(57)【要約】  構造体それ自体を電気化学的測定手段の一部分として使用することにより構造体の腐食を監視するシステム及び方法が開示される。ある実施形態によれば、構造体の腐食を直接監視するための直線分極抵抗（ＬＰＲ）センサ装置が提供される。ある革新によれば、センサ装置は、反対電極、基準電極、及び監視される構造体より成る作用電極のような３つの電極を備えている。更に別の実施形態では、各電極は、ポリイミドのようなポリマーの柔軟性基板ケーブル上に構成され、各電極は、貴金属、例えば、金メッキされた銅、又は環境への露出により外面が酸化しない金属系から製造される。【選択図】図１
2017520007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体の腐食を監視するシステムにおいて、
複数の電極を含む直線分極抵抗（ＬＰＲ）センサ、
前記ＬＰＲセンサに結合された計装回路であって、第１電極と接地とにまたがる印加電位をセットし、そのセットされた電位を選択的にイネーブル及びディスエーブルし、及び電位を測定すべき２つの電極を選択するように構成された計装回路、及び
前記計装回路に結合されたマイクロコントローラ回路であって、前記印加電位を発生し、開路基準電位を測定し、前記選択された電極にまたがる電位を測定し、前記印加電位を調整し、及び前記測定された電位に基づいて分極抵抗を決定するように構成されたマイクロコントローラ回路、
を備えたシステム。
【請求項２】
前記計装回路に結合された複数のＬＰＲセンサを更に備えた、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記複数の電極は、作用電極、基準電極及び反対電極を含む、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記基準電位は、前記反対電極と作用電極との間で測定される、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記第１電極は、反対電極である、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記計装回路は、更に、電位を測定すべき２つの電極を選択するように構成されたスイッチを含む、請求項１から５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記スイッチは、シングルプル・ダブルスロースイッチである、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記マイクロコントローラ回路は、更に、前記スイッチを動作するように構成される、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記計装回路は、更に、前記セット電位を選択的にイネーブル及びディスエイブルするように構成されたスイッチを含む、請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
前記マイクロコントローラ回路は、更に、前記スイッチを動作するように構成される、請求項１から９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
前記計装回路は、更に、前記印加電位をセットするように構成された増幅器を含む、請求項１から１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記増幅器は、電圧ホロワ増幅器である、請求項１から１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
前記マイクロコントローラ回路は、更に、前記印加電位を発生するために前記増幅器に信号を供給するように構成される、請求項１から１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記マイクロコントローラ回路は、更に、前記印加電位を発生するために前記増幅器に信号を供給するように構成される、請求項１から１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
前記計装回路は、更に、前記マイクロコントローラ回路から信号を受信し、その受信信号をアナログ信号に変換し、及びそのアナログ信号を前記増幅器に供給するように構成されたデジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）を更に含む、請求項１から１４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６】
前記マイクロコントローラ回路は、更に、前記印加電位を発生するために前記増幅器の利得を制御するように構成される、請求項１から１５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１７】
前記計装回路は、更に、前記基準電位及び前記ＬＰＲセンサからの測定された電位信号をデジタル信号に変換し、そしてそのデジタル信号を前記マイクロコントローラ回路に供給するように構成されたアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を含む、請求項１から１６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１８】
前記マイクロコントローラ回路は、前記ＬＰＲセンサのどれがアクティブであるか決定するように構成される、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１９】
前記マイクロコントローラ回路は、
前記計装回路を経て電位を測定すべき２つの電極を選択し、
前記計装回路を経て前記セット電位をディスエイブルし、
前記計装回路を経て前記開路電位を測定し、
前記計装回路を経て前記セット電位をイネーブルし、
前記セット電位を固定増分ステップでセットし、
セット電位ごとに、前記印加電位を測定し、
その測定された印加電位ごとに、その測定された電位を評価して、前記開路電位に対するその値を決定し、
前記開路電位対各評価された測定電位の直線適合に基づいて分極抵抗を決定し、及び
前記分極抵抗に基づいて腐食率、全腐食、濡れ時間及び塩度の時間、の少なくとも１つを計算する、
ことにより、腐食を決定するように構成される、請求項１から１８のいずれかに記載のシステム。
【請求項２０】
前記マイクロコントローラ回路に結合されたメモリを更に備えた、請求項１から１８のいずれかに記載のシステム。
【請求項２１】
前記メモリは、フラッシュメモリである、請求項１から２０のいずれかに記載のシステム。
【請求項２２】
前記メモリは、前記腐食の決定に使用される定数を記憶する、請求項１から２１のいずれかに記載のシステム。
【請求項２３】
前記マイクロコントローラ回路は、前記決定された分極抵抗、腐食率、全腐食、濡れ時間及び塩度の時間の少なくとも１つを前記メモリに記憶するように構成される、請求項１から２２のいずれかに記載のシステム。
【請求項２４】
前記マイクロコントローラ回路に結合されたネットワークモジュール及び外部データベースの少なくとも１つを更に備えた、請求項１から２３のいずれかに記載のシステム。
【請求項２５】
前記ネットワークモジュール及び／又は外部データベースは、前記決定された分極抵抗、腐食率、全腐食、濡れ時間及び塩度の時間の少なくとも１つを送信するように構成される、請求項１から２４のいずれかに記載のシステム。
【請求項２６】
前記計装回路は、更に、前記印加電圧をセットするように構成された増幅器を含む、請求項１から２５のいずれかに記載のシステム。
【請求項２７】
前記マイクロコントローラ回路は、
前記増幅器を高利得にセットし、
前記２つの電極間に前記開路電位よりＸボルト低い電位を印加し、
前記測定された印加電位がクリップされるかどうか決定し、
前記測定された印加電位がクリップされるときには、前記増幅器の利得を下げ、
前記測定された印加電位がクリップされないときには、前記測定された印加電位が前記開路電位よりＸボルト未満だけ高いかどうか決定し、
