專利名稱：鋼強(qiáng)化結(jié)構(gòu)用的可嵌入的腐蝕監(jiān)視器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)視鋼強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，例如混凝土橋、車道和荷重支持件中腐蝕和其它結(jié)構(gòu)變化的裝置。這個儀器被完全地嵌入并形成該結(jié)構(gòu)的永久性組件。
在本發(fā)明公開的系統(tǒng)中，通過把這些電子傳感器包含在這些儀器中而克服了這個不準(zhǔn)確的問題。通過把這些電子傳感器放在這些儀器中，信號損耗大大降低，使得更準(zhǔn)確的讀數(shù)成為可能。
本發(fā)明提出一種鋼強(qiáng)化結(jié)構(gòu)用的可嵌入的腐蝕監(jiān)視器，對于各種大的結(jié)構(gòu)，這些儀器能被組成網(wǎng)絡(luò)以從該結(jié)構(gòu)的各特定的部分提供讀數(shù)。這些監(jiān)視儀器具有至少一個傳感器而各傳感器具有和該周圍材料相接觸的多個電極。各電極的電子線路都被包含于該儀器中并從這些電極接收各種模擬信號。一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器把那些從各個傳感器來的信號在送至微控制器以前進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器也放大和過濾這些信號，在一個實(shí)施例中，該放大和過濾都由數(shù)據(jù)記錄器來程控的。一個數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器把從該微控器來的要送往這些電子傳感器的各信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一個傳送裝置把來自該微控器的各數(shù)字信號傳送到一個外部的數(shù)據(jù)記錄器或計算機(jī)以顯示這些數(shù)字化的信號。該微控器和該數(shù)據(jù)記錄器之間的連接可以通過硬件或無線電頻率(RF)。在使用該微控器進(jìn)行雙向通信時，一個實(shí)時時鐘也能被使用。電源通過外部的或局部的方法向這些電子傳感器提供。為了儲存電源，可以使用一個和各電子傳感器、該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微控器和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器相連絡(luò)的電源管理系統(tǒng)。該電源管理系統(tǒng)通過把這些電子傳感器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微控器和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器中任一在不使用時放置入一個睡眠狀態(tài)來調(diào)節(jié)電源消耗的。
當(dāng)該系統(tǒng)被用來監(jiān)視腐蝕時，一個電流計或相等的裝置被用來測量傳導(dǎo)性，一個電壓計或和它相等的裝置用來測量線性極化阻抗。氯離子濃度是通過使用一個Ag/AgCl電極它對Cl負(fù)離子有效，以及一個MnO2參考電極用來測量在離子有效電極和該MnO2之間的電位差。該裝置也能使用一個鋼的工作電極和一個不銹鋼的參考電極，通過該鋼的工作電極的外表面和該周圍支持鋼鐵的外表面的匹配來測量該儀器周圍區(qū)域的線性極化。
局部使用時，至少要使用下列各物之一一個壓電發(fā)生器、一個電化學(xué)電偶和/或一個用阻抗來匹配網(wǎng)絡(luò)的RF電源接受器。最好是使用一個該壓電發(fā)生器、電化學(xué)電偶和RF電源接受器的組合并用作一個彼此間可供選用的電源。
為了保護(hù)這些電子傳感器和使它們能被嵌入到該結(jié)構(gòu)材料中，使用了一個儀器盒，它是用這樣一種材料做成的即它具有的彎曲模數(shù)至少等于該結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力除以該結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)變。該彎曲模數(shù)等于或大于該混凝土以防止該裝置在該混凝土破壞前發(fā)生機(jī)械性破壞。該儀器盒有一個空心本體它有一個可移開的第一端，一個封閉的第二端和多個側(cè)面，每個側(cè)面有一個和其相鄰側(cè)面相連的長度。該本體被做成用以容納和保護(hù)這些電子傳感器免于和該結(jié)構(gòu)材料接觸。該可移開的第一端有至少一個電極接受端口，在最佳實(shí)施例中，至少一個保護(hù)盤。這些保護(hù)盤從表面以大致上直角的角度延伸至環(huán)繞這些電極接受口，從而使這些電極能從該第一端的該表面被升高。該儀器有至少一個電纜口以接受一條用來連接到其它儀器和/或電源的網(wǎng)絡(luò)電纜。這些相鄰的相連長度都做成圓角以引導(dǎo)來自環(huán)繞該儀器盒的該周圍的結(jié)構(gòu)材料的壓力以防止由于該周圍材料產(chǎn)生的壓力形成的開裂。該儀器盒的該第一端包含多個接受口以接納這些電子傳感器的各外部電極，把各電極的第一端置成與該結(jié)構(gòu)材料相接觸，把各電極的第二端和位于該儀器盒內(nèi)的該電子線路作電子性接觸。該儀器盒最好有多個和該空心本體一體的連接法蘭它有多個帶子接受槽以便能把該儀器盒連接到該周圍的鋼結(jié)構(gòu)上。各模塊都在該儀器盒中通過澆灌最好是具有足夠柔性的材料使整個包裝可以彎曲，不會壓著這些電子組件從而獲得保護(hù)。


圖17是圖15中實(shí)施例的窄側(cè)面圖；圖18是該儀器盒的一個側(cè)視圖，顯示一種可選用的連接方法。
需要注意的是按照使用的需要，其它的各傳感器能代替這里所公開的傳感器。例如，一個溫度傳感器能被加入以便監(jiān)視混凝土的凝固速度。利用該傳導(dǎo)率傳感器的輸出表示的溫度提供了該結(jié)構(gòu)內(nèi)部凝固的精確讀數(shù)。此外，增加環(huán)境濕度和溫度傳感器，允許該微處理器計算當(dāng)天最佳凝固所需要的是什么。另外，該氯離子傳感器可以監(jiān)視該混凝土中含有的鹽和其它雜質(zhì)，從而對所使用的材料進(jìn)行質(zhì)量控制。通過在建造和凝固時提供了監(jiān)視的可能性，本發(fā)明的各監(jiān)視器能提供有價值的數(shù)據(jù)它使開始建造該結(jié)構(gòu)時就能保證質(zhì)量控制，還能提供該微處理器所需要的數(shù)據(jù)以預(yù)測壽命、缺陷和/或在該結(jié)構(gòu)的壽命期內(nèi)所需要的各種維修。
