抑制金属腐蚀的方法

专利名称：抑制金属腐蚀的方法
技术领域：
本发明涉及防止金属物体(物件)在氧化环境中氧化的方法及装置。本发明尤其涉及在导体上产生表面电流以抑制腐蚀的装置及方法。
背景技术：
在氧化环境中，物质会在适合的条件下接受电子并被还原。这些电子一般来自暴露于氧化环境的金属物体的原子。氧化环境的特征在于存在至少一种化学物质，其原子在该环境中可通过获得至少一个源自该金属的原子的电子而被还原。在“给予”电子的情况下，该金属被氧化。当氧化过程持续时，金属物体会降解至无法再用于其所需目的的地步。
在陆地上，氧化普遍发生，尤其是桥梁及车辆，当其暴露于在冷的气候中散布在路面上以防止结冰形成的盐时。盐使雪及冰融化并形成盐水溶液。当桥梁及车辆中的铁或钢暴露于盐水溶液时，则容易被氧化。首先可看见的氧化迹象为在金属物体表面出现生锈。持续的氧化会造成金属物体结构完整性的削弱。若允许氧化持续进行，则该金属物体会生锈穿透并最终崩解，或，就桥梁中的金属而言，则会变的太脆弱以至于无法支撑其负荷。随着污染物浓度的增加及对需要更薄的金属片的更轻、更省燃料的车辆的需求及主架构的放弃，该状况在近几年来变的更严重。
盐水溶液亦为造成在海洋环境中的腐蚀的原因及造成船的外壳、海底管路、及石油工业使用的钻井和采油平台的氧化的原因。
早期防止腐蚀的方法是靠涂敷一保护涂层(例如油漆)到金属物体上。其可防止金属与氧化环境接触，因而防止腐蚀。然而，经过长时间后，保护涂层会脱落且金属的氧化过程会开始。防止氧化开始的唯一方法是重新涂敷涂层。这是在最佳情况下昂贵的过程在工厂中汽车组装前，彻底地涂布汽车零件比重新涂布已组装的汽车容易的多。在其它情况下，例如海底管路，重新涂布处理是不可能的。
其它防止氧化的方法包括阴极保护系统。其中，将被保护的金属物体作为电路的阴极。将将被保护的金属物体及阳极连接至电能源，电路从阳极至阴极通过水溶液而接通。电子的流动提供必需的电子源至水溶液中的物质，其通常造成氧化，因此还原来自将被保护的金属(阴极)原子的电子的“给予”。
Byrne的发明(美国专利第3,242,064号)提供了一种阴极保护系统，其中直流电(DC)的脉冲被施于将被保护的金属表面，例如船的外壳。改变脉冲的负载循环以响应于包围船的外壳的水的各种不同情况。Kipps的发明(美国专利第3,692,650号)揭露了一种应用于埋入传导性土壤的井套管和管道、含有腐蚀物质的槽的内表面及建筑物的浸没部分的阴极保护系统。该系统使用短脉冲DC电压及连续直流电。
现有技术的阴极保护系统对于浸在传导介质中(例如海水)的物体或结构不完全有效。其原因是由于被保护结构的形状的局部变化和在水溶液环境中氧化物质的浓缩，腐蚀发展的局部“热点”被不适当地保护，最终造成结构的瓦解。阴极保护系统很少用于保护金属物体，其不只部份浸在传导介质中，例如海水或传导性土壤。结果造成桥梁金属梁及车辆主体无法被这些阴极系统有效地保护。
Cowatch(美国专利第4,767,512号)提供了一种以防止未浸入传导介质的物体的腐蚀为目的的方法。电流通过将金属物体处理为电容器的阴极板而施加于该金属物体。其通过耦合于该金属物体及提供直流脉冲的装置之间的电容来实现。将被保护的金属物体及该提供直流脉冲的装置具有共同接地。在其优选实施例中，Cowatch揭露一装置，其中5,000至6,000伏特的DC电压施于通过电介质从金属物体分开的电容器的阳极板。小的、高频率(1千赫)脉冲的DC电压被叠加到稳定DC电压上。Cowatch亦指出电介质材料的击穿电压为约10kV。
因为高电压施于暴露人类和动物可能与金属物体或电容耦合的任何其它部分接触的部位的安全危险性，Cowatch要求本发明最大能量输出的限制。
Cowatch揭示一用于获得脉冲DC电压的两级装置。第一阶段提供较高电压AC及较低电压AC的输出。在第二阶段中，该二个AC电压被校正以提供具有重叠DC脉冲的高电压DC。Cowatch使用至少两个变压器，其中一个为推/拉饱和铁心变压器。因使用变压器，与该发明相关的能量损失是高的。根据Cowatch中的揭示值，其效率可为非常低(低于10％)。高热的消散亦需要散热的方法。此外，该发明需要用于在不使用的持续期期间关闭该装置的分离装置以防止电池放电。
一些影响浸没结构的相关问题是由有机体的生长引起的。例如贻贝为市政供水系统及发电厂的严重问题。因其快速的生长，其堵塞供水系统或发电厂正常运作所需要的进水口，而造成水流的减少。昂贵的清洁操作必须定期的执行。藤壶及其它有机体因会附着于船的外壳及其它结构的浸没部分而众所周知。处理这些问题的常规装置包括使用防污涂料及定期彻底清洁。该涂料可能具有不需要的环境影响但该清洁为昂贵的方法，且当清洁时船舶需要停止使用。这些对于长期运转而言皆不是有效的方法。
本发明的目标为提供金属物体腐蚀保护，即使将被保护的物体未浸入电解质中。本发明的另一目标为完成该目标而不暴露人类或动物于高电压的危险中。此外，该装置亦应是节能的，因此可降低电源的消耗且不需要任何用于散热的特殊装置。作为电路的一部分，其亦应具有电池电压监控器，若电池电压降低于预定的临界值时可关闭脉冲放大器，因而节省电池电源。这是特别有用的，因为在冷的气候条件下由于暴露于用于使路面上的冰融化的盐的腐蚀较易发生，其亦造成车辆启动时对电池较大的需求。除了冷的气候，高温及潮湿亦造成腐蚀增加，同时造成车辆启动对电池电源需求的增加。本发明的另一目标为抑制浸没结构上有机体的生长。最后，本发明的另一目标为若该装置意外地与具有反向极性的电池接触时防止电路伤害。
