laufzeitverhalten festgelegt.

EDAS2

EDAS2

Das RUN™ Programm führt die Applikation anschließend aus. Bei Bedarf können die Parameter auch in der Laufzeitumgebung noch geändert werden. In der Laufzeitumgebung wird auch das Benutzerinterface festgelegt. Alle am Bildschirm sichtbaren Objekte können verschoben sowie bezüglich Größe, Farbgebung, 3D-Effekten, Schriftart, Farben und Stil beliebig verändert werden. Im Titelbalken läßt sich ein beliebiger Name für die Applikation eingeben und das Menü kann bei Bedarf abgeschaltet werden. Ebenso läßt sich eine Hintergrundgrafik einblenden und ein Copyright Vermerk in die About-Box eintragen. Nach Abschluß aller Einstellungen läßt sich das Programm gegen ungewollte Änderungen schützen.

Referenzen

EDAS™ wurde ab der zweiten Oktoberwoche 1996 ausgeliefert. IPS hat noch im gleichen Monat bei einem Frankfurter Bankhaus ein erstes System installiert. Es dient dort zur Überwachung der Temperaturen von Technikräumen.

EDAS3

EDAS3

Um auf weitere Wünsche vorbereitet zu sein, wurde EDAS™ in ein 19 Zoll Gehäuse eingebaut. Die Stromversorgung liefert ein 24V Schaltnetzteil. 5V / 6A für Schaltfunktionen stehen ebenfalls zur Verfügung. Die Ein- / Ausgänge des EDAS™-Moduls wurden auf einen ungenormeten VME-Bus geführt, so dass bis zu
10 Europakarten mit diversen Schaltungen als Steckbaugruppen eingesetzt werden können. Für die Temperaturerfassung wurden PT100 Sensoren (1/3 DIN) mit Transmitter in ein Wandgehäuse eingebaut. Der Anschluß erfolgt über eine Zweidrahtleitung.

Als Plattform für die Softwareentwicklung stand UNIX AIX 4.14™ bzw. AIX 4.2™ zur Verfügung. Mit Hilfe der EDAS™-Softwaretreiber wurden einige primäre Funktionen zum Lesen der Temperaturwerte und zum Schalten von Kontakten realisiert. Als übergeordnetes Programm arbeitet ein Shell-Skript, welches die Temperaturwerte abfragt, auf Plausibilität überprüft, Min. und Max. überprüft und speichert. Liegen Werte außerhalb des Bereichs, wird eine Nachricht an den Systemverwalter geschickt und eine Alarmlampe eingeschaltet.

Nach Abschluß der Testphase erfolgte die Anbindung an das System-Managementsystem TIVOLI™ der Firma IBM®.

Mittlerweile wurden in Frankfurt, in der Hauptstelle in Köln und in einer Zweigstelle in Hamburg weitere EDAS™-Systeme installiert.

Zum Seitenanfang springen