在許多現(xiàn)有技術(shù)裝置中一個包含各種傳感器的探針被置于該材料中，一條電纜通向處于外部的用來分析來自這些傳感器的信號的電子電路。因?yàn)檫@些顯示腐蝕的信號都很微弱，所以該探針和該電子電路之間的距離必須嚴(yán)格限制，以便能得到精確和可重復(fù)的各種測量。因?yàn)楸景l(fā)明的裝置包含在嵌入單元中的該電子電路，所以，這些探針和該電子電路之間的距離是最短的。本發(fā)明的各儀器和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的通訊能力，以及它們各自之間是通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，使得本發(fā)明的儀器和該電源/數(shù)據(jù)記錄器和/或讀出裝置之間的距離變得重要。該電源/數(shù)據(jù)記錄器和本發(fā)明的儀器之間的距離是根據(jù)所用的網(wǎng)絡(luò)而定的，例如一個RS485的網(wǎng)絡(luò)允許約4000英呎。通過使用多個接入網(wǎng)絡(luò)的儀器可以獲得更大的距離，可是儀器的數(shù)量受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制。由此，只要符合各儀器間的距離不超過網(wǎng)絡(luò)所允許的最大距離這個要求，一座橋就能被有效地覆蓋。雖然這里的說明是指向監(jiān)視鋼強(qiáng)化混凝土的腐蝕，應(yīng)該注意的是本裝置能被改造以適合其它的腐蝕環(huán)境，例如在廣大范圍內(nèi)的化學(xué)的參數(shù)以及物理的參數(shù)，只要選用合適的電極和/或傳感器即可。增加的pH、應(yīng)變、振動和加速度測量能力，顯著地擴(kuò)大了本發(fā)明各儀器的用途。pH是許多環(huán)境中一個存在腐蝕的指針，各種應(yīng)變計都是通常用來監(jiān)視結(jié)構(gòu)中因?yàn)楦g或其它不良操作(例如，機(jī)械性損傷)而發(fā)生的裂縫和其它缺陷的移動。在本儀器中具有的應(yīng)變監(jiān)視能力允許工程師們監(jiān)視各種結(jié)構(gòu)性缺陷和基于預(yù)防性的維護(hù)決定而作出有根據(jù)的修理和修整。測量振動的振幅和頻率的能力允許工程師們在這些參數(shù)超過為該結(jié)構(gòu)所設(shè)計的規(guī)格時作出決定并在結(jié)構(gòu)的完整性被危害前采取預(yù)防措施以減少振動。例如，在任何一個給定的時間內(nèi)對允許通過一座橋的車輛數(shù)目可以作出限制。類似地，在一個結(jié)構(gòu)內(nèi)的一個到三個度量方向內(nèi)測量加速度的能力能被用來偵察和防止振動的破壞性模式。在地震常發(fā)區(qū)，各具有這種能力的儀器能被嵌入在橋中，或其它車道結(jié)構(gòu)中，用來偵察和警告駕車者有關(guān)地震的活動。這些儀器也能被放進(jìn)“防振”建筑中以監(jiān)視該建筑的結(jié)構(gòu)的完整性。該儀器也能被用于監(jiān)視封閉環(huán)路、陰極保護(hù)系統(tǒng)中的腐蝕。
圖2a、2b和2c顯示了三個電子傳感器，它們都是本實(shí)施例中的腐蝕測量傳感器，也是模擬器前端10的一部分。如圖2a中所示，一個四針或不銹鋼傳導(dǎo)傳感器電極54被引至一個可以測量傳導(dǎo)率/電阻率的電流計48。在上述的分析中，該傳導(dǎo)傳感器電極是用金做的。使用不銹鋼不但降低了該單元的成本，也提供了增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)完整性。優(yōu)選的不銹鋼是316L奧氏體的低碳。如果不銹鋼是焊接的就需要低碳，因?yàn)樘紝⒂绊戨姌O的壽命。在圖2b中這些電極包括一片用作工作電極42的強(qiáng)化鋼，不銹鋼網(wǎng)狀對電極44和一個用來導(dǎo)向一個電壓計50以作線性極化阻抗測量的MnO2參考電極52。在上述的分析中該網(wǎng)狀對電極是用鍍鉑的鈮做成的，然而現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)該316L不銹鋼不但提供了成本效益，也增加了延性。也可以是使用一塊不銹鋼板代替該網(wǎng)。此外，不銹鋼更容易連接到該儀器的本體上。用作各傳導(dǎo)電極的不銹鋼最好約0.043英吋厚而不是現(xiàn)有技術(shù)用的0.021英吋厚，因而增加了穩(wěn)定性。大的厚度更提供了額外的表面積，它反過來因?yàn)橛懈鼜?qiáng)的信號而提供了更精確的讀數(shù)。
在最佳實(shí)施例中所有的電極監(jiān)視一種從該儀器的表面延伸出相同的距離的擴(kuò)散物質(zhì)。這保證該被監(jiān)視的物質(zhì)差不多同時到達(dá)所有的電極，因此能作出各種更準(zhǔn)確的測量。當(dāng)一個監(jiān)視一種擴(kuò)散物質(zhì)的電極和相應(yīng)的其它電極不處于相同的距離時，可以用軟件編程來補(bǔ)償這個差異。換言之，如果嵌入在混凝土中的裝置其工作電極延伸高出該裝置的表面，比這些傳導(dǎo)電極多四分之一英吋，以及該腐蝕物質(zhì)移動周期是已知的話，從該兩個電極收集到的數(shù)據(jù)之間的差異就能被計算出來。從各電極接受到的數(shù)據(jù)就能與該數(shù)據(jù)記錄器相聯(lián)系以提供多種的計算和比較型式，以便更好的定出該結(jié)構(gòu)內(nèi)的潛在弱點(diǎn)或缺陷。
圖2c顯示了一個Ag/AgCl電極和MnO2參考電極52引向一個線路160它能測量正比于氯離子濃度的電壓。該MnO2參考電極按照實(shí)際使用情況能用不銹鋼來代替，以提供成本效益。替代MnO2電極將損失監(jiān)視氯離子的能力，然而這種測量不是能用于所有的場合，這種和其它的種種方法將是本領(lǐng)域技術(shù)人員所明白的。
所有電極42、44、52、54和56中的一部分以及一些內(nèi)部接線都被裝在一個收納該儀器的電子電路的塑料密封的容器中，例如下面要公開的儀器盒。為了保護(hù)這些儀器，使用了一種防水的、不導(dǎo)電的封裝材料。一種許多場合都適用的材料的例子是它具有或相當(dāng)于0.5的泊松比。該封裝材料必須提供足夠的柔性以允許這些儀器彎曲，而不是壓縮從而損壞該電子電路。因?yàn)樵摲庋b材料將承受極端的溫度，正如在許多長期振動的場合中，在柔性和剛性之間需要有一個精確的比例。該材料可適合于在各種場合使用，讀了這里教導(dǎo)的準(zhǔn)則，業(yè)內(nèi)人士都明白。
如圖3中所示，各電子傳感器的一部分電極通常延伸超過該監(jiān)視單元40從該周圍材料中得到各讀數(shù)。這些電極是否從該監(jiān)視單元延伸以及應(yīng)該有多大的延伸取決于所用傳感器的類型和被監(jiān)視的材料。各電極監(jiān)視材料中的各種變化，不論是化學(xué)的、地震的，溫度的等等，并把這些變化傳給相應(yīng)的內(nèi)部的電子傳感器，例如圖標(biāo)的電壓計50、電流計48和氯離子傳感器160。這個建筑也可使用任何附加的傳感器132以備特殊用途之需。所有的電子傳感器把數(shù)據(jù)直接送給包含該微控制器14、A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器20、D/A(數(shù)字/模擬)轉(zhuǎn)換器12和實(shí)時時鐘18的該儀器控制模塊30。因?yàn)樵撾姌O的暴露的部分和這些內(nèi)部的電子傳感器之間的距離是最短的，通過這些電極的各變化的讀數(shù)在該電極和這些電子傳感器之間的各連接中不會丟失或失真。各個電子傳感器都是直接連接到該儀器控制模塊30。在該控制模塊30中，這些讀數(shù)都被轉(zhuǎn)換器20從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字后送給該微控制器14并在此通過適當(dāng)?shù)陌l(fā)射裝置使用固定線路連接或RF被發(fā)射到接收計算機(jī)或其它的數(shù)據(jù)記錄器。雖然計算機(jī)有提供額外的計算或傳送這些傳感器讀數(shù)這一優(yōu)點(diǎn)，但在某些場合一塊顯示板也能滿足要求了。
∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(或等效系統(tǒng))在這里被用來提供比各種整體型A/D轉(zhuǎn)換器更高的性能。為了得到理想的結(jié)果，該轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)應(yīng)有24比特的分辨率，包含芯片上的用來放大和過濾信號的資源以及使用外部的高度抗?jié)窨箿亟M件。這些特征使這個型式的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)最適用于各種嵌入式儀器的場合。該∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)比以前公開的各種裝置明顯地增加了測量結(jié)果的精度。
如圖4中所示，該網(wǎng)狀對電極44覆蓋了該監(jiān)視裝置表面的大部分。該電壓計50需要使用一個工作電極42、對電極44和參考電極52。在測量操作過程中，在該對電極44和工作電極42之間呈現(xiàn)一個電場。該參考電極52必須被置于該場內(nèi)。因此該對電極44必須有足夠的表面積以同時環(huán)繞該工作電極44和參考電極42，但不能接觸Ag/AgCl電極56或這些傳導(dǎo)電極54，因?yàn)樗鼈儾皇请妷河?0的一部分。
如圖5中所示，多個儀器40能被互相連接，通過通信和電源電纜100以形成一個固定線路的嵌入的數(shù)字的局域(LAN)。該網(wǎng)絡(luò)能使各儀器和嵌入在一個結(jié)構(gòu)中的其它儀器以及一個外部的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)進(jìn)行通信。這個網(wǎng)絡(luò)的各種結(jié)構(gòu)層面的實(shí)施包括RS-232、RS-485、TTL、CMOS、4-20mA電流環(huán)路或高速低功率低電壓微分信號(LVDS)。這些嵌入的儀器能使用很多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來通信，例如，SD1-12、HART、CAN和LON工廠。由于這種LAN能力，很多有用的功能被實(shí)施，而這是在各現(xiàn)有技術(shù)中是不可能的。各個儀器40用單一的ID碼來進(jìn)行編程，因此能使各儀器40送出和接收特殊編址的通信。足夠數(shù)量的儀器40被置于各已知的地點(diǎn)，整個結(jié)構(gòu)105中的各地點(diǎn)和ID碼又都是已知的，這樣就能提供關(guān)于腐蝕、應(yīng)力、溫度和振動各參數(shù)的精確的地圖。在這樣的布置中，各個單一地可編址的儀器40能和外部的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)102進(jìn)行通信。在最佳實(shí)施例中，這種通信是雙向的，以便該外部數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)102能向一個特定的、單一地編址的儀器40發(fā)出命令，這樣，儀器40能提供合適的響應(yīng)。這些命令可包括例如，一個用來使該儀器40開始測量，以及該儀器40在該測量完成后，隨之響應(yīng)該有關(guān)數(shù)據(jù)。該收集系統(tǒng)102也能命令一個儀器去安排將來的單個或多個測量。由于各儀器40最好有一個內(nèi)部的數(shù)據(jù)記錄能力，它能把很多預(yù)先安排的測量操作過程的各種結(jié)果進(jìn)行儲存。該外部的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)102既能對各儀器發(fā)出一個命令以下載它記錄的和有時間的各測量結(jié)果，又能在原始的命令中包括一個下載的時間。在固定線路布局中，電源也通過該固定線路連接100供應(yīng)給各儀器。最好是，各儀器40能彼此之間以及和該收集系統(tǒng)102雙向通信。這使各儀器能執(zhí)行這些任務(wù)例如校正時間、測試儀器等等。當(dāng)發(fā)生不準(zhǔn)確的校正時，一個通知能被送至該收集系統(tǒng)102。此外，一個提示單元140能被賦于該任務(wù)以便和網(wǎng)絡(luò)上的其它的儀器40彼此之間發(fā)出命令和收集數(shù)據(jù)。一旦該提示單元140被編程，這些命令將在各特定的時間間隔被發(fā)出，不需要使用者干預(yù)。該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)102能接合(interface)一個可選用的RF/無線電數(shù)據(jù)連接171用來通過該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)102遙控重顯數(shù)據(jù)和重新編排這些儀器40的程序。這個RF/無線電數(shù)據(jù)連接171可包括一多種技術(shù)，例如RF、地面用的手提電話和衛(wèi)星通信?？蛇x用地是這個組合能被一個由太陽能收集器170充電的可充電電池所供電。
在該無線電形式中，圖6中所示的各嵌入的儀器104包括一個RF通信模塊118、一個由被嵌入的自備功率源103供電的電源管理系統(tǒng)116，圖7顯示了它的一個詳細(xì)例子。該供電源103由一個能源儲存裝置122組成，例如一個可充電的電池或一個高容量的大電容型的裝置。該能量儲存裝置用一個壓電發(fā)電裝置124、或相等的發(fā)電機(jī)、或一系列的電化學(xué)電偶126、或一個RF功率接收器128、或任何上述各項(xiàng)的組合來充電。雖然能用一個單個的充電裝置，但最好有至少由兩個裝置(更好是三個裝置)所形成的一個組合。這樣設(shè)置允許一個或多個充電裝置在任何給定的時間內(nèi)向該能源儲存裝置122充電。例如，所有三個單元能同時地操作，如果該結(jié)構(gòu)在振動，激活了該壓電發(fā)電裝置124，該結(jié)構(gòu)內(nèi)的化學(xué)現(xiàn)象使該電偶126產(chǎn)生能量，同時該儀器接收來自由該儀器的電源接收器128操作的外部的RF源的RF能量。來自該被檢查的結(jié)構(gòu)外部的RF能量以及來自該壓電發(fā)電裝置124的能量能被整流、濾波而轉(zhuǎn)換成一個直流電能。