所以，要求提供腐蚀保护的改进控制。

发明内容
本发明的目的为消除或减轻先前腐蚀抑制方法的至少一种缺点。特别地，本发明的目的为提供用于降低金属物体腐蚀速率的电路及方法。
在第一方面中，本发明提供一种降低金属物体氧化速率的方法。该方法包括以下步骤产生电波形；将电波形耦合至金属物体；及在金属物体整体表面上感应表面电流以响应于电波形。该电波形具有预定特征且由DC电压源产生，以使每个波形具有瞬时AC分量(temporal AC component)。
在本方面的一实施例中，耦合步骤包括通过该金属物体上的至少两个接触点驱动该电波形，产生步骤可包括具有用于产生AC分量的形状的电波形，且该电波形可包括该金属物体的共振频率。在本方面的另一实施例中，耦合步骤可包括从连接至该金属物体的第一端子至第二端子电容耦合该电波形，其中该第二端子连接至该DC电压源的接地端。
在本方面的另一实施例中，该电容耦合的步骤可包括从该DC电压源使电容器充电及经由该金属物体将该电容器的存储电荷放电至在DC电压源及该金属物体之间的接地连接以响应于该电波形。在本实施例的另一方面，该电容器可机械性充电，该电容器的第一端子可连接至该金属物体，及该电容器的第二端子可连接至该金属物体远离接地连接的区域，及DC电压源的极性在使存储电荷放电后反向。
在本方面的替换实施例中，该电容耦合步骤可包括由该DC电压源给电容器充电及使该电容器的存储电荷放电至耦合到该金属物体的分布电容器以响应于该电波形，其中该感应的表面电流在第一方向移动以响应在该分布电容器上存储电荷的累积。在本实施例的一方面中，该耦合步骤可包括在金属物体上以对应于该信号脉冲的预定频率的频率使磁场移动。
根据本方面的另一替换实施例，该耦合步骤可包括用于通过天线发射由金属物体接收的对应于该电波形的RF信号，该产生步骤可包括产生具有约200纳秒的上升及下降时间的电波形，及该产生步骤可包括产生单极DC电波形或双极DC电波形。
在第二方面中，本发明提供用于降低金属物体腐蚀速率的电路。该电路包括具有DC电压源的充电电路，及耦合至该金属物体的电流产生电路。该充电电路具有用于提供电容性放电的DC电压源，其中该DC电压源的端子连接至该金属物体。该电流产生电路耦合至该金属物体用于从该充电电路接收及成形电容性放电，该电流产生电路将该成形的电容性放电耦合至该金属物体以在其中感应表面电流。
在本方面的实施例中，该充电电路可包括与该DC电压源并联的电容器，及开关电路，用于在用于给该电容器充电的充电位置将该电容器耦合至DC电压源，该开关电路在使该电容器放电的放电位置中将该电容器耦合至输出。该电流产生电路可包括耦合于该输出及该金属物体之间的阻抗装置用于提供成形的电流波形，被感应作为成形的电流波形的表面电流施于该金属物体。该DC电压源可包括极性开关电路用于使该DC电压源的极性反向。
在本实施例的一个方面中，该电流产生电路可包括耦合至该金属物体的分布电容器，耦合于该输出及该分布电容器之间的阻抗装置，该阻抗装置用于提供成形的电流波形，该分布电容器接收来自该成形的电流波形的电荷以感应该表面电流，及放电电路，用于使该分布电容器的电荷放电至该端子以感应与该表面电流方向相反的第二表面电流。该放电电路可包括耦合于该分布电容器及放电开关电路之间的第二阻抗装置，该放电开关电路选择性地将该第二阻抗装置耦合至该端子。该分布电容器可包括至少两个并联独立极板，其中该至少两个并联独立极板的每个具有不同表面面积。
本领域一般技术人员在参阅以下本发明的特殊实施例的描述并结合附图应对本发明的其它方面及特征的理解更为清楚。


现在将用实例方式参照附图描述本发明的实施例，附图中图1A和图1B是Cowatch的现有技术的电路图；图2是本发明的装置的示意图；图3A、图3B和图3C是本发明的优选实施例的电路图；图4是本发明的可选实施例；图5是本发明的优选相位补偿的优选实施例；图6是根据本发明的实施例的用于将电波形电容耦合至金属物体的电路；图7是根据本发明的另一实施例的用于将电波形电容耦合至金属物体的电路；以及图8是测试面板及控制面板的腐蚀电位对时间的曲线图。
具体实施例方式
本发明主要提供一种通过在金属物体整体表面上感应表面电流以降低该金属物体中腐蚀速率的方法。该表面电流可通过直接或间接施加具有AC分量的电波形(电子波形)被感应，以响应于由电路产生的电波形。电波形具有时变分量(time varying component)，其具有例如频谱、重复率、上升/下降时间、脉冲、正弦曲线、及脉冲与正弦曲线的结合的特征。金属主体及适合的电源，例如DC电压(电池)的负端子接地。DC电压源的正端子连接至将低电压电波形传至连接到金属主体的传导端子的电子电路。用于感应该表面电流的电波形中的时变AC分量在抑制腐蚀中是有效的，且因此其产生是有利的。感应表面电流的可选方法包括经由金属主体的直接电容器放电，或在金属主体上的电磁场的移动，或通过产生信号，其具有源自附着于发射天线的RF源的适合波形以使发射信号可由该金属主体接收。