前記測定された印加電位が前記開路電位よりＸボルト以上高いときには、前記印加電位を除去し、及び
前記測定された印加電位が前記開路電位よりＸボルト未満だけ高いときには、前記２つの電極間の印加電位をＹボルト増加する、
ことにより、前記セット電位を固定増分ステップでセットするように構成される、請求項１から２５のいずれかに記載のシステム。
【請求項２８】
各電極は、不活性材料で形成される、請求項１から２６のいずれかに記載のシステム。
【請求項２９】
前記基準電極及び反対電極は、それらの間に小さな分離距離又はギャップを伴う櫛型対である、請求項１から２８のいずれかに記載のシステム。
【請求項３０】
前記反対電極及び基準電極は、薄い／多孔性の絶縁材料を使用することにより前記構造体から電気的に絶縁される、請求項１から２９のいずれかに記載のシステム。
【請求項３１】
前記多孔性材料は、前記反対電極と基準電極と構造体との間に電解液を自由に通過させることができる、請求項１から３０のいずれかに記載のシステム。
【請求項３２】
前記作用電極は、前記構造体に物理的接触しない、請求項１から３１のいずれかに記載のシステム。
【請求項３３】
前記作用電極は、前記作用電極と前記構造体との間に配置された薄い導電性転写テープを使用して前記構造体と電気的接触する、請求項１から３２のいずれかに記載のシステム。
【請求項３４】
前記導電性転写テープは、腐食を防止するために前記導電性転写テープと前記構造体との間の界面として非腐食性接着材を使用する、請求項１から３３のいずれかに記載のシステム。
【請求項３５】
腐食は、質量ロス（ｍｇ）又は単位表面積当りの質量ロス（ｍｇ／ｃｍ2）として計算される、請求項１から３４のいずれかに記載のシステム。
【請求項３６】
腐食は、質量ロス／単位表面積／単位時間（例えば、ｍｇ／ｃｍ2／ｙｒ）に関する率として報告される、請求項１から３５のいずれかに記載のシステム。
【請求項３７】
腐食及び／又は腐食率は、前記マイクロコントローラによりオンボードで、又は監視される構造体に対する分極抵抗測定値及び既知の材料定数を使用してオフラインで計算される、請求項１から３６のいずれかに記載のシステム。
【請求項３８】
前記濡れ時間及び塩度は、前記反対電極と基準電極との間の抵抗を測定しそして実験的に導出された校正曲線を適用することにより計算される、請求項１から３７のいずれかに記載のシステム。
【請求項３９】
構造体の腐食を監視するシステムにおいて、
作用電極、基準電極及び反対電極を含む直線分極抵抗（ＬＰＲ）センサ、
前記ＬＰＲセンサに結合された計装回路であって、前記反対電極と接地にまたがる印加電位をセットするように構成された増幅器、そのセットされた電位を選択的にイネーブル及びディスエーブルするよう構成された第１スイッチ、及び電位を測定すべき２つの電極を選択するように構成された第２スイッチを含む計装回路、及び
前記計装回路に結合されたマイクロコントローラ回路であって、前記印加電位を発生し、開路基準電位を測定し、前記選択された電極にまたがる電位を測定し、前記印加電位を調整し、及び前記測定された電位に基づいて分極抵抗を決定するように構成されたマイクロコントローラ回路、
を備えたシステム。
【請求項４０】
前記計装回路に結合された複数のＬＰＲセンサを更に備えた、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記基準電位は、前記反対電極と作用電極との間で測定される、請求項３９又は４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記第２スイッチは、シングルプル・ダブルスロースイッチである、請求項３９から４１のいずれかに記載のシステム。
【請求項４３】
前記マイクロコントローラ回路は、更に、前記第１スイッチ及び第２スイッチの少なくとも一方を動作するよう構成される、請求項３９から４２のいずれかに記載のシステム。
【請求項４４】
前記増幅器は、電圧ホロワ増幅器である、請求項３９から４３のいずれかに記載のシステム。
【請求項４５】
前記マイクロコントローラ回路は、更に、前記印加電位を発生するために前記増幅器に信号を供給するように構成される、請求項３９から４４のいずれかに記載のシステム。
【請求項４６】
前記マイクロコントローラ回路は、更に、前記印加電位を発生するために前記増幅器に信号を供給するように構成される、請求項３９から４４のいずれかに記載のシステム。
【請求項４７】
前記計装回路は、更に、前記マイクロコントローラ回路から信号を受信し、その受信信号をアナログ信号に変換し、及びそのアナログ信号を前記増幅器に供給するように構成されたデジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）を更に含む、請求項３９から４６のいずれかに記載のシステム。
【請求項４８】
前記マイクロコントローラ回路は、更に、前記印加電位を発生するために前記増幅器の利得を制御するように構成される、請求項３９から４７のいずれかに記載のシステム。
【請求項４９】
前記計装回路は、更に、前記基準電位及び前記ＬＰＲセンサからの測定された電位信号をデジタル信号に変換し、そしてそのデジタル信号を前記マイクロコントローラ回路に供給するように構成されたアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を含む、請求項３９から４８のいずれかに記載のシステム。
【請求項５０】
前記マイクロコントローラ回路は、前記ＬＰＲセンサのどれがアクティブであるか決定するように構成される、請求項３９から４９のいずれかに記載のシステム。
【請求項５１】
前記マイクロコントローラ回路は、
前記計装回路を経て電位を測定すべき２つの電極を選択し、
前記計装回路を経て前記セット電位をディスエイブルし、
前記計装回路を経て前記開路電位を測定し、
前記計装回路を経て前記セット電位をイネーブルし、
前記セット電位を固定増分ステップでセットし、
セット電位ごとに、前記印加電位を測定し、
その測定された印加電位ごとに、その測定された電位を評価して、前記開路電位に対するその値を決定し、
前記開路電位対各評価された測定電位の直線適合に基づいて分極抵抗を決定し、及び
前記分極抵抗に基づいて腐食率、全腐食、濡れ時間及び塩度の時間、の少なくとも１つを計算する、
ことにより、腐食を決定するように構成される、請求項３９から５０のいずれかに記載のシステム。
【請求項５２】
前記マイクロコントローラ回路に結合されたメモリを更に備えた、請求項３９から５１のいずれかに記載のシステム。
【請求項５３】
前記メモリは、フラッシュメモリである、請求項３９から５２のいずれかに記載のシステム。
【請求項５４】
前記メモリは、前記腐食の決定に使用される定数を記憶する、請求項３９から５３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５５】
前記マイクロコントローラ回路は、前記決定された分極抵抗、腐食率、全腐食、濡れ時間及び塩度の時間の少なくとも１つを前記メモリに記憶するように構成される、請求項３９から５４のいずれかに記載のシステム。
【請求項５６】
前記マイクロコントローラ回路に結合されたネットワークモジュール及び外部データベースの少なくとも１つを更に備えた、請求項３９から５５のいずれかに記載のシステム。
【請求項５７】
前記ネットワークモジュール及び／又は外部データベースは、前記決定された分極抵抗、腐食率、全腐食、濡れ時間及び塩度の時間の少なくとも１つを送信するように構成される、請求項３９から５６のいずれかに記載のシステム。
【請求項５８】
前記マイクロコントローラ回路は、
前記増幅器を高利得にセットし、
前記２つの電極間に前記開路電位よりＸボルト低い電位を印加し、
前記測定された印加電位がクリップされるかどうか決定し、
前記測定された印加電位がクリップされるときには、前記増幅器の利得を下げ、
前記測定された印加電位がクリップされないときには、前記測定された印加電位が前記開路電位よりＸボルト未満だけ高いかどうか決定し、