在這個實(shí)施例中，一個RF傳感器能被連接到或被包含在該無線電監(jiān)視儀器104中，以允許它如圖8中所示通過無線電連接進(jìn)行通信。在該無線電網(wǎng)絡(luò)情形中，該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)106被置于一個車輛或其它可移動設(shè)備中。該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)106沿著嵌入了這些儀器104的該結(jié)構(gòu)的外部表面通過。各嵌入的腐蝕監(jiān)視儀器104以及該外部數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)106包括一個雙向RF收發(fā)器。在圖標(biāo)的RF系統(tǒng)中，該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)是一輛帶有一個RF收發(fā)器的卡車。也可采用的各種激活和收集數(shù)據(jù)的方法，可以包括一個靠近該嵌入了各儀器104的結(jié)構(gòu)的固定的RF收發(fā)器107。其它的這類數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)都是業(yè)內(nèi)人士所明白的。作為一種選用來使用一個RF收發(fā)器，各嵌入的儀器能使用RF接頭或BistatixTM技術(shù)和該外部數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)通信。這些技術(shù)都是高能效的，因?yàn)樗鼈冇绕洳恍枰绷麟娫磥聿僮鱎F接頭和BistatixTM裝置，通過被動地調(diào)制收到的由該外部的讀出裝置自己產(chǎn)生的RF能量，用兼容的讀出裝置來通信。上述的固定線路網(wǎng)絡(luò)具有相似的操作，該數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)能和各單一地可編址的儀器通信。
最好是這些監(jiān)視用的儀器使用商業(yè)上現(xiàn)成的電子組件，然而在某些場合也可采用定做的材料。由于目標(biāo)是獲得小于3.5吋*2.5吋*2.5吋的最大尺寸，普遍使用表面安裝技術(shù)。在一些場合當(dāng)尺寸不是一個決定因素時，所使用的材料、包裝和安裝的方法將更具靈活性，整個裝置將更易制造。為了容易解釋，下面對最佳實(shí)施例進(jìn)行描述。
儀器40的模擬前端10，其線路都顯示在圖2中，可對從該儀器的各傳感電極收集到的該低電平信號的放大作出響應(yīng)。它也可對為了驅(qū)動這些電極而產(chǎn)生的激勵電位作出響應(yīng)。多個重要的腐蝕監(jiān)視參數(shù)(Ecorr、Icorr、傳導(dǎo)率和[CT])使用非常相似的線路，一如基本的建筑物街區(qū)那樣包括各種工作的放大器和儀器放大器。這些放大器具有非常高的輸入阻抗以及能夠測量各種電壓而不會影響被測量的電位。Ecorr和[CT]的測量需要如此緩沖的測量由于希望限制流經(jīng)這些線路的電流在最低值以便防止影響被研究的環(huán)境。該Ecorr測量把該鋼工作電極42的電壓和一個參考電極52的作比較。一個正比于[CT]的電壓通過監(jiān)視位于一個Ag/AgCl離子特定的電極56和MnO2參考電極52之間的電位而能被定量地測量。
圖2顯示的簡圖是該儀器40中所需要的三個腐蝕監(jiān)視線路的例子。圖2a顯示的一個電流計48的線路，當(dāng)它和一個儀器放大器連接時能做傳導(dǎo)率測量。在圖10中所示的算法是用來監(jiān)視該電流計48的最佳算法的說明，然而其它的程序也能被寫來執(zhí)行相同的功能并且將為業(yè)內(nèi)人士所明白。當(dāng)各傳感器的數(shù)據(jù)被收集后，這些數(shù)據(jù)按預(yù)先編好程序的周期能被比較、繪制或另外處理并作報告。
圖2b顯示了一個電壓計50以及一個零阻電流計(ZRA)152用來測量極化阻抗以助于決定腐蝕速度。一個自動量程的ZRA被用于這個儀器的該電子線路和軟件設(shè)計中。各現(xiàn)有技術(shù)的裝置在該儀器的極化阻抗測量部分使用一個單量程零阻抗電流線路，明顯地降低了測量精度和該裝置的量程。在儀器40中使用該自動量程的ZRA能使極化阻抗測量在一個寬量程自1KΩ*cm2至1MΩ*cm2。該自動量程的ZRA更能明顯地提高測量精度。所有這些改進(jìn)可以說是歸功于包含了一個自動量程的ZRA在超過五種測量量程中執(zhí)行各種電流測量。該儀器的線路和軟件的自動量程功能保證了該對電極和工作電極之間的電流測量使用了一個量程選擇，它將提供最高的精度。圖9的算法被設(shè)計來操作該電壓計50，然而如上所述，其它的算法也能用于本系統(tǒng)。
圖2c顯示了一個氯離子傳感器160它包括一個連接到Ag/AgCl電極56和MnO2電極52的儀器放大器。各種電池(被動的阻、容組件)將被包含在該儀器的設(shè)計中以允許它自各傳感組件脫開后還能被測試。
當(dāng)各電化學(xué)信號被收集并通過該儀器的前端模擬電子電路10的調(diào)整后，它們必須先被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以便該系統(tǒng)的微控制器能進(jìn)一步地操作。這個轉(zhuǎn)換過程是通過使用一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)20來完成的。此外，必須產(chǎn)生激活電壓來驅(qū)動該儀器的各電極。這些激活電壓都是被該系統(tǒng)的微控制器14作為數(shù)字信號首次建立的，然后被該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)12轉(zhuǎn)換成模擬信號。ADC和DAC裝置都根據(jù)足夠的分辨率被選用于該系統(tǒng)以獲得測量Ecorr、Icorr、傳導(dǎo)率和[CT]時所需要的精度。這些組件也被選擇以降低該儀品的功耗。
一個RISC(Reduced Instruction Set Computer簡化指令設(shè)定計算機(jī))型微控制器14被用作該腐蝕測量儀器的該系統(tǒng)的控制器。各種RISC型結(jié)構(gòu)裝置都是適用于低功率嵌入的各種場合的。該微控制器14能在腐蝕測量或數(shù)據(jù)收集周期之間的長時間內(nèi)被置于一個“超低功率”的睡眠模式。該微控制器14直接地控制該系統(tǒng)的ADC 20、在該前端電子電路10中的DAC 12模擬多路轉(zhuǎn)換器、電源管理裝置16和各種通信傳感器。該系統(tǒng)所有的校正系數(shù)和其它的不丟失的數(shù)據(jù)將被儲存在該微控制器的內(nèi)置EEPROM中。
各單元包括一個可編程增益放大器和一個可調(diào)低通濾波器以允許預(yù)先編程或人工調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)的增益改變和濾波設(shè)定的能力對于消除電子噪音和環(huán)境條件的改變是關(guān)鍵性的。自動調(diào)節(jié)是有利的，因?yàn)樗试S該儀器根據(jù)預(yù)先編程的基礎(chǔ)上更動它的設(shè)定。這樣，各個獨(dú)立的傳感器的這些最佳信號都經(jīng)常不需人的干預(yù)被發(fā)送出去。
該儀器的軟件能用任何標(biāo)準(zhǔn)的或定制的程序語言編寫，例如C++、Java等等。雖然驅(qū)動各接口設(shè)備例如這些轉(zhuǎn)換器、模擬前端電子電路等等的基本軟件是相似的，但是各特定的場合能被專門地編程以符合實(shí)際用途。