根据本发明的实施例，具有形状传导以产生该时变(AC)分量的电波形的产生对降低氧化速率是有效的。该电波形可(但非必要)包括一频率，该金属物体在该频率会共振。已证实具有100uS的标称周期，3uS的宽度及约200纳秒的上升及下降时间的单极脉冲的电波形在防止腐蚀方面是有效的，即使当电解质不存在时。已知i)已确定通过该电波形在该金属体上所感应的表面电流是造成腐蚀速率降低的原因；及i)原则上，当适当地耦合至金属物体时，任何具有AC分量的电波形皆可在金属物体上感应表面电流。因此，应很清楚适合用于降低腐蚀速率的适合的电波形的可能数目实际上是无限的。这些表面电流可归因于集肤效应现象，其中，高频电流具有其本身分布有在靠近导体的表面较在其核心更高的电流密度的倾向。
本发明通过首先参考通过电容耦合以防止金属氧化的现有技术方法而被最佳了解。图1A示出用于Cowatch的发明的推/拉饱和铁心变压器的电路图。通常，端子1连接至车辆的电气系统的正极侧，及端子2连接至车辆电气系统的负极侧。变压器81的输出具有三个分接头21、22及23。分接头21提供该系统接地，22提供12伏特AC及23提供400伏特AC。源自第一级的输出供给第二级，整流脉动器，其电路图显示于图1B中。源自23的400伏特AC供给50，源自22的12伏特AC连接至51同时接地21连接至52。整流脉动器的输出(在77及73之间)为具有重叠在400伏特DC上的12伏特脉冲的400伏特DC。
现描述图1A及图1B的电路的特殊配置。在图1A中，在连接3的芯81、电容器4及电阻器5并联于端子1。晶体管6、二极管7、电容器8及电阻器9亦并联于电阻器5。电容器4、晶体管6、二极管7、晶体管10及二极管11并联于到车辆的电气系统的负极侧的连接2。晶体管10在点12(输入至一次线圈)连接至环绕饱和铁氧体磁心变压器81的第二线圈14。晶体管10在点13(输出反馈)也连接至环绕变压器81的第三线圈15。电容器8及电阻器9在点16(从反馈输出)连接至环绕变压器81的第三线圈15。晶体管6在点17(输入至一次线圈)连接至环绕变压器81的第一线圈18。第一线圈18及第二线圈14各为7匝的20号线。第三线圈15为9匝的20号线。第四线圈19为225匝的30号线，及第五线圈20为10匝的30号线。
在图1B中，二极管59及60并联于在点50输入的400伏特AC。在点51输入的12伏特AC并联于二极管53及54。二极管55、56、57及58并联于在点52输入的系统接地。电容器61及62、电阻器65、SCR 76、二极管69及在点71连接于环绕脉冲变压器铁心80的第一线圈78并联于二极管53、56、57及60。电容器61、电阻器67及电阻器66并联于二极管54及55。电容器62及晶体管75并联于电阻器67。电阻器66连接至晶体管75。电阻器65及SCR76并联于晶体管75。电阻器68并联于二极管58及59。SCR 76、二极管69及电容器64并联于电阻器68。电容器64在点72连接至环绕脉冲变压器铁心80的第一线圈78。环绕脉冲变压器铁心80的第二线圈79在点74连接至二极管70。高压整流二极管70连接至输出点77。环绕脉冲变压器铁心80的第一线圈78的匝数与第二线圈79的匝数的比例为1∶125。
现有技术的发明将具有重叠于高压DC上的低压脉冲的高压DC提供至连接在73及77之间的电容器的阳极板。电容器的阳极板是通过电容垫片从接地金属物体分离及耦合至接地金属物体。
图2为说明本发明的装置的操作的功能方块图。电池101为用于本发明的DC电源。电池的一端子连接至接地103。电池的正端子连接至反向电压保护器105。该反向电压保护器避免反向电池电压被意外地施于其它电路及损害元件。
功率调节器107将电池电压转换至微处理器111需要的适当电压。在优选实施例中，微处理器需要的电压为5.1伏特DC。电池电压监控器109比较参考电压(在优选实施例中为12伏特DC)与电池电压。若电池电压高于参考电压，则微处理器111激活脉冲放大器113及功率指示器115。当脉冲放大器由具有微处理器的正输出的脉冲信号激活时，具有正输出的放大脉冲信号由脉冲放大器产生并传送至垫片117。垫片117电容耦合至被保护的金属物体119。当功率指示器115被激活时，功率指示器中的功率LED被打开，作为脉冲放大器被激活的指示器。当然，当电池电压降至低于参考电压时，除了检测电池电压的电路外的所有电路可被关闭以最小化功率消耗。若电池电压太低，则电池电压监控器109的使用防止电池的耗尽。
当本发明用于保护金属物体时，例如汽车车身，垫片117具有由适合的电介质制成的衬底材料，其在这种情况下与细纤维玻璃类似并通过高电介质强度硅酮胶附着于物体119。在优选实施例中，衬底粘合剂组合具有至少10千伏的击穿电压。粘合剂优选地为快速硬化粘合剂，其在15分钟内可充分硬化以将电介质材料固定到金属物体。
通过图2中本发明的概述，显示于图3A至图3C中的装置的细节较容易了解。图3A中标以数字147、149、151、153、155、157及159的节点连接至图3C中对应标示的节点。由典型汽车蓄电池提供动力的单元中该电池的正端子连接至连接板131上的端子133。电池的负端子连接至车体(“接地”)及连接板131上的端子137。当在图2中被保护的金属物体119连接至接地时，图2的垫片117连接至连接板131上的端子139。该汽车蓄电池、垫片117及被保护的金属物体119及它们的连接未显示在图3A中。