前記測定された印加電位が前記開路電位よりＸボルト以上高いときには、前記印加電位を除去し、及び
前記測定された印加電位が前記開路電位よりＸボルト未満だけ高いときには、前記２つの電極間の印加電位をＹボルト増加する、
ことにより、前記セット電位を固定増分ステップでセットするように構成される、請求項３９から５７のいずれかに記載のシステム。
【請求項５９】
各電極は不活性材料で形成される、請求項３９から５８のいずれかに記載のシステム。
【請求項６０】
前記基準電極及び反対電極は、それらの間に小さな分離距離又はギャップを伴う櫛型対である、請求項３９から５９のいずれかに記載のシステム。
【請求項６１】
前記反対電極及び基準電極は、薄い／多孔性の絶縁材料を使用することにより前記構造体から電気的に絶縁される、請求項３９から６０のいずれかに記載のシステム。
【請求項６２】
前記多孔性材料は、前記反対電極と基準電極と構造体との間に電解液を自由に通過させることができる、請求項３９から６１のいずれかに記載のシステム。
【請求項６３】
前記作用電極は、前記構造体に物理的接触しない、請求項３９から６２のいずれかに記載のシステム。
【請求項６４】
前記作用電極は、前記作用電極と前記構造体との間に配置された薄い導電性転写テープを使用して前記構造体と電気的接触される、請求項３９から６３のいずれかに記載のシステム。
【請求項６５】
前記導電性転写テープは、腐食を防止するために前記導電性転写テープと前記構造体との間の界面として非腐食性接着材を使用する、請求項３９から６４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６６】
腐食は、質量ロス（ｍｇ）又は単位表面積当りの質量ロス（ｍｇ／ｃｍ2）として計算される、請求項３９から６５のいずれかに記載のシステム。
【請求項６７】
腐食は、質量ロス／単位表面積／単位時間（例えば、ｍｇ／ｃｍ2／ｙｒ）に関する率として報告される、請求項３９から６６のいずれかに記載のシステム。
【請求項６８】
腐食及び／又は腐食率は、前記マイクロコントローラによりオンボードで、又は監視される構造体に対する分極抵抗測定値及び既知の材料定数を使用してオフラインで計算される、請求項３９から６７のいずれかに記載のシステム。
【請求項６９】
前記濡れ時間及び塩度は、前記反対電極と基準電極との間の抵抗を測定しそして実験的に導出された校正曲線を適用することにより計算される、請求項３９から６８のいずれかに記載のシステム。
【請求項７０】
構造体の腐食を監視するシステムにおいて、
反対電極、基準電極、及び監視される構造体より成る作用電極を各々含む複数の直線分極抵抗（ＬＰＲ）センサ、及び
前記ＬＰＲセンサの各々から測定値を読み取るようにプログラムされた電子的コントローラであって、第１電圧の印加電位を印加し、そしてその印加電位を、前記第１電圧より高い範囲の第２の値だけ増加する電子的コントローラ、
を備えたシステム。
【請求項７１】
構造体の腐食を監視する方法において、
マイクロコントローラ回路に結合された計装回路を経て電位を測定すべき２つの電極をマイクロコントローラ回路で選択し、前記２つの電極は、直線分極抵抗（ＬＰＲ）センサの複数の電極から選択され、
前記計装回路を経てセット電位を前記マイクロコントローラ回路でディスエイブルし、前記セット電位は、第１電極と接地とにまたがる印加電圧であり、
前記計装回路を経て開路電位を前記マイクロコントローラ回路で測定し、
前記計装回路を経て前記セット電位を前記マイクロコントローラ回路でイネーブルし、
前記セット電位を固定の増分ステップにおいて前記マイクロコントローラ回路でセットし、
各セット電位に対して、前記印加電位を前記マイクロコントローラ回路で測定し、
各測定された印加電位に対して、前記測定された電位を前記マイクロコントローラ回路で評価して、前記開路電位に対するその値を決定し、
前記開路電位対各評価された測定電位の直線適合に基づいて分極抵抗を前記マイクロコントローラ回路で決定し、及び
前記分極抵抗に基づいて腐食率、全腐食、濡れ時間及び塩度の時間、の少なくとも１つを前記マイクロコントローラ回路で計算する、
ことを含む方法。
【請求項７２】
前記セット電位を固定増分ステップでセットすることは、
前記増幅器を高利得にセットし、
前記２つの電極間に前記開路電位よりＸボルト低い電位を印加し、
前記測定された印加電位がクリップされるかどうか決定し、
前記測定された印加電位がクリップされるときには、前記増幅器の利得を下げ、
前記測定された印加電位がクリップされないときには、前記測定された印加電位が前記開路電位よりＸボルト未満だけ高いかどうか決定し、
前記測定された印加電位が前記開路電位よりＸボルト以上高いときには、前記印加電位を除去し、及び
前記測定された印加電位が前記開路電位よりＸボルト未満だけ高いときには、前記２つの電極間の印加電位をＹボルト増加する、
ことを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記分極抵抗に基づく腐食率、全腐食、濡れ時間及び塩度の時間、の少なくとも１つをメモリに記憶することを更に含む、請求項７１又は７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記決定された分極抵抗、腐食率、全腐食、濡れ時間及び塩度の時間、の少なくとも１つを、ネットワークモジュール及び外部データベースの少なくとも１つを経て送信することを更に含む、請求項７１から７３のいずれかに記載の方法。
【請求項７５】
複数のＬＰＲセンサのどれがアクティブであるか決定し、そしてアクティブなＬＰＲセンサを、電極を選択するセンサとして選択することを更に含む、請求項７１から７４のいずれかに記載の方法。
【請求項７６】
腐食を、質量ロス（ｍｇ）又は単位表面積当りの質量ロス（ｍｇ／ｃｍ2）として計算する、請求項７１から７５のいずれかに記載の方法。
【請求項７７】
腐食を、質量ロス／単位表面積／単位時間（例えば、ｍｇ／ｃｍ2／ｙｒ）に関する率として報告する、請求項７１から７６のいずれかに記載の方法。
【請求項７８】
腐食及び／又は腐食率を、前記マイクロコントローラによりオンボードで計算するか、又は監視される構造体に対する分極抵抗測定値及び既知の材料定数を使用してオフラインで計算する、請求項７１から７７のいずれかに記載の方法。
【請求項７９】
前記濡れ時間及び塩度を、前記反対電極と基準電極との間の抵抗を測定しそして実験的に導出された校正曲線を適用することにより計算する、請求項７１から７８のいずれかに記載の方法。
【請求項８０】
構造体の腐食を監視する方法において、
複数の直線分極抵抗（ＬＰＲ）センサの腐食を測定し、各ＬＰＲセンサは、作用電極と、基準電極と、ポリイミドより成り電極を取り巻き且つ電極に結合されそしてそれに腐食不動態化を与えるマウント材料とを各々含み、そのマウント材料は、電極の露出側壁をカバーしてその側壁を保護し、電極の頂面に関連した腐食に関する直線分極腐食測定技術を使用して確立される電極の腐食抵抗は、広い範囲の腐食状態にわたって直線的であり、
各ＬＰＲセンサから開路電位を測定し、
前記開路電位より第１電圧だけ低い印加電位を印加し、及び
前記第１電圧より１０％ないし２０％高い第２の値だけ前記印加電位を増加する、
ことを含む方法。
【請求項８１】
電子回路は、μＬＰＲ可撓性センサのアレイから読みを収集する計装回路を含む、請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
印加電位信号を発生し、印加電流を構成し、そして基準電位及び印加電流測定値を読み取る請求項８０又は８１に記載の方法。
【請求項８３】
前記計装回路は、前記印加電位信号をアナログ信号に変換し、そして前記基準電位及び印加電流測定値をデジタル化するデジタル／アナログコンバータを含む、請求項８０から８２のいずれかに記載の方法。
【請求項８４】
前記計装回路は、仮想接地に対して前記反対電極にまたがる前記印加電位をセットするのに使用される電圧ホロワ増幅器を含む、請求項８０から８３のいずれかに記載の方法。
【請求項８５】