固定線路的腐蝕監(jiān)視儀器40和無線電監(jiān)視儀器104各自的電源管理系統(tǒng)16和116被分隔成多個子系統(tǒng)，使各子系統(tǒng)能只在需要時激活一個相應(yīng)的電子傳感器。各個電子傳感器執(zhí)行一個規(guī)定的動作，例如接收數(shù)據(jù)、送出數(shù)據(jù)、進(jìn)行測量等等。這個技術(shù)通過讓大部分的系統(tǒng)組件在不需要執(zhí)行特定功能時切斷電源從而節(jié)省電源。那些不能夠完全切斷電源的系統(tǒng)組件被置于一個低功率的睡眠模式。在大多數(shù)的實(shí)施例中，該實(shí)時時鐘是單個的組件，不能被斷電，然而根據(jù)特定的場合其它子系統(tǒng)能采用低功率睡眠模式而不真正的切斷電源。各個子系統(tǒng)的電源通過該系統(tǒng)微控制器而被激活或不激活。例如，只有當(dāng)該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和該儀器在通信時才需要向可選擇的RF通信傳感器118供電。
該RTC 18具有當(dāng)前的世紀(jì)、年、月、日、時和秒的行程。這能使該儀器通過它的LAN連接來被編程，從而按預(yù)定的時間進(jìn)行一個或多個測量周期。一旦完成后，這些測量周期的結(jié)果能標(biāo)有當(dāng)時的時間。
在同一儀器中同時具有記時和數(shù)據(jù)記錄功能有很多明顯的好處。例如，預(yù)編程序的測量周期的結(jié)果能被記錄在該儀器的機(jī)載數(shù)據(jù)庫中并在以后重現(xiàn)。這消除了需要使用一個操作員來起動一個測量周期或收集數(shù)據(jù)結(jié)果。
一旦該腐蝕測量儀器40收集到了有關(guān)腐蝕的數(shù)據(jù)，可以用一個個人計算機(jī)或手提電腦或其它數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)對該收集的信息進(jìn)行訪問。如果多個數(shù)據(jù)測量和收集周期發(fā)生于各數(shù)據(jù)訪問之間，數(shù)據(jù)將被蓋上時間和日期，并被儲存在該微控制器的非易失性EEPROM存儲中。當(dāng)該訪問完畢或在進(jìn)行中時，所有儲存的測量數(shù)據(jù)被下載到該個人或手提電腦中。該儀器能作固定線路或無線電的通信。決定安裝固定線路還是無線電系統(tǒng)是取決于最終的使用、地點(diǎn)、所涉成本等等。該無線電系統(tǒng)104是有利的，因?yàn)樵诎惭b時沒有電線會拉緊或拉斷，使安裝更易更快。該固定線路系統(tǒng)40提供的利點(diǎn)是低成本、集中化供電源和快速數(shù)據(jù)收集，然而首次安裝的操作就增加了。
在固定線路系統(tǒng)中一個小型多芯電纜60被連接到該儀器的出線140并按計劃延伸通出混凝土，連接到一個個人計算機(jī)、手提電腦或數(shù)據(jù)記錄器以便進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。一個可選用的網(wǎng)絡(luò)形式把各儀器用『星』形直接連接到該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。在這種形式中該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)作為該網(wǎng)絡(luò)的輪轂。也可以是一個小型的RF收發(fā)器傳感器配合著該儀器的主線路板，允許該儀器和該訪問計算機(jī)之間建立一個無線電的數(shù)據(jù)通信。在無線電的模式中，該訪問個人計算機(jī)或手提電腦的串接端口也要連接到一個RF收發(fā)器。而且，在無線電的模式中，該儀器能夠通過偵察一個外部發(fā)生的RF信號的存在而從低功率睡眠模式中被喚醒過來。
該軟件能被設(shè)定于提供最少的數(shù)據(jù)，這將允許使用者顯示有限數(shù)量的基本命令給該儀器以及從該儀器以文書形式接收數(shù)據(jù)而個人計算機(jī)運(yùn)行在一個終端模擬程序。也可以是，該軟件能和該個人計算機(jī)中運(yùn)行的配有特定的圖畫用戶接口(GUI)的一個窗口系統(tǒng)的程序互動，能額外處理收到該數(shù)據(jù)并把該數(shù)據(jù)顯示成一個圖案的形式。
由于這些都是可嵌入的系統(tǒng)，如圖11-18中所示的這些儀器盒570和600必須能承受大的重量而不會開裂，并不允許各種化學(xué)物質(zhì)接觸該電子電路。為了使這些儀器盒570和600能如這里所述的承受成噸混凝土所施加的壓力，無論設(shè)計還是結(jié)構(gòu)材料都要求很嚴(yán)。
使用的材料必須具有對包含在支持材料中的任何化學(xué)物質(zhì)的抗化能力。例如，在混凝土中這些儀器盒570和/或600必須具有抵抗由于鹽類例如氯化鈉或氯化鈣，以及其它具有堿性高至pH13的化學(xué)物質(zhì)而引起退化的能力。為了防止形成開裂，該儀器500的材料需要有彎曲的能力以及具有至少和它所嵌入的材料相同的破壞極限。為了保證抗破壞，該儀器的材料最好有一個剛度和抗彎模數(shù)以配合其環(huán)境的剛度和抗彎模數(shù)。一個用于許多環(huán)境的合適的材料例子是Valox EF4530它是一種30％玻璃強(qiáng)化了的塑料具有1.675megapsi(百萬磅/平方英吋)的抗彎模數(shù)。其它具有特定性能的能承受該周圍環(huán)境的材料將是業(yè)內(nèi)人士所明白的。為了得到好的效果，制造該儀器盒的材料的抗彎模數(shù)應(yīng)該按下列公式抗彎模數(shù)＝應(yīng)力/應(yīng)變根據(jù)上面的公式，混凝土具有3mili(千分之一)應(yīng)變破壞限，將在該儀器盒上產(chǎn)生4,000磅的應(yīng)力。因此，該盒500所用的材料必須具有至少1.33MPSI的抗彎模數(shù)以便有足夠的強(qiáng)度來承受此應(yīng)力。
為了進(jìn)一步減少開裂和破壞的機(jī)會，如所公開的，這些儀器盒570和600的結(jié)構(gòu)都被設(shè)計成曲線形角。這些曲線形角用來消除位于外罩上的可能發(fā)生開裂的各個高應(yīng)力點(diǎn)。這些儀器盒570或600或其它盒中所用的蓋504的表面502沒有各電極插入，見圖11。在最佳實(shí)施例中該蓋504有多個保護(hù)盤540和560它們自該表面502以大致90度的角度延伸并環(huán)繞諸電極形成一堵墻。這些保護(hù)盤540和560用來保護(hù)任何電線電極，例如這里顯示的各種化學(xué)電極，以免在安裝和裝入該結(jié)構(gòu)中時、以及該結(jié)構(gòu)材料有任何移動時損壞。這些保護(hù)盤540和560的各邊緣546和566的高度必須足夠高，要能延伸到稍為高過和這些保存在內(nèi)的電極相等深度的該盤表面542和562。如圖所示，這些保護(hù)盤540和560最好有圓邊，更有利于環(huán)繞各延伸部分的應(yīng)力流。圖12和13中的側(cè)視圖進(jìn)一步顯示了這些保護(hù)盤540和560如何向上延伸，以及最好都是和該表面502做成一體。圖12-14也顯示了這些電極槽564和544它們引導(dǎo)各電極電線穿過該剛性蓋504以便暴露在環(huán)繞結(jié)構(gòu)的材料中。如這里所公開的，為了得到最佳的讀數(shù)，所有的電極應(yīng)該從該表面502以相同的距離延伸。這些保護(hù)盤540和560使這些電線電極自該表面502不須彎曲或扭曲就能延伸一個距離相等于較粗糙的參考和工作電極52和42。為了得到這個，該盤表面542和562是自該表面502伸出一個量，略小于這些粗糙的參考和工作電極52和42的高度或凸出。盤表面542和562的高度的決定是通過把這些粗糙電極的高度減去這些電線電極的高度和使這些電極能夠工作所需要的凸出量。如果只使用電線電極時它們能被直接地嵌入在該蓋表面并用這里公開的相同方法來保護(hù)。這里所顯示的這些保護(hù)盤540和560，都做成一定的尺寸以環(huán)繞這里所示的各種電極，但也能被做成任何尺寸或形狀當(dāng)需要保護(hù)特定的結(jié)構(gòu)所使用的各種電極。