图2的反向电压保护电路105包括图3A中的二极管D3及D4。在本发明的优选实施例中，D3及D4为IN4004二极管。该领域技术人员应了解通过所显示的二极管配置，在点141的电压不在相对于接地的有效负电压，即使该电池连接至具有反向极性的连接板131。其保护电子元件避免损害并改良现有技术。如图3A所示，VCC电压源连接至R1、R2、C1、D1及微处理器145的VCC输入的共同端子。
图2中的功率调节器电路107由电阻器R1、齐纳二极管D1及电容器C1制成。其将13.5伏特的标称电池电压转换至微处理器需要的5.1伏特。在优选实施例中，R1具有330Ω的电阻，C1具有0.1μF的电容及D1为IN751二极管。如该领域技术人员所熟知，齐纳二极管具有高稳定电压降用于广泛范围的电流。
电容器C8、C9及C10起过滤电池电压及参考电压的作用。在优选实施例中，其每一个皆具有0.2μF的值。C8及C9可被具有0.2μF值的单电容器取代。
该电池电压监控器包括电阻器R2、R3、R4、R5和R6及电容器C4和C5。电压由微处理器145中的比较器监控。分压器，包括电阻器R2及R3，提供微处理器145管脚P33的稳定参考。在优选实施例中，R2及R3每一个皆具有100KΩ的电阻。从而，以齐纳二极管D1的5.1伏特的参考电压，在微处理器管脚P33的电压将为2.55伏特。在优选实施例中，微处理器145为Zilog制造的Z86ED4M。
电池电压由电阻器R5及R6划分并施于比较器输入管脚P31及P32。在优选实施例中，R5具有180KΩ的电阻及R6具有100KΩ的电阻。微处理器145中的比较器将在管脚P31及P32的由R5及R6划分的电池电压与在管脚P33的2.55伏特的被划分的参考进行比较。只要在管脚P31及P32的电压降至低于在管脚P33的参考电压，微处理器感测低电池电压并停止传送信号至脉冲放大器(论述于下)。经由电阻器R4将管脚P00连接至电阻器R5及R6的接点的必要性增加，因为比较器只反应在管脚P31和P32的电压降至低于在管脚P33的参考电压的转变。管脚P00以约每秒介于0伏特及5伏特之间由微处理器产生脉冲。当管脚P00为零伏特时，在优选实施例中的电阻器R4具有100KΩ电阻，则当电池电压低于11.96伏特时，在管脚P31和P32的电压低于在管脚P33的2.55伏特的参考电压。当管脚P00为5伏特时，在P31及P32的电压高于2.55伏特。以此方法，微处理器可在连续操作下感测低电池电压。电容器C4及C5提供这些电压的AC过滤。
该领域技术人员应了解用于两个电压电平间循环管脚P00的需要，及电阻器R4的需要，在其比较器可反应参考电压及电池电压间实际不同，而不是低于参考电压的电池电压的转变的其它微处理器中为非必要的。
使用微处理器以产生DC电压的脉冲及使用电池电压监控器以当电池电压降至低于参考电平时关闭装置为现有技术方法的改良。然而，该领域技术人员应了解其有在该项技术领域中熟知的逻辑电路，例如振荡器/脉冲产生器电路，其可用于产生脉冲。功率指示器包括LED D2、晶体三极管Q5及电阻器R7、R8及R9。晶体管Q5由在管脚P02的微处理器的正输出驱动。当晶体管Q5开启时，LED D2变亮。若电池电压降低至标称12V，微处理器在管脚P02无正输出且LED D2关闭。当电池电压升至高于标称12伏特时，微处理器在管脚P02上有正输出且LED D2开启。
在本优选实施例中，Q5为2N3904晶体管，R7具有3.9KΩ的电阻，R8具有1KΩ的电阻，及R9具有10KΩ的电阻。
当电池电压高于标称12V时，该微处理器亦在管脚P20产生输出脉冲。其被传送至脉冲放大器，脉冲放大器包括电阻器R11-R16及晶体管Q1-Q4。在本优选实施例中，Q1、Q3及Q5为2N3904晶体管，Q2及Q4为2N2907晶体管，R11具有2.7KΩ的电阻，R12及R13各具有1KΩ的电阻，R14及R15具有390Ω的电阻，及R16具有1KΩ的电阻。电容器R7提供用于该脉冲放大器电路的AC过滤，在本优选实施例中，且具有20μF的电容。该脉冲放大器的输出经由连接板131中的139施于附着于车体的耦合垫片117。该输出具有12伏特的标称振幅。
本发明中完全无任何变压器，故可轻易达到高效能。其降低电池的消耗并为现有技术的改良。在本优选实施例中，源自该微处理器的管脚P20的信号包括具有5V振幅、3微秒宽及10kHz重复率的标称特征的脉冲。对于该脉冲形式的电波形，施于垫片117的放大脉冲信号的上升及下降时间决定其高频含量，并因此决定该电波形中的瞬时变化(temporal variation)。在本优选实施例中，形成放大脉冲信号的每一个脉冲的上升时间及下降时间为约200ns。
在本优选实施例中的微处理器的时钟频率由包括电容器C2及C3及电感器L1的共振电路决定。使用该电路较用于控制微处理器时钟的石英晶体节省成本。其为现有技术的改良。在本优选实施例中，当电感器L1具有8.2μH的电感时，C2及C3具有100pF的电容。该领域技术人员可认识到其它装置或电路来提供微处理器的定时机构。
