钢强化结构用的可嵌入的腐蚀监视器制造技术

一种用于监视结构中材料变化的系统，通过使用嵌入该结构中的监视仪器４０而作了公开。该仪器４０有至少一个传感器１６，４８，５０，１６０通过多个电极４２，４４，５２，５４，５６和周围的材料相接触，在该仪器４０内有多个电子电路。传感器信号都被转换成数字并发送到一个外部的数据记录器或计算机以便显示成数字化的信号。在该微控制器３０和该数据记录器之间的连接可以是通过固定线路６０或是射频。电源是通过外部或局部的方法提供给这些电子传感器的。一个电源管理系统１６能被用于把这些电子电路在不用时置于睡眠模式。这些电子电路用封装材料封装在一个仪器盒６００中。该仪器盒是用一种抗弯模数等于或大于该周围材料的材料制成，以防止在周围材料破坏前发生机械性破坏。该仪器盒６００有多个保护性的盘５４０，５６０，以保护这些电极４２，４４，５２，５４，５６，以及圆整相邻的连接长度以防止该仪器盒发生开裂。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种监视钢强化结构，例如混凝土桥、车道和荷重支持件中腐蚀和其它结构变化的装置。这个仪器被完全地嵌入并形成该结构的永久性组件。在本专利技术公开的系统中，通过把这些电子传感器包含在这些仪器中而克服了这个不准确的问题。通过把这些电子传感器放在这些仪器中，信号损耗大大降低，使得更准确的读数成为可能。本专利技术提出一种钢强化结构用的可嵌入的腐蚀监视器，对于各种大的结构，这些仪器能被组成网络以从该结构的各特定的部分提供读数。这些监视仪器具有至少一个传感器而各传感器具有和该周围材料相接触的多个电极。各电极的电子线路都被包含于该仪器中并从这些电极接收各种模拟信号。一个模拟-数字转换器把那些从各个传感器来的信号在送至微控制器以前进行转换。该模拟-数字转换器也放大和过滤这些信号，在一个实施例中，该放大和过滤都由数据记录器来程控的。一个数字-模拟转换器把从该微控器来的要送往这些电子传感器的各信号进行转换。一个传送装置把来自该微控器的各数字信号传送到一个外部的数据记录器或计算机以显示这些数字化的信号。该微控器和该数据记录器之间的连接可以通过硬件或无线电频率(RF)。在使用该微控器进行双向通信时，一个实时时钟也能被使用。电源通过外部的或局部的方法向这些电子传感器提供。为了储存电源，可以使用一个和各电子传感器、该模拟-数字转换器、微控器和数字-模拟转换器相连络的电源管理系统。该电源管理系统通过把这些电子传感器、模拟-数字转换器、微控器和数字-模拟转换器中任一在不使用时放置入一个睡眠状态来调节电源消耗的。当该系统被用来监视腐蚀时，一个电流计或相等的装置被用来测量传导性，一个电压计或和它相等的装置用来测量线性极化阻抗。氯离子浓度是通过使用一个Ag/AgCl电极它对Cl负离子有效，以及一个MnO2参考电极用来测量在离子有效电极和该MnO2之间的电位差。该装置也能使用一个钢的工作电极和一个不锈钢的参考电极，通过该钢的工作电极的外表面和该周围支持钢铁的外表面的匹配来测量该仪器周围区域的线性极化。局部使用时，至少要使用下列各物之一一个压电发生器、一个电化学电偶和/或一个用阻抗来匹配网络的RF电源接受器。最好是使用一个该压电发生器、电化学电偶和RF电源接受器的组合并用作一个彼此间可供选用的电源。为了保护这些电子传感器和使它们能被嵌入到该结构材料中，使用了一个仪器盒，它是用这样一种材料做成的即它具有的弯曲模数至少等于该结构材料应力除以该结构材料的应变。该弯曲模数等于或大于该混凝土以防止该装置在该混凝土破坏前发生机械性破坏。该仪器盒有一个空心本体它有一个可移开的第一端，一个封闭的第二端和多个侧面，每个侧面有一个和其相邻侧面相连的长度。该本体被做成用以容纳和保护这些电子传感器免于和该结构材料接触。该可移开的第一端有至少一个电极接受端口，在最佳实施例中，至少一个保护盘。这些保护盘从表面以大致上直角的角度延伸至环绕这些电极接受口，从而使这些电极能从该第一端的该表面被升高。该仪器有至少一个电缆口以接受一条用来连接到其它仪器和/或电源的网络电缆。这些相邻的相连长度都做成圆角以引导来自环绕该仪器盒的该周围的结构材料的压力以防止由于该周围材料产生的压力形成的开裂。该仪器盒的该第一端包含多个接受口以接纳这些电子传感器的各外部电极，把各电极的第一端置成与该结构材料相接触，把各电极的第二端和位于该仪器盒内的该电子线路作电子性接触。该仪器盒最好有多个和该空心本体一体的连接法兰它有多个带子接受槽以便能把该仪器盒连接到该周围的钢结构上。各模块都在该仪器盒中通过浇灌最好是具有足够柔性的材料使整个包装可以弯曲，不会压着这些电子组件从而获得保护。