前記計装回路は、前記印加電圧をディスエイブルするのに使用されるスイッチを含む、請求項８０から８４のいずれかに記載の方法。
【請求項８６】
前記計装回路は、どの電極間で前記基準電位を測定するか決定するのに使用されるシングルプル・ダブルスロースイッチを含む、請求項８０から８５のいずれかに記載の方法。
【請求項８７】
前記計装回路は、前記反対電極と作用電極との間、又は前記基準電極と作用電極との間で前記基準電位を測定する差動増幅器を含む、請求項８０から８６のいずれかに記載の方法。
【請求項８８】
前記計装回路は、前記印加電流を測定する選択可能な利得をもつトランスレジスタンス増幅器を含む、請求項８０から８７のいずれかに記載の方法。
【請求項８９】
前記電子回路は、データ収集、データ処理、送信及び記憶を整合するマイクロコントローラ回路を含む、請求項８０から８８のいずれかに記載の方法。
【請求項９０】
前記マイクロコントローラ回路は、前記印加電流及び基準電位から抵抗を計算し、それにより生じる値を読み取り、そしてそれらの値をメモリに記憶する回路コンポーネントを含む、請求項８０から８９のいずれかに記載の方法。
【請求項９１】
前記メモリは、内部フラッシュメモリである、請求項８０から９０のいずれかに記載の方法。
【請求項９２】
外部データバスを通してセンサデータがダウンロードされ又は取得される、請求項８０から９１のいずれかに記載の方法。
【請求項９３】
アンテナを経てデータを送信するためにワイヤレスモジュールを使用してセンサデータがダウンロードされ又は取得される、請求項８０から９２のいずれかに記載の方法。
【請求項９４】
前記マイクロコントローラ回路は、測定のために印加電位信号を発生する、請求項８０から９３のいずれかに記載の方法。
【請求項９５】
前記マイクロコントローラ回路は、μＬＰＲ可撓性センサのアレイに質問しそして前記計装回路を経て読みを収集する、請求項８０から９４のいずれかに記載の方法。
【請求項９６】
前記マイクロコントローラ回路は、チャンネル選択を経てどのセンサがアクティブであるか決定する１組のマルチプレクス型スイッチを含む、請求項８０から９５のいずれかに記載の方法。
【請求項９７】
前記スイッチがデフォールト位置（常閉）にあるときには、前記マイクロコントローラ回路は、構造体に対して直線分極抵抗を計算する、請求項８０から９６のいずれかに記載の方法。
【請求項９８】
前記スイッチが別の位置にあるときには、前記マイクロコントローラ回路は、前記センサの反対電極及び作用電極に対して直線分極抵抗を計算する、請求項８０から９７のいずれかに記載の方法。
【請求項９９】
不活性材料（例えば、金メッキされた銅、ニッケル、等）で形成された３つの電極を備え、第１電極は反対電極であり、第２電極は基準電極であり、そして第３電極は作用電極である、腐食センサ。
【請求項１００】
前記基準電極及び反対電極は、それらの間に小さな分離距離又はギャップを伴う櫛型対である、請求項９９に記載のセンサ。
【請求項１０１】
前記反対電極及び基準電極は、薄い／多孔性の絶縁材料を使用することにより前記構造体から電気的に絶縁される、請求項９９又は１００に記載のセンサ。
【請求項１０２】
前記多孔性材料は、前記反対電極と基準電極と構造体との間に電解液を自由に通過させることができる、請求項９９から１０１のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０３】
前記作用電極は、前記構造体に物理的接触しない、請求項９９から１０２のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０４】
前記作用電極は、前記作用電極と前記構造体との間に配置された薄い導電性転写テープを使用して前記構造体と電気的接触する、請求項９９から１０３のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０５】
前記導電性転写テープは、腐食を防止するために前記導電性転写テープと前記構造体との間の界面として非腐食性接着材を使用する、請求項９９から１０４のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０６】
腐食は、質量ロス（ｍｇ）又は単位表面積当りの質量ロス（ｍｇ／ｃｍ2）として計算される、請求項９９から１０５のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０７】
腐食は、質量ロス／単位表面積／単位時間（例えば、ｍｇ／ｃｍ2／ｙｒ）に関する率として報告される、請求項９９から１０６のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０８】
腐食及び／又は腐食率は、前記マイクロコントローラによりオンボードで、又は監視される構造体に対する分極抵抗測定値及び既知の材料定数を使用してオフラインで計算される、請求項９９から１０７のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０９】
前記濡れ時間及び塩度は、前記反対電極と基準電極との間の抵抗を測定しそして実験的に導出された校正曲線を適用することにより計算される、請求項９９から１０８のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１１０】
前記第３の、作用電極は、監視される構造体である、請求項９９に記載のセンサ。
【請求項１１１】
不活性材料（例えば、金メッキされた銅、ニッケル、等）で形成された３つの電極を備え、第１電極は反対電極であり、第２電極は基準電極であり、そして第３電極は、監視される構造体でもある作用電極である、腐食センサ。
【請求項１１２】
構造体の腐食を監視するセンサ装置において、
反対電極、基準電極、及び監視される構造体より成る作用電極を各々含む複数の直線分極抵抗（ＬＰＲ）センサ、及び
前記ＬＰＲセンサの各々から測定値を読み取るようにプログラムされた電子的コントローラであって、第１電圧の印加電位を印加し、そしてその印加電位を、前記第１電圧より高い範囲の第２の値だけ増加する電子的コントローラ、
を備えたセンサ装置。
【請求項１１３】
前記範囲は、前記第１電圧より約１０％ないし約２０％高い、請求項１１２に記載の装置。
【請求項１１４】
前記基準電極及び反対電極は、それらの間に小さな分離距離又はギャップを伴う櫛型対である、請求項１１２又は１１３に記載の装置。
【請求項１１５】
前記反対電極及び基準電極は、薄い／多孔性の絶縁材料を使用することにより前記構造体から電気的に絶縁される、請求項１１２ないし１１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１１６】
前記多孔性材料は、前記反対電極と基準電極と構造体との間に電解液を自由に通過させることができる、請求項１１２ないし１１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１１７】
ポリマーの柔軟性基板ケーブル上に各々構成された３つの電極を備え、
各電極は、貴金属、例えば、金メッキされた銅、又は環境への露出により外面が酸化しない金属系から製造され、
最初の２つの電極は、櫛型形態で配置され、
第３の電極は、最初の２つの電極から約１０ｍｍ以下に配置され、且つ電極と構造体との間に電気的接触を形成することにより構造体への電気的接触をなし、
既知の物理的定数の関数として腐食率を発生し、且つ前記３つの電極を使用して電解溶液と構造体との間で測定される分極抵抗を測定する、センサ装置。
【請求項１１８】
前記柔軟性基板ケーブル（可撓性ケーブル）は、前記一対の電極と監視される構造体との間に多孔性スクリム又はメンブレーン材料を含む、請求項１１７に記載の装置。
【請求項１１９】
前記スクリム又はメンブレーンは、前記櫛型電極と構造体との間に電気的絶縁を与える、請求項１１７又は１１８に記載の装置。
【請求項１２０】
前記濡れ時間及び塩度は、ルックアップテーブルから、及び前記櫛型電極対間の抵抗を測定して、計算される、請求項１１７ないし１１９のいずれかに記載の装置。