现参阅图4，本发明的替代实施例是说明其使用内部电容器160、导线161及接线柱162以传送脉冲至金属物体119，而非电容器垫片117。在图4中，脉冲放大器113的输出附着于电容器160的正极侧。电容器160的负极侧附着于导线161，导线附着于接线柱162。源自脉冲放大器113的输出脉冲是因此通过由电容器160、导线161及附着于金属物体119的接线柱162形成的路径传送至金属物体119。
现参阅图5，本发明的优选实施例中是显示具有二个或多个电极的系统的相位传感器及调整电路。本发明将用于附着的两个或多个电极提供给大金属结构，例如储水槽及金属贮藏棚或大车辆。第一及第二电极附着于被处理的金属结构或车辆，以使本发明的功效同时施于二个或多个点。每一个电极将时变电波形施加到被处理的物体。正弦波形为可施加的优选波形的实例，然而任何适合的波形皆可施用且具有同样功效。短电缆上的第一电极施于金属物体上的一个点，及附着于较长电缆上的第二电极施于被处理的金属物体上的第二点。相位传感器用于调整信号，以使长电缆及短电缆的阻抗不同不影响两个施加的信号的相位同步关系。即，确定施于金属物体与第一及第二电缆的复阻抗的信号的相位关系，且相位补偿及调整施于每一电缆的信号，以使在每一电缆的远端的信号为相位同步或为在施于金属物体时的相位。高压保护电路被提供以保护本发明避免高压尖脉冲或冲击的伤害。变速闪烁发光二极管(LED)被提供以显示满、临界及低的功率电平。
如图5所示，第一导线161及第二导线166由脉冲放大器213分别经由信号线216及214驱动，以响应于由微处理器111提供的信号脉冲。脉冲放大器213包括相位延迟电路以调整任何因电缆161及电缆166之间阻抗不同的相位延迟，电缆可为不同长度并因此表现不同的阻抗及相位延迟。在每一电缆中的不同阻抗倾向于当经由接线柱162或167施于该物体时，独立转移在电缆远端的每一输出信号的相位。因此，本发明提供相位补偿，即相位感测到接线柱或物体的作用点的每一输出信号，及适当的相位补偿或延迟以使每一输出信号至相位同步。如此，本发明监控及调整在每一接线柱162及167的输出信号的相位。否则，施加的信号不是相位同步且造成输出信号的作用功效较低。更有效地调整每一接线柱施加的信号的相位，以使每一接线柱信号的峰值与施于金属物体的其它接线柱峰值一致。如此，本发明确保施于金属物体的每一接线柱的每一信号为相位同步。
在每一接线柱的每一信号的相位可通过附着每一接线柱162及167于相位传感器170以在信号通过传送电缆161及166和电容器160及165后，确定在每一接线柱162及167的每一信号的相位关系而确定。微处理器111确定相位差异并传送相位延迟信号至脉冲放大器213，其施加相位延迟信号于传送至每一电缆的脉冲，以使该信号当经由接线柱施于物体时为相位同步。该相位传感器及脉冲放大器亦可感测及调整介于两个施加的信号间的复阻抗的不同。类似电路被用于调整本实施例中施加的信号的相位，其中，电容耦合被用于将信号施加到物体。
功率指示器215包括电压感测电路、闪烁器及电压指示及LED。功率指示器电路造成LED当供应电压为12伏特时以1/8赫闪烁，及当供应电压低于12伏特及高于11.7伏特时以1/4赫闪烁，及当供应电压低于11.7伏特时以1/2赫闪烁。冲击电压保护电路172被提供以保护本发明避免因调节器失效或其它高压源产生高压。
如前述显示于图5的本发明的说明，微处理器111可产生电波形，例如一连串的脉冲，用于到金属结构的应用。如前所述，电波形具有时变分量，及可为脉冲形式或正弦形式，及具有不同特征例如特殊频谱、重复率、上升/下降时间。在本实施例中，在金属结构上产生或感应的表面电流对抑制该金属结构的腐蚀有效。当表面电流可产生以响应于施于时变电波形，微处理器111及脉冲放大器113提供以单极脉冲DC为基础的信号。然而，该信号的傅利叶变换显示除了DC分量，该信号亦包括许多AC分量。通常可观察到最高频率分量被发现为约0.35/Trf，这里Trf为脉冲的上升/下降时间，其一直较低。虽然单极DC信号用于本实施例，但亦可使用双极DC信号替代且具有同样功效。单极信号是指只在正或负方向产生电压或电流偏移的信号，然而双极信号是指在正或负方向两者皆产生电压或电流偏移的信号，例如正弦波形。
该领域技术人员应了解在数字信号通讯的领域，承载数字信号的线可表现不需要的电感及电容特征。因此其可表现为可造成不需要的瞬态及在电路接收端信号振铃的共振LC电路。在高传送速率中上升及下降时间会变化，若轻视则会造成严重的问题。虽然数字信号通讯领域中的业者已尝试最小化该作用，此瞬态对于本发明的实施例为优选的。这些脉冲形式的电波形的瞬态(transient)AC分量会增加频率分量，在其处有效的LC电路振荡，且因此增加降低腐蚀速率的表面电流产生。注意到该电波形可具有任何形状，只要其具有时变(AC)分量。必然地，对于脉冲形式的波形，微处理器111可设定为提供高频率及短上升/下降时间的脉冲信号，以产生该时变(AC)分量。当然，该领域技术人员应了解任何适合的高速脉冲产生电路皆可用于代替微处理器111。