附图说明图17是图15中实施例的窄侧面图；图18是该仪器盒的一个侧视图，显示一种可选用的连接方法。需要注意的是按照使用的需要，其它的各传感器能代替这里所公开的传感器。例如，一个温度传感器能被加入以便监视混凝土的凝固速度。利用该传导率传感器的输出表示的温度提供了该结构内部凝固的精确读数。此外，增加环境湿度和温度传感器，允许该微处理器计算当天最佳凝固所需要的是什么。另外，该氯离子传感器可以监视该混凝土中含有的盐和其它杂质，从而对所使用的材料进行质量控制。通过在建造和凝固时提供了监视的可能性，本专利技术的各监视器能提供有价值的数据它使开始建造该结构时就能保证质量控制，还能提供该微处理器所需要的数据以预测寿命、缺陷和/或在该结构的寿命期内所需要的各种维修。在许多现有技术装置中一个包含各种传感器的探针被置于该材料中，一条电缆通向处于外部的用来分析来自这些传感器的信号的电子电路。因为这些显示腐蚀的信号都很微弱，所以该探针和该电子电路之间的距离必须严格限制，以便能得到精确和可重复的各种测量。因为本专利技术的装置包含在嵌入单元中的该电子电路，所以，这些探针和该电子电路之间的距离是最短的。本专利技术的各仪器和数据收集系统的通讯能力，以及它们各自之间是通过数字网络，使得本专利技术的仪器和该电源/数据记录器和/或读出装置之间的距离变得重要。该电源/数据记录器和本专利技术的仪器之间的距离是根据所用的网络而定的，例如一个RS485的网络允许约4000英呎。通过使用多个接入网络的仪器可以获得更大的距离，可是仪器的数量受到网络结构的限制。由此，只要符合各仪器间的距离不超过网络所允许的最大距离这个要求，一座桥就能被有效地覆盖。虽然这里的说明是指向监视钢强化混凝土的腐蚀，应该注意的是本装置能被改造以适合其它的腐蚀环境，例如在广大范围内的化学的参数以及物理的参数，只要选用合适的电极和/或传感器即可。增加的pH、应变、振动和加速度测量能力，显著地扩大了本专利技术各仪器的用途。pH是许多环境中一个存在腐蚀的指针，各种应变计都是通常用来监视结构中因为腐蚀或其它不良操作(例如，机械性损伤)而发生的裂缝和其它缺陷的移动。在本仪器中具有的应变监视能力允许工程师们监视各种结构性缺陷和基于预防性的维护决定而作出有根据的修理和修整。测量振动的振幅和频率的能力允许工程师们在这些参数超过为该结构所设计的规格时作出决定并在结构的完整性被危害前采取预防措施以减少振动。例如，在任何一个给定的时间内对允许通过一座桥的车辆数目可以作出限制。类似地，在一个结构内的一个到三个度量方向内测量加速度的能力能被用来侦察和防止振动的破坏性模式。在地震常发区，各具有这种能力的仪器能被嵌入在桥中，或其它车道结构中，用来侦察和警告驾车者有关地震的活动。这些仪器也能被放进“防振”建筑中以监视该建筑的结构的完整性。该仪器也能被用于监视封闭环路、阴极保护系统中的腐蚀。图2a、2b和2c显示了三个电子传感器，它们都是本实施例中的腐蚀测量传感器，也是模拟器前端10的一部分。如图2a中所示，一个四针或不锈钢传导传感器电极54被引至一个可以测量传导率/电阻率的电流计48。在上述的分析中，该传导传感器电极是用金做的。使用不锈钢不但降低了该单元的成本，也提供了增强的结构完整性。优选的不锈钢是316L奥氏体的低碳。如果不锈钢是焊接的就需要低碳，因为碳将影响电极的寿命。在图2b中这些电极包括一片用作工作电极42的强化钢，不锈钢网状对电极44和一个用来导向一个电压计50以作线性极化阻抗测量的MnO2参考电极52。在上述的分析中该网状对电极是用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来监视在一个结构内的材料变化的系统，包括：至少一个监视仪器，各该至少一个监视仪器有一个本体、一个独立的标志（ＩＤ）和被嵌入在该结构中以及具有：至少一个电子模块，各该至少一个电子模块有传感器和该材料接触，位于该监视仪器中的电子监 视装置接收来自该传感器的信号；一个模拟－数字转换器，该模拟－数字转换器从各该至少一个电子监视装置接收模拟信号；一个微控制器，该微控制器接收来自该模拟－数字转换器的信号；一个数字－模拟转换器，该数字－模拟转换器转换来自该微控制器的 信号给各该至少一个电子监视装置；以及发射装置，该发射装置发送该数字信号给一个数据记录器；电源装置，该电源装置提供电源给各该至少一个电子模块；封装材料，该封装材料把该模块包围在该监视仪器中；一个数据记录器，该数据记录器在该结构 的外部接收和储存该数字信号；其中该监视仪器接收来自该至少一个电子模块的信号，把该信号从模拟转换到数字，然后根据该标志为各该至少一个监视仪器发送该数字信号给该数据记录器。