在這里顯示的實(shí)施例中，這些粗糙的參考和工作電極52和42都被收容在端口510和508中。這些參考和工作電極52和42都被在槽534和532中引領(lǐng)穿過該蓋504。因?yàn)檫@些電極都較重和較堅韌，它們能被置成直接和暴露在周圍材料中而不需要保護(hù)盤。
為了對該對電極44提供保護(hù)，(該對電極44延伸通過槽536并由端口530伸出)該網(wǎng)狀或板狀的對電極收容區(qū)512稍為地凹入，其凹入距離等于或略為大于該網(wǎng)或板的厚度。在這個實(shí)施例中的該對電極44被固定在該電極收容區(qū)512的多個塑料焊接點(diǎn)506上，然而當(dāng)碰到需要考慮周圍環(huán)境時，其它的用來固定電極的方法也可被采用。如上所述，這些較大的、較粗糙的電極例如該MnO2參考電極52和該工作電極42都具有足夠的強(qiáng)度獨(dú)立工作不需要由保護(hù)盤540和560所提供的強(qiáng)化。要注意的是在大部分場合，該監(jiān)視儀器被安裝成以該表面502朝向各腐蝕元素的擴(kuò)散前沿。例如在一座橋中，這些將延伸向該橋的表面而在海中的場合，這些電極將延伸向該結(jié)構(gòu)的沉入水中的部分的表面。
在圖15-17中顯示出把該盒600固定到該鋼筋上的最佳方法。在這個實(shí)施例中，該盒體602有兩個弧形的翼604沿著該體602的長邊606延伸。這個布局使該盒600能被置成這些電極朝向變化的擴(kuò)散材料。該收容蓋的側(cè)邊608的被做成這樣的尺寸即能接受該蓋504，當(dāng)所有的電極被置于該盒600之內(nèi)后，該蓋就用防水膠固定在體602上。最好是該弧形的內(nèi)部610有一個外周大約等于或略大于它所連接的鋼筋或其它結(jié)構(gòu)支持材料的。例如，當(dāng)用于混凝土強(qiáng)化結(jié)構(gòu)中時，四根十四英吋或更長的鋼筋，通常在大約#3鋼筋的范圍，被做成一個多角形輔助支持結(jié)構(gòu)以維持這些儀器到位。這些輔助的支持結(jié)構(gòu)再被堅固地連接到這些周圍的結(jié)構(gòu)性加強(qiáng)組件上。這種使用一個多角形輔助支持結(jié)構(gòu)不單對該儀器提供了支持，也防止或降低周圍混凝土的開裂。槽612可用扎帶、電線或其它連接方法把該盒600固定到主支持結(jié)構(gòu)或輔助支持結(jié)構(gòu)上去。雖然該電纜端口620被顯示于該盒600的一個窄側(cè)面(在這個和其它的實(shí)施例中)，該電纜端口620可被置于任何制作方便的位置。
在圖18中顯示了一個可選用的電極收容盒570，其中安裝法蘭576替換了該弧形的翼604以使該盒能被靠近該鋼筋安裝。該安裝法蘭576包含多個槽574它們都是用來接受一個扎帶、電線或其它固定裝置。如同圖中可見，該電極收容盒570的各角都被圓整以引導(dǎo)應(yīng)力線流，這個安裝方法也提供了一個圍繞該儀器的保護(hù)性強(qiáng)化籠。這個附加的強(qiáng)化有助于防止靠近該儀器材料壓垮和開裂。
要注意的是，當(dāng)看到這里，該電極用于任何傳感器、電表或其它傳感裝置它從周圍材料中取得一個讀數(shù)。
一個用于鋼強(qiáng)化混凝土的固定線路的腐蝕監(jiān)視儀器規(guī)格的例子將是，結(jié)構(gòu)尺寸-外罩-85mm(長)×80mm(寬)×50mm(高)外罩加電極-122mm(長)×80mm(寬)×50mm(高)外罩材料-ABS塑料；水密封氯離子測量-量程-0.01％→≥1％氯離子電極(2)-Ag/AgCl(1)14.5mm(長)×1mm(直徑)，MnO2(1)13.5mm(直徑)×8mm(高)(混凝土)傳導(dǎo)率/電阻率測量-量程-15,000→1,000Ω-cm電極(4)-Au或不銹鋼(4)12mm(長)×0.5mm(直徑)間距為12mm
極化阻抗測量-量程-1MΩ-cm2→1KΩ-cm2電極(3)-Pt/Nb網(wǎng)或不銹鋼板或網(wǎng)狀對電極(1)18cm2×1mm厚，MnO2參考電極(1)13.5mm(直徑)×8mm(高)(混凝土)和氯離子測量分享，鋼工作電極(1)12.5mm(直徑)×22mm(高)溫度傳感器-量程---55℃至+150℃估計所須功率-應(yīng)變計不工作-1.5mA@3.3V＜5mW應(yīng)變計(120Ω)工作-29mA@3.3V＜100mW通信-網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)則SD1-12規(guī)則；HART規(guī)則；CAN規(guī)則；LOB Works規(guī)則網(wǎng)絡(luò)RS-232；RS-485；RS-422；LVDS；TTL；CMOS；4-20mA電流環(huán)路無線電地面手提電話；RF；衛(wèi)星應(yīng)變/應(yīng)變測量-應(yīng)變計-支持1至4個組件計內(nèi)部激活源電源供應(yīng)-可充電電池(外部至橋)由太陽能收集器充電嵌入的自具功率源-能量儲存裝置-可充電電池或一個高容量電容，由下列方法充電把RF能量整流通過電偶的電化學(xué)電勢壓電發(fā)電和整流振動和加速度測量-機(jī)載壓電加速度計應(yīng)該注意的是雖然上面被描述的好象是一個獨(dú)立的系統(tǒng)帶有一個單個的局部的讀數(shù)，以及能被網(wǎng)絡(luò)化使數(shù)據(jù)從該局部的計算機(jī)傳送到一個中央化的系統(tǒng)，通過衛(wèi)星或固定線路的網(wǎng)絡(luò)，由此輸入一個系統(tǒng)供應(yīng)器。這樣能使一個政府部門或私人供貨商從一個單個地點(diǎn)監(jiān)視多個結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用來監(jiān)視在一個結(jié)構(gòu)內(nèi)的材料變化的系統(tǒng)，包括至少一個監(jiān)視儀器，各該至少一個監(jiān)視儀器有一個本體、一個獨(dú)立的標(biāo)志(ID)和被嵌入在該結(jié)構(gòu)中以及具有至少一個電子模塊，各該至少一個電子模塊有傳感器和該材料接觸，位于該監(jiān)視儀器中的電子監(jiān)視裝置接收來自該傳感器的信號；一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器從各該至少一個電子監(jiān)視裝置接收模擬信號；一個微控制器，該微控制器接收來自該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號；一個數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換來自該微控制器的信號給各該至少一個電子監(jiān)視裝置；以及發(fā)射裝置，該發(fā)射裝置發(fā)送該數(shù)字信號給一個數(shù)據(jù)記錄器；電源裝置，該電源裝置提供電源給各該至少一個電子模塊；封裝材料，該封裝材料把該模塊包圍在該監(jiān)視儀器中；一個數(shù)據(jù)記錄器，該數(shù)據(jù)記錄器在該結(jié)構(gòu)的外部接收和儲存該數(shù)字信號；其中該監(jiān)視儀器接收來自該至少一個電子模塊的信號，把該信號從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字，然后根據(jù)該標(biāo)志為各該至少一個監(jiān)視儀器發(fā)送該數(shù)字信號給該數(shù)據(jù)記錄器。