注意到若该电波形包括金属物体共振的频率表面电流产生可被增加。因车辆为与AC电激发有关的复杂电子结构，其可在许多由电波形所产生的频率下具有电子共振。该车辆准确的共振频率是由该车辆的结构及存在于电路及用于连接该电路的线中的寄生电容及电感而确定。不仅导致将增大表面电流，该表面电流将有效率地放射，转变该金属物体为有效的天线。如此，通过选择适当的波形形状，和因此的频率光谱，可得到最佳的腐蚀抑制。然而，该领域技术人员应了解优选为控制此过程以避免RF干扰问题。
在一替代实施例中高频率分量是不可能或不需要的，该高频率分量可通过降低存在于电波形中的最大变化率而最小化。对于脉冲波形，这意味着脉冲的上升及下降时间的减少。注意到具有适度上升及下降时间的低负载循环脉冲波形对于在被保护的金属主体上感应表面电流是有效的。适度上升及下降时间是指类似于本发明的实施例中揭示的那些时间。特别地，注意到脉冲波形的具有适当持续期间的上升及下降时间主要负责产生该表面电流。用于最小化信号上升/下降时间的电路技术为该领域技术人员所熟知。
用于在金属物体产生表面电流的替代技术为将电波形直接电容耦合于金属物体以感应表面电流产生。其可通过经由金属物体的直接放电或经由电场感应表面电流产生而实现。接下来为根据本发明的实施例的用于将电波形电容耦合至金属物体的电路的描述。
图6显示根据本发明的实施例的用于通过直接放电而耦合电波形至金属物体的电路的示意图。该电路包括具有用于提供电容放电的DC电压源的充电电路，及耦合至金属物体以接受及成形源自充电电路的电容放电的电流产生电路。DC电压源的端子连接至金属物体，及电流产生电路将成形的电容放电施加到金属物体用于在其中感应表面电流。电容耦合电路300包括DC电压源302，例如电池、阻抗装置304及306、电容器308、开关310及金属物体312。在本实施例中，DC电压源302、阻抗装置304、电容器308及开关310形成充电电路用于提供从电容器308经由开关310的电容放电。特别地，电容器308并联于DC电压源302，及开关310将电容器308耦合至在用于给电容器充电的充电位置的DC电压源302，及耦合至在用于使电容器308放电的放电位置的输出。在本实施例中，该输出可为开关310的节点“1”，及该电流产生电路包括阻抗装置306。当电容器308充电时阻抗装置304限制电流，及阻抗装置306用于成形施于金属物体312的电波形。虽然未显示，电压源302包括使其极性相反的极性开关电路。控制开关310以电连接电容器308的极板于图6中的位置1或位置2。优选地，电容器308的两端子在金属物体312上以互相远离一定距离连接。该领域技术人员应了解阻抗装置304、306、电容器308及电压源302的特殊类型及值为设计参数。换句话说，其值是经选择的以确保感应对降低金属物体312腐蚀速率有效的表面电流。
在操作时，开关310设定至位置2以由电压源302经由阻抗装置304给电容器308充电。假设在本实施例中电压源302以连接于电容器308的底板的负端子开始。当充电时，开关310被转换至位置1以经由金属物体312经由阻抗装置306放电所存储的电荷。如此，表面电流经由金属物体产生，而电容器308的顶板上的正电荷经由金属物体312放电。接着开关310被转换回位置2且电压源302的极性经由极性开关电路反向，以使电容器308的底板转为带正电荷的。当开关310被转换至位置1时，相反方向的表面电流经由金属物体312产生。因此，当开关310在位置1及2之间转换时，电荷施于该金属物体312并从该金属物体抽取，及在开关310每次返回位置2时电压源302的极性被反向。
据此，电容器308充电及放电的频率可由微处理器111控制，且特别地由微处理器111提供的电波形控制。更特别地，开关310及电压源302的开关电路可由电波形控制。因此，电波形有效地耦合至金属物体，因电容器308的放电电压对应于电波形的激活阶段。在替代实施例中，许多并行工作的电容器可选择性地连接于金属物体以确保表面电流经由金属物体312被感应，及电容器可通过作用于分离电容器极板的电介质被机械性充电。此外，该领域技术人员应了解双极电压源可用于取代图6描述的单极电压源302以排除极性开关电路的需要。
图7显示根据本发明的实施例的用于通过电场感应表面电流产生而耦合电波形至金属物体的电路图。该电路包括具有DC电压源的充电电路以提供电容放电，及耦合至金属物体的电流产生电路以接收及成形源自充电电路的电容放电。该DC电压源的端子连接至金属物体，及该电流产生电路将成形的电容放电施加到该金属物体以在其中感应表面电流。电路350包括显示于图6的电路300的相同的元件，并以相同的配置排列，但增加第三阻抗装置352、第二开关354及分布电容器极板356。在本实施例中，DC电压源302、阻抗装置304、电容器308及开关310形成充电电路用于提供从电容器308经由开关310的电容放电。特别地，DC电压源302，及开关310并联于电容器308，将电容器308耦合至在用于给电容器充电的充电位置的DC电压源302，及耦合至在用于给电容器308放电的放电位置的输出。在本实施例中，该输出可为开关310的节点“1”。该电流产生电路包括阻抗装置306、分布电容器极板356、及包括阻抗装置352及开关354的放电电路。阻抗装置352当其经由开关354放电时成形电流信号，及分布电容器极板356可为许多位于沿着金属物体312的不同位置的独立的电容器极板。在本实施例的变化中，每一个形成分布电容器极板356的独立的电容器极板可具有其自己的阻抗装置352及开关354。如图6中，该领域技术人员应了解阻抗装置304、306、352、电容器308及电压源302的特殊类型及值为经选择以确保有效表面电流产生的设计参数。此外，每一独立电容器的表面区域可裁剪(tailor)以产生用于金属物体312上特殊位置的所需的表面电流强度。裁剪可能是需要的以补偿金属物体312及/或连接于金属物体312的元件的形状，其会影响表面电流的分布。