【請求項１２１】
前記ポリマーの柔軟性基板ケーブルは、ポリイミドで作られる、請求項１１７ないし１２０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２２】
前記最初の２つの電極は、約１ないし約１０ミルの厚み及び約０．１ｍｍないし約２０ｍｍの長さで製造される、請求項１１７ないし１２１のいずれかに記載の装置。
【請求項１２３】
前記最初の２つの電極は、約１０ミル以下の分離距離で製造される、請求項１１７ないし１２２のいずれかに記載の装置。
【請求項１２４】
前記構造体への電気的接触は、前記第３電極と前記構造体との間に導電性転写テープ（例えば、１ミル厚み等）を配置することにより形成される、請求項１１７ないし１２３のいずれかに記載の装置。
【請求項１２５】
前記可撓性ケーブルは、接着材の使用により前記構造体に取り付けられる、請求項１１７ないし１２４のいずれかに記載の装置。
【請求項１２６】
当接ジョイント又はラップジョイント構成の前記センサ配置は、ジョイントそれ自体により与えられる保持力で行われる、請求項１１７ないし１２５のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照：本願は、参考としてここにそのまま援用する２０１４年６月２６日出願の米国プロビジョナル特許出願第６２／０１７，７９９号の利益／優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般的に、構造体それ自体を電気化学的測定手段の一部分として使用することにより構造体の腐食を監視するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
腐食センサは、次の分類、即ち直接的又は間接的、及び侵入的又は非侵入的により区別される。直接的な腐食監視は、酸化・還元反応の直接的な結果として発生される電流又は電位のような応答信号を測定する。通常の直接的腐食監視技術は、例えば、腐食クーポン、電気抵抗（ＥＲ）、電気インピーダンス分光学（ＥＩＳ）、及び直線分極抵抗（ＬＰＲ）技術である。一方、間接的な腐食監視技術は、腐食プロセスの結果を測定するもので、最も一般的な間接的技術の２つは、超音波テスト及びＸ線撮影である。侵入的な測定は、構造体にアクセスすることを必要とする。腐食クーポン、ＥＲ、ＥＩＳ及びＬＰＲプローブは、構造体にアクセスしなければならないので、侵入的である。非侵入的技術は、超音波テスト及びＸ線撮影を含む。
【０００４】
これらの方法は、各々、利点と欠点を有する。腐食クーポンは、最も信頼できる物理的証拠を与える。不都合なことに、クーポンは、通常、労力に関して著しい時間を要求し、そしてそれにより与えられる時間平均化データは、リアルタイム又はオンライン腐食監視には利用できない。ＥＲプローブは、金属ロスの基本的測定を与えるが、クーポンとは異なり、金属ロスの値は、必要以上の頻度でいつでも測定することができ、一方、プローブは、その場にあって、構造体に永久的に露出される。欠点として、ＥＲプローブは、監視される構造体の材料特性で校正する必要がある。ＬＰＲ技術の利点は、腐食率の測定が瞬間的に行われることである。これは、基本的な測定が金属ロスであったり腐食率を決定するのにある程度の露出時間が必要であったりするクーポン又はＥＲよりパワフルなツールである。ＬＰＲ技術の欠点は、比較的清潔な水性電解質環境でしか首尾良く遂行できないことである。ＥＩＳは、運動的（腐食率）及び機械的の両情報を与える非常にパワフルな技術である。ＥＩＳの使用に関連した主な欠点は、計装が複雑であると共に、各周波数スイープに要求される時間が長いために現場での使用が時々困難なことである。更に、データの解釈も困難である。最後に、超音波テスト及びＸ線撮影は、非破壊的及び非侵入的な手段を通して腐食を検出しそして測定する（深さ）のに使用することができる。超音波テスト及びＸ線撮影装置に伴う欠点は、腐食クーポンと同じで、労力に関して著しい時間を要求すると共に、リアルタイム又はオンラインの腐食監視に使用できないことである。
【０００５】
又、構造体の劣化を監視するために種々の微細加工センサ装置が存在する。そのような装置は、第１フィンガを有する第１電極と、第２フィンガを有する第２電極を含む。第２フィンガは、第１フィンガから最大約１ｍｍ離れて位置される。第１電極と第２電極との間に流れる電流は、それら電極の劣化の程度に相関される。
【０００６】
本明細書の一部分を構成する添付図面は、本発明の種々の実施形態及び観点を例示するもので、以下の説明と共に、本発明の原理を例示する上で役立つ。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ここに述べる革新の１つ以上の観点によるマイクロ直線分極抵抗可撓性センサの概略図である。
【図２】ここに述べる革新の１つ以上の観点により構造体に取り付けられたマイクロ直線分極抵抗可撓性センサの概略図である。
【図３】ここに述べる革新の１つ以上の観点によるセンサ装置に使用される計装増幅回路の回路図である。
【図４Ａ】ここに述べる革新の１つ以上の観点により埋設ハードウェアに接続された例示的可撓性回路装置のブロック図である。
【図４Ｂ】ここに述べる革新の１つ以上の観点により埋設ハードウェアに接続された例示的可撓性回路装置のブロック図である。
【図５Ａ】ここに述べる革新の１つ以上の観点により直線分極抵抗又は濡れ時間及び塩度から腐食率を計算するための例示的プロセスを示すフローチャートである。
【図５Ｂ】ここに述べる革新の１つ以上の観点により直線分極抵抗又は濡れ時間及び塩度から腐食率を計算するための例示的プロセスを示すフローチャートである。
【図６】ここに述べる革新の１つ以上の観点によりラップジョイント例に対してターフェル定数を校正するのに使用されるターフェル曲線の規範的プロットである。
【図７Ａ】ここに述べる革新の１つ以上の観点により直線分極抵抗の測定値から変換された腐食率対時間の規範的プロットである。
【図７Ｂ】ここに述べる革新の１つ以上の観点により直線分極抵抗の測定値から変換された腐食率対時間の規範的プロットである。
【図７Ｃ】ここに述べる革新の１つ以上の観点により直線分極抵抗の測定値から変換された腐食率対時間の規範的プロットである。
【図８】ここに述べる革新の１つ以上の観点により直線分極測定値対時間から計算された全質量ロス及び洗浄後に測定された質量ロスの誤差バーとしての腐食の規範的プロットである。
【図９】ここに述べる革新の１つ以上の観点によりセンサ装置を使用して測定質量ロスと推定質量ロスを比較した規範的プロットである。
【図１０】ここに述べる革新の１つ以上の観点により４つの異なる温度条件に対して２つの櫛型電極間で測定された測定抵抗対相対的湿度の校正データを示す。
【図１１】ここに述べる革新の１つ以上の観点により２つの櫛型電極間で測定された測定抵抗対塩度の校正データを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
添付図面に実施例が示された本発明について以下に詳細に説明する。以下の説明で述べる実施形態は、本発明による全ての実施形態を表わすものではない。むしろ、それらは、本発明の革新に関連した幾つかの観点による幾つかの実施例に過ぎない。可能な限り、同じ又は同様の部分を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。
【０００９】