【技术特征摘要】
US 2000-7-19 60/219,3701.一种用来监视在一个结构内的材料变化的系统，包括至少一个监视仪器，各该至少一个监视仪器有一个本体、一个独立的标志(ID)和被嵌入在该结构中以及具有至少一个电子模块，各该至少一个电子模块有传感器和该材料接触，位于该监视仪器中的电子监视装置接收来自该传感器的信号；一个模拟-数字转换器，该模拟-数字转换器从各该至少一个电子监视装置接收模拟信号；一个微控制器，该微控制器接收来自该模拟-数字转换器的信号；一个数字-模拟转换器，该数字-模拟转换器转换来自该微控制器的信号给各该至少一个电子监视装置；以及发射装置，该发射装置发送该数字信号给一个数据记录器；电源装置，该电源装置提供电源给各该至少一个电子模块；封装材料，该封装材料把该模块包围在该监视仪器中；一个数据记录器，该数据记录器在该结构的外部接收和储存该数字信号；其中该监视仪器接收来自该至少一个电子模块的信号，把该信号从模拟转换到数字，然后根据该标志为各该至少一个监视仪器发送该数字信号给该数据记录器。2.如权利要求1中所述的系统，其中该数据记录器显示该数字信号。3.如权利要求2中所述的系统，其中该数据记录器是一台计算机。4.如权利要求1中所述的系统，其中该模拟-数字转换器放大和过滤该信号，该放大和过滤可由该数据记录器编定程序。5.如权利要求1中所述的系统，还包括一个实时时钟，该实时时钟和该微控制之间是双向通信。6.如权利要求1中所述的系统，还包括一个电源管理系统，该电源管理系统和各该至少一个电子模块、该模拟-数字转换器、该微控制器、该数字-模拟转换器之间都能进行通信，该电源管理系统通过把各该至少一个电子模块、该模拟-数字转换器、该微控制器、该数字-模拟转换器在不使用时置于一个睡眠模式来调节电源消耗。7.如权利要求1中所述的系统，其中该材料变化是腐蚀。8.如权利要求7中所述的系统，其中一个该至少一个电子模块测量传导率。9.如权利要求8中所述的系统，其中该电子模块是一个电流计。10.如权利要求7中所述的系统，其中一个该至少一个电子模块测量线性极化阻抗。11.如权利要求10中所述的系统，其中一个该至少一个电子模块是一个电压计。12.如权利要求7中所述的系统，其中一个该至少一个电子模块能测量氯离子浓度。13.如权利要求12中所述的系统，其中一个该至少一个电子模块有一个Ag/AgCl氯离子比传感器和一个MnO2参考传感器，该离子比传感器和该MnO2参考传感器之间的该电压显示该氯离子浓度。14.如权利要求10中所述的系统，其中一个该至少一个电子模块有一个钢工作传感器和一个不锈钢参考传感器以测量线性极化，该钢工作电极有一个外表面配合围绕该监视仪器的结构强化钢的一个外表面。15.如权利要求1中所述的系统，其中该监视仪器用固定线路连接该数据记录器。16.如权利要求1中所述的系统，其中各该至少一个监视仪器和至少一个其它的该至少一个监视仪器处于同一网络中并能互相通信。17.如权利要求1中所述的系统，其中该数据记录器通过数字信号传送装置接收该数字信号，该数字信号传送装置能使用无线电在各该至少一个监视仪器和该数据记录器之间通信。18.如权利要求1中所述的系统，其中该电源装置是在该结构的外部，该电源装置用固定线路和各该至少一个监视装置连接。19.如权利要求1中所述的系统，其中该监视装置还包括至少一个局部的电源装置，该局部的电源装置为各该至少一个电子模块生产电源。20.如权利要求19中所述的系统，其中该局部的电源装置至少是下列之一一个压电发生器；一个电化学电偶；和/或一个使用阻抗和网络匹配的RF功率接收器。21.如权利要求20中所述的系统，其中各该压电发生器、电化学电偶和RF功率接收器作为各该其它的内部电源装置的一种备选的电源使用。22.如权利要求1中所述的系统，其中各该传感器的一个第一端位于一个第一平面上，因而能使该材料变化几乎同时地和各该传感器进行接触。23.如权利要求22中所述的系统，其中来自该第一平面的任何传感器的任何振动被该数据记录器所计算从而补偿该振动。24.如权利要求7中所述的系统，其中一个该至少一个电子模块是一个温度模块，该温度模块记录和发送周围的温度给该微控制器。25.如权利要求24中所述的系统，其中数据记录器分析该电子模块读数和计算混凝土的凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特G凯利，约瑟夫K赫德森，罗伯特A罗斯，斯蒂芬H琼斯，
申请(专利权)人：弗吉尼亚技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]