在操作时，当开关354开启时，开关310被置于位置2以通过电压源302经由阻抗装置304给电容器308充电。假设在本实施例中的电压源302已被配置，以使其负端子连接于电容器308的底板。当开关354开启时，开关310被转换至位置1以通过分布电容器极板356经由阻抗装置306分布或均分存储电荷。因此，当分布电容器极板356充电时表面电流经由金属物体产生。更特别地，当分布电容器极板356充电时，感应在第一方向流动的表面电流。当开关310在位置2时，开关354被转换至闭合位置以使分布电容器极板356放电并感应以第二及相反方向流动的表面电流。据此，当开关310在位置2时，电容器308开始充电。然后此循环通过设置开关354于开启位置而终止。
据此，电容器356充电及放电的频率可由微处理器111控制，且特别地由微处理器111所提供的电波形控制。更特别地，开关310及354可由电波形控制，以维持前述的开关操作顺序。因此，此电波形有效地耦合至金属物体，因分布电容器极板356以与电波形的频率相关的频率充电及放电。该领域技术人员应了解微处理器111可配置以产生超过一个以上的电波形，以使每一个电波形以适当顺序控制开关310及354。
本实施例的优点为可在金属物体的不同位置通过调整分布电容器极板356的独立电容器的值及分量的数值而定制表面电流的弹性化。因此，遍及金属物体整体表面的腐蚀降低可最大化，不论其形状或大小。
前述用于在金属物体产生表面电流的技术需要介于脉冲信号产生器电路及金属物体之间的物理连接。产生表面电流的非接触方法可包括产生电磁场以感应表面电流。例如，在金属表面上移动磁场可感应涡流，其中一些为表面电流。该磁场可由永久磁铁提供，其可以越过可由微处理器111控制的频率的金属物体表面。因此，信号脉冲有效地耦合至金属物体，因产生磁场的装置在金属物体的特定区域上移动，以响应于该信号脉冲的激活阶段。
另一个用于产生表面电流的非接触技术包括以适当的形状(波形)从RF源经由天线传送信号，以使所传送的信号由金属物体接收。据此，在本替代实施例中的信号脉冲可用于使用已知RF电路产生RF信号，其接着经由所传送的信号耦合至金属物体。
因此，根据本发明的实施例，金属物体的腐蚀或氧化速率可通过从由适合的电能来源(例如DC电压源)提供动力的适合的波形产生电路产生具有预定特征的电波形而降低。通过将产生的电波形耦合至金属物体，在金属物体的整体表面感应表面电流。当电容耦合及非接触技术中该电波形不直接耦合至金属物体时，当其可用于控制其它元件以感应表面电流时，其被视为非直接地耦合至金属物体。该领域技术人员应了解电路的设计及装置参数必须小心选择以确保对时变数字信号敏感的邻近系统无干扰。
因表面电流可以用低DC电压源产生，本发明的实施例可用于许多可实施的应用，因低压电池，例如12伏特DC电池，为易取得的且比现有技术中所需的高电压源更普及。
为确认本发明实施例的腐蚀抑制功效，在准备用作车体面板的金属面板上进行腐蚀测试。表面电流测试在车辆上进行以确保当装置被激活抑制腐蚀时表面电流存在。
本发明的电路实施例的腐蚀抑制功效(是指从该点向前作为模块)通过划该面板以暴露裸金属而测试。由标准汽车蓄电池提供动力的模块使其端子连接于金属面板的背面。该测试面板及类似被划的“控制”面板两者连续以盐溶液喷涂持续超过500小时。设置至每一面板刮的位置的电极在持续的测试期间监控每一面板的电位。目视检查清楚地显示该测试面板较控制面板经历显著少的腐蚀，其由缺少锈点而证明。此外，每一面板的电位测量显示测试面板最终达到约150mV的电位，其较控制面板的电位更负。电压电位(伏特)对时间(小时)的曲线图的结果显示于图8，其测试面板电位以菱形显示及控制面板电位以方块显示。因此，结论为本发明的实施例感应的测试面板的较负的电位促成腐蚀抑制。
表面电流测试包括连接该模块至车辆并使用已知技术测量表面电流。特别地，模块的一端子连接于车辆的驾驶侧接地螺栓及模块的其它端子连接于在车辆乘客侧上的挡板面板螺栓。具有校正回路电流探针的无线电接收器用于检测及测量车体不同位置的表面电流。该测试的结论为表面电流可在车辆整体表面上检测到。
因此，根据前述本发明的实施例，该测试证实腐蚀可经由产生表面电流而被抑制。