2.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中該數(shù)據(jù)記錄器顯示該數(shù)字信號。
3.如權(quán)利要求2中所述的系統(tǒng)，其中該數(shù)據(jù)記錄器是一臺計算機(jī)。
4.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器放大和過濾該信號，該放大和過濾可由該數(shù)據(jù)記錄器編定程序。
5.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，還包括一個實(shí)時時鐘，該實(shí)時時鐘和該微控制之間是雙向通信。
6.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，還包括一個電源管理系統(tǒng)，該電源管理系統(tǒng)和各該至少一個電子模塊、該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、該微控制器、該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器之間都能進(jìn)行通信，該電源管理系統(tǒng)通過把各該至少一個電子模塊、該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、該微控制器、該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器在不使用時置于一個睡眠模式來調(diào)節(jié)電源消耗。
7.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中該材料變化是腐蝕。
8.如權(quán)利要求7中所述的系統(tǒng)，其中一個該至少一個電子模塊測量傳導(dǎo)率。
9.如權(quán)利要求8中所述的系統(tǒng)，其中該電子模塊是一個電流計。
10.如權(quán)利要求7中所述的系統(tǒng)，其中一個該至少一個電子模塊測量線性極化阻抗。
11.如權(quán)利要求10中所述的系統(tǒng)，其中一個該至少一個電子模塊是一個電壓計。
12.如權(quán)利要求7中所述的系統(tǒng)，其中一個該至少一個電子模塊能測量氯離子濃度。
13.如權(quán)利要求12中所述的系統(tǒng)，其中一個該至少一個電子模塊有一個Ag/AgCl氯離子比傳感器和一個MnO2參考傳感器，該離子比傳感器和該MnO2參考傳感器之間的該電壓顯示該氯離子濃度。
14.如權(quán)利要求10中所述的系統(tǒng)，其中一個該至少一個電子模塊有一個鋼工作傳感器和一個不銹鋼參考傳感器以測量線性極化，該鋼工作電極有一個外表面配合圍繞該監(jiān)視儀器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化鋼的一個外表面。
15.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中該監(jiān)視儀器用固定線路連接該數(shù)據(jù)記錄器。
16.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中各該至少一個監(jiān)視儀器和至少一個其它的該至少一個監(jiān)視儀器處于同一網(wǎng)絡(luò)中并能互相通信。
17.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中該數(shù)據(jù)記錄器通過數(shù)字信號傳送裝置接收該數(shù)字信號，該數(shù)字信號傳送裝置能使用無線電在各該至少一個監(jiān)視儀器和該數(shù)據(jù)記錄器之間通信。
18.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中該電源裝置是在該結(jié)構(gòu)的外部，該電源裝置用固定線路和各該至少一個監(jiān)視裝置連接。
19.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中該監(jiān)視裝置還包括至少一個局部的電源裝置，該局部的電源裝置為各該至少一個電子模塊生產(chǎn)電源。
20.如權(quán)利要求19中所述的系統(tǒng)，其中該局部的電源裝置至少是下列之一一個壓電發(fā)生器；一個電化學(xué)電偶；和/或一個使用阻抗和網(wǎng)絡(luò)匹配的RF功率接收器。
21.如權(quán)利要求20中所述的系統(tǒng)，其中各該壓電發(fā)生器、電化學(xué)電偶和RF功率接收器作為各該其它的內(nèi)部電源裝置的一種備選的電源使用。
22.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中各該傳感器的一個第一端位于一個第一平面上，因而能使該材料變化幾乎同時地和各該傳感器進(jìn)行接觸。
23.如權(quán)利要求22中所述的系統(tǒng)，其中來自該第一平面的任何傳感器的任何振動被該數(shù)據(jù)記錄器所計算從而補(bǔ)償該振動。
24.如權(quán)利要求7中所述的系統(tǒng)，其中一個該至少一個電子模塊是一個溫度模塊，該溫度模塊記錄和發(fā)送周圍的溫度給該微控制器。
25.如權(quán)利要求24中所述的系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)記錄器分析該電子模塊讀數(shù)和計算混凝土的凝固速度。
26.一種用來監(jiān)視鋼強(qiáng)化結(jié)構(gòu)中腐蝕的系統(tǒng)，包括至少一個監(jiān)視裝置，各該至少一個監(jiān)視裝置被嵌入在該結(jié)構(gòu)中以及具有至少一個電子傳感器用于傳導(dǎo)率，該用于測量傳導(dǎo)率的傳感器有和該材料相接觸的多個電極，電子監(jiān)視裝置在該監(jiān)視裝置之內(nèi)；至少一個電子傳感器用于測量線性極化阻抗，該用于測量線性極化阻抗的傳感器有和該材料相接觸的多個電極，電子監(jiān)視裝置在該監(jiān)視裝置之內(nèi)；至少一個電子傳感器用于測量氯離子程度，該用于測量氯離子程度的傳感器有和該材料相接觸的多個電極，電子監(jiān)視裝置在該監(jiān)視裝置之內(nèi)；一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器放大和過濾接收自該至少一個電子傳感器的模擬信號；一個微控制器，該微控制器接收來自該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號；一個數