構造体の腐食を直接監視するための直線分極抵抗（ＬＰＲ）センサ装置のシステム及び方法が提供される。ここに述べる幾つかの革新によれば、例えば、センサ装置は、３つの電極を含む。更に別の実施形態では、各電極は、ポリイミドのようなポリマー柔軟性基板ケーブル上に構成され、各電極は、貴金属、例えば、金メッキされた銅、又は環境露出により外面が酸化されない金属系から製造される。種々の規範的実施形態によれば、最初の２つの電極は、約１から約１０ミルの厚み及び約０．１ｍｍから約２０ｍｍの長さで製造される。更に、そのような電極対は、約１０ミル以下の分離距離をもつ櫛型形態で構成される。柔軟基板ケーブル（可撓性ケーブル）は、一対の電極と、監視される構造体との間に多孔性スクリム又はメンブレーンを含む。そのようなスクリムは、更に、櫛型電極と構造体との間に電気的絶縁を与える。第３電極は、最初の２つから約１０ｍｍ以下に配置され、そして電極世構造体との間に導電性転写テープ（例えば、１ミル厚み等）を配置することにより構造体に電気的接触される。可撓性ケーブルは、接着材を使用することにより構造体に取り付けられるか、或いは当接ジョイント又はラップジョイント構成で配置する場合には、ジョイントそれ自体により保持力が与えられる。腐食は、既知の物理的定数から、及び３つの電極を使用して電解溶液と構造体との間で測定される分極抵抗を測定することにより、計算される。更に、濡れ時間及び塩度は、ルックアップテーブルから、及び櫛型電極対間の抵抗を測定して、計算される。
【００１０】
更に、ここに述べる実施形態は、構造体の腐食を監視するためのシステム及び方法について記述する。そのようなシステムは、複数のＬＰＲセンサ、電子的コントローラ、マルチプレクスネットワーク、及びポリイミド可撓性回路担体に取り付けられた電子的コンポーネントを備えている。各ＬＰＲセンサは、作用電極及び基準電極を含む。電子的コントローラは、各ＬＰＲセンサからの測定値を読み取るようにプログラムされる。マルチプレクスネットワークは、コントローラが各ＬＰＲセンサをアドレスしそして電子的コンポーネントがＬＰＲセンサをコントローラとマッチングできるようにする。ポリイミド可撓性回路担体は、不動態化された金属相互接続部及びボンドパッドを備え、これには、ＬＰＲセンサ、電子的コンポーネント、電子的コントローラ、及びマルチプレクスネットワークが取り付けられる。
【００１１】
他の実施形態によれば、センサ装置を準備するシステム及び方法が設けられる。例えば、そのような方法は、互いに実質的に平行な平面内に第１表面及び第２表面を有する導電性材料を設けることを含む。更に、ある実施形態では、第１表面は、第１フィンガを有する第１電極及び第２フィンガを有する第２電極でフォトリソグラフィック的にパターン化され、そしてパターン化された電極は、第１表面と第２表面との間で部分的にエッチングされる。部分的にエッチングされた導電性材料は、第１表面が担体に接触するように担体にマウントされ、そして加熱接合される。第２表面は、第１表面のエッチング部分と整列される第１及び第２電極でパターン化され、そしてそれらパターンは、第１及び第２電極が形成されるまでエッチングされる。
【００１２】
直線分極抵抗
金属と電解溶液との界面で酸化及び還元反応が生じることにより金属が分解するときに金属の腐食が生じる。このプロセスは、電気化学的な半反応、即ち（１）電解液における金属の分解及び電子の放出を伴う陽極（酸化）反応、及び（２）大気中の酸素、Ｏ2、Ｈ2Ｏ、又は酸中のＨ+イオンのような電解種による電子の獲得を伴う陰極（還元）反応により生じる。陽極反応サイトから陰極反応サイトへの電子の流れは、腐食電流を生成する。通常の環境の下では、この電気化学的に生じる電流は、検出範囲以下であるが、外部電位を短時間印加すると、それらの値を正確に測定して、分極曲線を得ることができる。外部電位を印加すると、陽極及び陰極電流が指数関数的に増加し、分極曲線から瞬時腐食率を確認することができる。これらの分極曲線をそれらの直線領域へ外挿することで腐食電流が与えられ、これを使用して腐食率が計算される。
【００１３】
直線分極抵抗（ＬＰＲ）の電気化学的技術を使用して腐食プロセスが研究される。というのは、腐食反応は、金属の表面に生じる電気化学的反応だからである。近代の腐食研究は、ワグナー及びトラウド(Wagner and Traud)により仮定された混合電位理論の概念をベースとするもので、これは、正味腐食反応が、独立して生じる酸化及び還元の和であると述べている。水性媒体の存在中で金属が腐食する場合には、腐食プロセスを次のように書き表すことができる。
2017520007.tif 000003
但し、ｚは、金属の原子当りに失われる電子の数である。この反応は、陽極（酸化）反応
2017520007.tif 000004
及び陰極（還元）反応
2017520007.tif 000005
の結果である。
【００１４】
陽極及び陰極反応は金属表面上の多数のサイトで生じそしてそれらのサイトは位置及び時間に対する動的な統計学的分布で変化すると仮定する。従って、金属表面の腐食中に、陽極サイトでは電子のロスを伴い金属イオンが形成され、そしてそれら電子は、次いで、水の分子により消費されて水素分子を生成する。混合電位理論に基づいて説明される陽極サイトと陰極サイトとの相互作用は、電流（反応率）及び電位（駆動力）を使用して良く知られた関係により表わされる。前記一対の電気化学反応（陽極式２及び陰極式３）に対して、印加電流Ｉaと印加電位Ｅaとの間の関係は、バトラー・ボルマー(Butler-Volmer)式に従う。
2017520007.tif 000006
但し、βa及びβcは、各々、陽極及び陰極ターフェル形態における分極曲線∂Ｅa／∂log10Ｉaの勾配により与えられる陽極及び陰極ターフェルパラメータであり、そしてＥcorrは、腐食又は開路電位である。
【００１５】
腐食電流Ｉcorrは、直接測定することができない。しかしながら、βa及びβcの先験的知識を、分極抵抗として知られた小信号分析技術と共に使用して、Ｉcorrを間接的に計算することができる。直線分極とも称される分極抵抗技術は、ＥaがＥcorr±１０ｍＶ変動されたときにＩaの小信号変化を推定する実験的電気化学的技術である。この範囲にわたって生じる曲線の勾配は、分極抵抗
2017520007.tif 000007
である。
【００１６】
ＡＳＴＭ規格Ｇ５９は、分極抵抗を測定するための手順を概説している。動電位、電位ステップ、及び電流ステップ方法を使用して、Ｒpを計算することができる。動電位スイープ方法は、Ｒpを測定するための最も一般的な方法である。動電位スイープは、典型的に０．１２５ｍＶ／ｓの低いスキャン率でＥcorr±１０ｍＶ間のＥaを印加することにより行われる。それにより生じるＥa対Ｉa曲線の直線適合を使用してＲpが計算される。
【００１７】
印加電流Ｉaは、合計印加電流であって、電極面積で乗算されず、従って、式（５）で定義されるＲpは、Ωの単位を有することに注意されたい。｜Ｅa−Ｅcorr｜／βa≦０．１及び｜Ｅa−Ｅcorr｜／βc≦０．１とすれば、第１次テイラー級数展開
exp(x) ≒ 1 + x
を式４及び式５に適用すると、次のようになる。
2017520007.tif 000008
但し、Ｂ＝βaβc／（２．３０３(βa＋βc)）は、比例定数である。それ故、Ｒp、βa及びβcが分かると、任意の瞬間にＩcorrを直接決定することができる。腐食による質量ロスＭloss（グラム）は、ファラディ定数Ｆ、酸化反応中に金属の原子当たりに失われる電子の数ｚ、原子量ＡＷ、及びサンプル周期Ｔと共にＩcorrから計算される。
2017520007.tif 000009
【００１８】
ＡＳＴＭ規格Ｇ５９は、ターフェル勾配βa及びβcを測定するための手順を概説している。先ず、Ｅcorrが開路電位から測定される。次いで、ＥaがＥcorr−２５０ｍＶに初期化される。次いで、典型的に０．１２５ｍＶ／ｓの低速スキャン率でＥaをＥcorr−２５０ｍＶからＥcorr＋２５０ｍＶへ増加することにより動電位スイープが行われる。次いで、Ｅa対log10Iaに対してターフェル曲線がプロットされる。βa及びβcの値は、直線外挿された陽極及び陰極電流の勾配から推定される。
【００１９】
ここに述べる幾つかの実施形態は、構造体それ自体の腐食ではなくセンサに対してローカルな構造体と同じ材料の腐食率のみを測定することにより２つの電極間で腐食を間接的に測定するのではなく、電極構造体に電解腐食を導入せずに３電極装置を使用して構造体の腐食を直接監視する。その１つの利点は、測定される腐食量又は質量ロスが電極の厚みにより制限されず、それ故、例えば、１ないし２０ミルの厚みを有する前記電極は、数ミリメータ以上の腐食質量ロスを測定することができる。付加的な利点は、センサが不活性金属で製造されるので、濡れ時間及び塩度を一対の櫛型電極にわたって独立して測定できることである。