虽然上述本发明的实施例在无电解质存在的情况下可有效降低金属的腐蚀速率，但其在电解质存在的情况下亦同样有效。此外，虽然低电压DC电压源说明于前述本发明的优选实施例，但亦可使用高电压DC电压源且具有同样功效。因此，本发明的实施例可应用于大型金属结构例如具有金属外壳的海船。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种降低金属物体氧化速率的方法，包括a)由DC电压源产生具有预定特征的电波形，每一电波形具有瞬时AC分量；b)将所述电波形耦合至所述金属物体；及c)响应于所述电波形，在所述金属物体的整体表面上感应表面电流。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述耦合的步骤包括驱动所述电波形通过所述金属物体上的至少两个接触点。
3.根据权利要求1的方法，其中，所述产生的步骤包括产生具有用于产生所述AC分量的形状传导的电波形。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述电波形包括所述金属物体的共振频率。
5.根据权利要求1的方法，其中，所述耦合的步骤包括将所述电波形从连接至所述金属物体的第一端子电容耦合至第二端子。
6.根据权利要求5的方法，其中，所述第二端子连接至所述DC电压源的接地端。
7.根据权利要求1的方法，其中，所述电容耦合的步骤包括响应于所述电波形，由所述DC电压源给电容器充电及经由所述金属物体将所述电容器的存储电荷放电至所述DC电压源及所述金属物体之间的接地连接。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述电容器被机械地充电。
9.根据权利要求7的方法，其中，所述电容器的第一端子连接至所述金属物体及所述电容器的第二端子连接至所述金属物体远离接地连接的区域。
10.根据权利要求7的方法，其中，所述DC电压源的极性在使所述存储电荷放电后反转。
11.根据权利要求1的方法，其中，所述电容耦合的步骤包括响应于所述电波形，由所述DC电压源给电容器充电及使所述电容器的存储电荷放电至耦合到所述金属物体的分布电容器，响应于在所述分布电容器上的存储电荷的累积，所述感应的表面电流在第一方向上流动。
12.根据权利要求11的方法，其中，所述电容耦合的步骤进一步包括响应于所述电波形，使所述分布电容器放电，响应于所述分布电容器的放电，所述感应的表面电流在与第一方向相反的第二方向上流动。
13.根据权利要求1的方法，其中，所述耦合的步骤包括在金属物体上以对应于所述信号脉冲的预定频率的频率移动磁场。
14.根据权利要求1的方法，其中，所述耦合的步骤包括通过天线发射由金属物体接收的对应于所述电波形的RF信号。
15.根据权利要求1的方法，其中，所述产生的步骤包括产生具有约200奈秒的上升时间及下降时间的电波形。
16.根据权利要求1的方法，其中，所述产生的步骤包括产生单极DC电波形。
17.根据权利要求1的方法，其中，所述产生的步骤包括产生双极DC电波形。
18.一种降低金属物体腐蚀速率的电路，包括一充电电路，其具有用于提供电容放电的DC电压源，所述DC电压源的端子连接至所述金属物体；以及，一电流产生电路，其耦合至所述金属物体用于从所述充电电路接收及成形电容放电，所述电流产生电路将所述成形的电容放电耦合至所述金属物体用于在其中感应表面电流。
19.根据权利要求18的电路，其中，所述充电电路包括一电容器，其平行耦合至所述DC电压源，及一开关电路，用于将所述电容器耦合至在用于使所述电容器充电的充电位置的DC电压源，所述开关电路将所述电容器耦合至用于使所述电容器放电的放电位置中的输出。
20.根据权利要求19的电路，其中，所述电流产生电路包括耦合于所述输出及所述金属物体之间的阻抗装置用于提供成形的电流波形，感应作为成形的电流波形的表面电流被施加至所述金属物体。
21.根据权利要求20的电路，其中，所述DC电压源包括极性开关电路用于使所述DC电压源的极性反向。
22.根据权利要求19的电路，其中，所述电流产生电路包括一分布电容器，其耦合至所述金属物体，一阻抗装置，其耦合于所述输出及所述分布电容器之间用于提供成形的电流波形，所述分布电容器接收来自所述成形的电流波形的电荷以感应所述表面电流，以及一放电电路，用于使所述分布电容器的电荷放电至所述端子，用于感应与所述表面电流方向相反的第二表面电流。
23.根据权利要求22的电路，其中，所述放电电路包括耦合于所述分布电容器及放电开关电路之间的第二阻抗装置，所述放电开关电路有选择地将所述第二阻抗装置耦合至所述端子。
24.根据权利要求22的电路，其中，所述分布电容器包括至少两个并联独立板。
25.根据权利要求24的电路，其中，所述至少两个并联独立板中的每一个都具有不同的表面面积。
全文摘要
本发明主要提供一种在金属物体整体表面上感应一表面电流以防止该金属物体腐蚀的方法。该表面电流可通过直接或间接施加具有由电路产生的AC分量的电波形被感应。金属主体和DC电压源(电池)的负端子接地。DC电压源的正端子连接至将低电压DC的电波形传至连接至金属主体的传导端子的电子电路。感应表面电流的替代方法包括经由金属主体的直接电容放电，或在金属主体上电磁场的移动，或通过产生附着于发射天线的RF信号以使发射信号由该金属主体接收。
文档编号C23F13/00GK1699625SQ20051006952
公开日2005年11月23日 申请日期2005年5月12日 优先权日2004年5月17日
发明者麦克·E·路易斯 申请人:加拿大专属保存公司