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換來自該微控制器的信號給各該至少一個電子傳感器；以及發(fā)射裝置，該發(fā)射裝置把該信號發(fā)送到一個數(shù)據(jù)記錄器；以及一個電源管理系統(tǒng)，該電源管理系統(tǒng)能和各該至少一個電子傳感器、該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、該微控制器、該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器互相通信，該電源管理系統(tǒng)通過把各該至少一個電子傳感器、該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、該微控制器、該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器在不使用時置于一個睡眠模式從而調(diào)節(jié)電源消耗；一個數(shù)據(jù)記錄器，該數(shù)據(jù)記錄器是在該結(jié)構(gòu)的外部并接收這些數(shù)字信號和儲存這些數(shù)字信號。
27.一種監(jiān)視鋼強(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu)中腐蝕的方法，包括下列步驟在建設(shè)的時候放置至少一個監(jiān)視裝置在該混凝土中，該監(jiān)視裝置包括多個具有多個用來監(jiān)視該腐蝕用電極的電子傳感器；把各該至少一個監(jiān)視裝置和其它的該至少一個監(jiān)視裝置組成網(wǎng)絡(luò)；把一個該至少一個監(jiān)視裝置連接到一個數(shù)據(jù)記錄器；完成該混凝土結(jié)構(gòu)；在該數(shù)據(jù)記錄器上監(jiān)視來自這些電子傳感器的顯示在該結(jié)構(gòu)內(nèi)腐蝕程度的信號。
28.如權(quán)利要求27中所述的方法，還包括把該監(jiān)視裝置制造成一種形狀以消除在該外罩上可能發(fā)生開裂的地方的各高應(yīng)力點(diǎn)的步驟。
29.如權(quán)利要求27中所述的方法，還包括用一種具有抗彎模數(shù)等于或大于該混凝土的材料制造該監(jiān)視裝置的步驟，因此防止該裝置在該混凝土破壞前的機(jī)械性破壞。
30.一種儀器盒，能使多個電子傳感器被嵌入在一個結(jié)構(gòu)材料中，該儀器盒有一個空心的本體，該空心的本體用一種抗彎模數(shù)至少等于該結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力被該結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)變相除的材料制成，該本體有一個第一端、一個封閉的第二端和多個側(cè)面，各該多個側(cè)面有一個連接相鄰側(cè)面的連接長度，該本體被做成包容和保護(hù)多個電子模塊以免被該結(jié)構(gòu)材料接觸；在該第一端中至少有一個電極接收端口；至少一個電纜端口以接收一條網(wǎng)絡(luò)電纜；其中這些相鄰的連接長度都被整圓以引導(dǎo)來自圍繞該儀器盒的該結(jié)構(gòu)材料的壓力因而防止該儀器盒由于該壓力而發(fā)生開裂。
31.如權(quán)利要求30中所述的儀器盒，其中該面還包至少一個保護(hù)性盤，各該至少一個保護(hù)性盤從該面以大約直角的角度延伸以圍繞該至少一個電極接收端口。
32.如權(quán)利要求30中所述的儀器盒，還包括至少一個電氣傳感器，各該至少一個電氣傳感器有至少一個外部的電極和一個內(nèi)部的電子監(jiān)視裝置，該電子監(jiān)視裝置被置于該儀器盒中，各該至少一個電極穿過該至少一個電極接收端口以使各該至少一個電極的一個第一端和該結(jié)構(gòu)材料接觸以及該電極的一個第二端和該電子監(jiān)視裝置作電子性的接觸。
33.如權(quán)利要求30中所述的儀器盒，還包括多個連接法蘭，這些連接法蘭被做成和該空心本體以及多個扎帶接收槽一體，因而能使該儀器盒被連接到位于該結(jié)構(gòu)材料內(nèi)的強(qiáng)化件上。
34.一種監(jiān)視混凝土凝固的方法，使用一個可嵌入的監(jiān)視儀器，該儀器有至少一個電子傳感器用于監(jiān)視傳導(dǎo)率、溫度、線性極化和氯離子濃度，這些傳感器有多個和該材料相接觸的電極，電子監(jiān)視裝置位于該監(jiān)視裝置之內(nèi)；一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，放大和過濾接收自該至少一個電子傳感器的模擬信號；一個微控制器，該微控制器接收來自該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的的信號；一個數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換來自該微控制器的信號給各該至少一個電子傳感器；還有發(fā)射裝置，該發(fā)射裝置把該數(shù)字信號發(fā)送給一個外部的數(shù)據(jù)記錄器；包括下列步驟把多個監(jiān)視儀器放進(jìn)該結(jié)構(gòu)；把各該多個監(jiān)視儀器連接進(jìn)網(wǎng)絡(luò)；把該多個監(jiān)視儀器用混凝土覆蓋好；發(fā)送數(shù)字信號給該數(shù)據(jù)記錄器；其中，該數(shù)據(jù)記錄器中的軟件分析該數(shù)字信號并計算圍繞各該監(jiān)視儀器的該混凝土的凝固速度。
35.如權(quán)利要求34中所述的方法，其中該軟件還計算圍繞該監(jiān)視儀器的該混凝土的強(qiáng)度和剩余壽命。
全文摘要
一種用于監(jiān)視結(jié)構(gòu)中材料變化的系統(tǒng)，通過使用嵌入該結(jié)構(gòu)中的監(jiān)視儀器40而作了公開。該儀器40有至少一個傳感器16，48，50，160通過多個電極42，44，52，54，56和周圍的材料相接觸，在該儀器40內(nèi)有多個電子電路。傳感器信號都被轉(zhuǎn)換成數(shù)字并發(fā)送到一個外部的數(shù)據(jù)記錄器或計算機(jī)以便顯示成數(shù)字化的信號。在該微控制器30和該數(shù)據(jù)記錄器之間的連接可以是通過固定線路60或是射頻。電源是通過外部或局部的方法提供給這些電子傳感器的。一個電源管理系統(tǒng)16能被用于把這些電子電路在不用時置于睡眠模式。這些電子電路用封裝材料封裝在一個儀器盒600中。該儀器盒是用一種抗彎模數(shù)等于或大于該周圍材料的材料制成，以防止在周圍材料破壞前發(fā)生機(jī)械性破壞。該儀器盒600有多個保護(hù)性的盤540，560，以保護(hù)這些電極42，44，52，54，56，以及圓整相鄰的連接長度以防止該儀器盒發(fā)生開裂。
文檔編號G01N17/02GK1471623SQ01817859
公開日2004年1月28日 申請日期2001年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月19日
發(fā)明者羅伯特·G·凱利, 約瑟夫·K·赫德森, 羅伯特·A·羅斯, 斯蒂芬·H·瓊斯, A 羅斯, H 瓊斯, K 赫德森, 羅伯特 G 凱利 申請人:弗吉尼亞技術(shù)公司