【００２０】
電極
図１は、本発明の１つ以上の観点によるマイクロ直線分極抵抗可撓性センサの概略図である。図１は、腐食による構造体の劣化を直接監視するのに有用な、可撓性ケーブル回路１０に配置されたマイクロ製造のセンサ装置を示す。この装置は、３つの電極１６、１８及び２０を備えている。各電極は、貴金属、典型的に、金メッキされた銅より成る可撓性回路上に製造される。作用電力１６は、反対電極及び基準電極から１０ｍｍ以下に配置される。基準電極１８及び反対電極２０は、１ないし１０ミルの厚み及び０．１ないし２０ｍｍの長さで製造される。これらの電極は、１０ミル以下の分離距離で櫛型形態に構成される。基準、反対及び作用電極は、ジャンパ１４の使用により再構成される。
【００２１】
可撓性ケーブルの取り付け
図２は、ここに述べる革新の１つ以上の観点により構造体に取り付けられる例示的なマイクロ直線分極抵抗可撓性センサの概略図である。図２のμＬＰＲ可撓性センサ１０は、作用電極１６と構造体２６との間に〜１ミル厚みの導電性転写テープ２２を配置することにより構造体に電気的接触する。作用電極との間に導電性接触をなす他の方法は、受け容れられるオーミック接触が得られ且つプロセスが可撓性ケーブルに影響を及ぼさない限り導電性エポキシ又は半田を使用することである。μＬＰＲ可撓性センサ１０は、基準電極１８及び反対電極２０の両方と構造体２６との間に絶縁／多孔性スクリム材料２４を含む。μＬＰＲ可撓性センサ１０は、接着材の使用を通して構造体２６に取り付けられるか、或いは当接ジョイント又はラップジョイント構成で配置する場合には、ジョイントそれ自体により保持力が与えられる。
【００２２】
アナログ計装
図３は、ここに述べる革新の１つ以上の観点によるセンサ装置に使用される計装増幅回路の回路図である。図３は、電子的計装２８の回路図である。印加電位信号は、マイクロプロセッサ３０により発生され、そしてデジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）３２を使用してアナログ信号に変換される。電圧ホロワ増幅器３４は、バーチャル接地に対して反対電極２０にまたがる印加電位をセットするのに使用される。スイッチ４０は、印加電圧をディスエイブルするのに使用される。シングルプル・ダブルスロースイッチ３６は、どの電極間で基準電位を測定するか決定するのに使用される。スイッチ３６が通常閉じているとき、基準電位は、反対電極２０と作用電極１６との間で測定される。スイッチ３６が別の状態にあるとき、基準電位は、基準電極１８と作用電極１６との間で測定される。両方の場合に、基準電位は、差動増幅器３８を使用して測定される。更に、印加電流は、マイクロプロセッサ３０により構成できる選択可能な利得４４をもつトランスレジスタンス増幅器４２を使用して測定される。それにより得られる基準電位及び印加電流測定値は、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）４６によりデジタル化され、そしてマイクロコントローラ３０により読み取られる。スイッチ３６がデフォールト位置（常閉）にあるとき、マイクロコントローラ３０は、構造体２６に対して直線分極抵抗を計算する。或いは又、スイッチ３６が別の位置にあるとき、マイクロコントローラ３０は、センサ１０の反対電極２０及び作用電極１６に対して直線分極抵抗を計算する。図３に示されたマイクロコントローラ３０の特定例は、ＴＩ  ＭＳＰ−４３０であるが、一般的なマイクロコントローラユニットも、ここに述べる機能を果たす。
【００２３】
埋設ハードウェア
図４Ａ及び４Ｂは、ここに述べる革新の１つ以上の観点により埋設ハードウェアに接続された例示的可撓性回路装置のブロック図である。図４Ａは、埋設ハードウェアシステム４８の図である。マイクロコントローラ４０は、上述したデータ収集及びデータ処理、データ伝送、及びデータ記憶を整合する。例えば、マイクロコントローラ（例えば、ＴＩ  ＭＳＰ−４３０等）は、μＬＰＲ可撓性センサ１０のアレイに質問し、そして計装回路２８を通して読みを収集する。ある実施形態では、マイクロコントローラは、１組のマルチプレクス型スイッチ５０を通してどのセンサがアクティブであるかチャンネル選択により決定する。マイクロコントローラ４０は、印加電流及び基準電位から抵抗を計算し、そしてそれにより得られる値をメモリ５２に記憶する。図４Ｂに示す特定の実施形態では、マイクロコントローラ４０は、印加電流及び基準電位から抵抗を計算し、そしてそれにより得られる値を内部フラッシュメモリ５２に記憶する。図４Ａ及び図４Ｂの両方を参照すれば、センサデータは、外部データバス５４を通してダウンロードされ又は取得されるか、或いはワイヤレスモジュール５６を使用してアンテナ５８を経てデータを送信する。電源６０は、内部バッテリ、充電型バッテリ（リチウム−イオンのような）、及び／又はエネルギーハーベスティングエレメントを含む外部電源からの電力より成る。
【００２４】
信号測定
図５Ａは、ここに述べる革新の１つ以上の観点により直線分極抵抗又は濡れ時間及び塩度から腐食率を計算するための例示的フローチャートである。計装増幅器から分極抵抗を測定するプロセスが図５Ａの例示的フローチャートに示されている。先ず、シングルプル・ダブルスロースイッチ３６は、ＬＰＲを、構造体２６に対して又はＬＰＲセンサ１０の反対電極２０と作用電極１６との間で測定するように構成される（ステップ６３）。開路電位は、印加電圧がディスエイブルされたときに基準電位として測定される（ステップ６４）。電流増幅器の利得は、最初、高にセットされる（ステップ６５）。次いで、印加電位がイネーブルされ、開路電位より低いＸボルトでスタートして限定時間巾の固定増分ステップでセットされる（ステップ６６）。ある実施形態によれば、各ステップ間の時間量は、５ｍｓないし１００ｍｓの範囲であり、使用される増幅回路及び電極構成に基づいてこの範囲に必ずしも限定されない。このステップが適用されると、それにより生じる信号から印加電流が測定されると共に、基準電極と作用電極との間で基準電位が測定される（ステップ６７）。両波形から複数のサンプルが取得され、そしてノイズを減少するために一緒に平均化される（ステップ６８）。次いで、測定された印加電流は、クリッピングに対して評価される（ステップ６９）。この例示的実施形態によれば、印加電流が増幅器の上の範囲又は下の範囲の５％以内である場合には、電流利得が下げられそして測定が繰り返される（ステップ７０）。さもなければ、印加電位は、Ｘボルトより低く開路電位より高いかどうか決定するために評価される（ステップ７１）。もしそうであれば、印加電位は、Ｙボルト増加され、ここで、例えば、Ｘ／１０＜Ｙ＜Ｘ／５であり、印加電流及び基準電位の別の測定がなされる（ステップ７２）。さもなければ、スキャンが完了し、印加電位がディスエイブルされる（ステップ７３）。記録された印加電流及び基準電位測定値／データポイント対のポイントが全て検証される。不規則性（例えば、増幅器でクリップされた）を示すエラーデータポイントが省略される（ステップ７４）。次いで、直線適合を遂行するために有効データポイントの数が少なくとも３であることを確保するためのチェックがなされる（ステップ７５）。もしそうであれば、検証された基準電位対印加電流データポイントの直線適合を遂行することにより分極抵抗が決定される（ステップ７６）。さもなければ、分極抵抗がＮ／Ａとして報告される（ステップ７７）。両方のケースにおいて、得られた分極抵抗値は、内部メモリに記憶される（ステップ７８）。最終的に、スイッチ４０を使用する電極構成に基づいて、記憶された定数から腐食率及び全腐食又は濡れ時間及び塩度が計算される（ステップ７９）。
【００２５】
図５Ｂは、ここに述べる革新の１つ以上の観点により直線分極抵抗又は濡れ時間及び塩度から腐食率を計算するための別の例示的フローチャートである。計装増幅器から分極抵抗を測定するプロセスが図５Ｂの例示的フローチャートに示されている。先ず、シングルプル・ダブルスロースイッチ３６は、ＬＰＲを、構造体２６に対して又はＬＰＲセンサ１０の反対電極２０と作用電極１６との間で測定するように構成される（ステップ６３）。開路電位は、印加電圧がディスエイブルされたときに基準電位として測定される（ステップ６４）。電流増幅器の利得は、最初、高にセットされる（ステップ６５）。次いで、印加電位がイネーブルされ、開路電位より低い１０ｍＶでスタートして限定時間巾の固定増分ステップでセットされる（ステップ５６６）。各ステップ間の時間量は、５ｍｓないし１００ｍｓのどこかにセットされる。このステップが適用されると、それにより生じる信号から印加電流が測定されると共に、基準電極と作用電極との間で基準電位が測定される（ステップ６７）。両波形から複数のサンプルが取得され、そしてノイズを減少するために一緒に平均化される（ステップ６８）。次いで、測定された印加電流は、クリッピングに対して評価される（ステップ６９）。この例示的実施形態によれば、印加電流が増幅器の上の範囲又は下の範囲の５％以内である場合には、電流利得が下げられそして測定が繰り返される（ステップ７０）。さもなければ、印加電位は、１０ｍＶより低く開路電位より高いかどうか決定するために評価される（ステップ５７１）。もしそうであれば、印加電位は、１−２ｍＶ増加され、印加電流及び基準電位の別の測定がなされる（ステップ５７２）。さもなければ、スキャンが完了し、印加電位がディスエイブルされる（ステップ７３）。記録された印加電流及び基準電位測定値／データポイント対のポイントが全て検証される。不規則性（例えば、増幅器でクリップされた）を示すエラーデータポイントが省略される（ステップ７４）。次いで、直線適合を遂行するために有効データポイントの数が少なくとも３であることを確保するためのチェックがなされる（ステップ７５）。もしそうであれば、検証された基準電位対印加電流データポイントの直線適合を遂行することにより分極抵抗が決定される（ステップ７６）。さもなければ、分極抵抗がＮ／Ａとして報告される（ステップ７７）。両方のケースにおいて、得られた分極抵抗値は、内部メモリに記憶される（ステップ７８）。最終的に、スイッチ４０を使用する電極構成に基づいて、記憶された定数から腐食率及び全腐食又は濡れ時間及び塩度が計算される（ステップ７９）。
【００２６】
例１：ラップジョイントを使用する腐食率の検証
サンプルをある長さにカットし、サンプルの両面の縁に接近してステンシルスタンプで独特のマークを付けた。次いで、アルカリ洗浄剤ＴＵＲＣＯ４２１５ＮＣ−ＬＴ−５０ｇ／Ｌを６５℃で３５分間使用して、サンプルを洗浄した。その後に、サンプルをタイプIV試薬グレードの脱イオン水ですすぎ、そして２０％（ｖ／ｖ）硝酸溶液に１５分間浸漬した。次いで、サンプルを脱イオン水で再びすすぎ、空気乾燥した。重量を最も近い第５有効数字まで記録し、そしてサンプルをデシケータに保管した。マッシングの後、サンプルをラップジョイント構成で組み立て、そして２ミルのエポキシ系プライマー及び２ミルのポリウレタンで被覆した。
【００２７】
腐食のない制御サンプルを、腐食したサンプルと同じ洗浄プロセスを受ける前及び後に計量して、洗浄手順から生じる金属ロスの程度を決定した。腐食したサンプルをナイロンの剛毛で軽くブラッシングした。次いで、腐食したサンプルをＴＵＲＣＯ４２１５ＮＣ−ＬＴ−５０ｇ／Ｌの溶液に６５℃で１時間入れた。その後に、ＡＳＴＭ  Ｇ１、即ち腐食テスト試料を準備し、洗浄しそして評価する標準的慣例に従い、５０ｍＬの８５％（ｖ／ｖ）燐酸、２０ｇの三酸化クロム、及び１０００ｍＬにするための試薬水の溶液に９０℃で１０分間サンプルを入れた。次いで、２０％（ｖ／ｖ）の硝酸に２０℃で５分間サンプルを入れた。サンプルを、先ず、脱イオン水ですすぎ、次いで、エタノールですすいだ。すすぎに続いて、サンプルを空気乾燥し、デシケータに保管した。
【００２８】
変更型Ｂ１１７塩水噴霧テスト、特に、ＡＳＴＭ  Ｇ８５−Ａテストを実行するサイクリック腐食チャンバーで腐食テストを遂行した。このテストは、２つの１時間ステップより成るものであった。第１ステップは、サンプルを塩水噴霧に２５℃で１時間露出させるものであった。噴霧を構成する電解溶液は、０．０５％の塩化ナトリウム及び０．３５％の硫酸アンモニウムを脱イオン水に含むものであった。このステップの後に乾燥ステップがあり、内部環境を３５℃へ加熱しながらチャンバーから噴霧をパージした。チャンバーの隔壁に延長ケーブルを通すことで密封チャンバーの外部に位置するＡＮ１１０に可撓性センサのための電気的接続を行った。温度、相対湿度及びＬＰＲデータを１分間隔で取得した。第１サイクルの間に、ＡＳＴＭ規格Ｇ５９に従いポテンショスタット（ガムリ・リファレンス６００）を使用してターフェル係数を取得した。図６は、ここに述べる革新の１つ以上の観点によりラップジョイント例に対するターフェル定数を校正するのに使用されるターフェル曲線の規範的なプロットである。係数は、図６に示すＥa対ｌｏｇ10Ｉaプロットから外挿された。
【００２９】
この実験の結論において、ラップジョイントを環境チャンバーから除去し、そして分解した。分解に続いて、アルミニウムパネル上のポリウレタン及びエポキシ被覆を、メチルエチルケトンを含む溶液中にそれらを入れることにより除去した。３０分の浸漬の後に、パネルを除去し、そして脱イオン水ですすいだ。これらパネルは、６５℃での５０ｇ／ｌのＴｕｒｃｏ４２１５ＮＣ−ＬＴの常時攪拌溶液への３５分間浸漬で再びアルカリ洗浄した。これに続いて、脱イオン水ですすぎ、そして４００ｇ／ｌの三酸化クロムを含む８５％燐酸の９０℃溶液に１０分間浸漬した。燐酸処置に続いて、パネルを脱イオン水ですすぎ、２５℃の２０％硝酸溶液に５分間入れた。次いで、プレートを脱イオン水ですすぎ、エタノールに浸漬し、そしてヒートガンで乾燥した。この洗浄プロセスを、パネルの質量値が安定化するまで繰り返した。図７Ａ、Ｂ、Ｃは、ここに述べる革新の１つ以上の観点により異なる腐食環境を受ける３つの個別の試料における直線分極抵抗測定値から換算された腐食率対時間の規範的プロットである。腐食率は、図６に示す材料特性及びターフェル定数を使用して直線分極抵抗から計算された。
【００３０】
図８は、ここに述べる革新の１つ以上の観点により直線分極測定値対時間から計算された全質量ロス及び洗浄後に測定された質量ロスの誤差バーとしての腐食の規範的プロットである。腐食率は、図８に示す質量ロスの尺度対時間として全腐食に換算された。
【００３１】
図９は、ここに述べる革新の１つ以上の観点によりセンサ装置を使用して測定質量ロスと推定質量ロスを比較した規範的なプロットである。前記値は、次いで、図９に示すように、腐食プロセスの前及び後にクーポンを計量することにより慣習的な質量ロス測定を通して測定された値と比較された。その結果は、センサから推定された腐食がクーポンから測定された実際の腐食の実験的エラーに一致することを示している。
【００３２】
例２：濡れ時間測定値の検証
図１０は、ここに述べる革新の１つ以上の観点により４つの異なる温度条件に対して２つの櫛型電極間で測定された測定抵抗対相対的湿度の規範的な校正データを示す。定義によれば、濡れ時間とは、相対的湿度が少なくとも８０％であるときに経過する時間量である。図１０は、４つの異なる温度条件に対して相対的湿度の異なる値について反対電極と基準電極との間で測定される抵抗値間の関係を示す。校正された環境温度／湿度チャンバー（ＴｅｓｔＥｑｕｉｔｙ  １２３Ｈ）を使用してデータを収集した。濡れ時間は、相対湿度が少なくとも８０％であるポイントに対応する抵抗のスレッシュホールド値をセットすることにより決定される。次いで、濡れ時間は、抵抗がスレッシュホールドより低いと記録された時間量として計算される。校正データによれば、スレッシュホールドは、温度に基づき７ＭΩないし９ＭΩで変化する。温度変化が小さく、例えば、２０℃ないし３０℃である場合には、抵抗スレッシュホールドを８０％湿度（±４％）に対応する８．５ＭΩ（±４％）にセットすることができる。温度変化が大きく、例えば、２０℃ないし５０℃である場合には、抵抗スレッシュホールドを８０％湿度（±７％）に対応する８ＭΩ（±１５％）にセットすることができる。現場で適用する場合には、このエラーを受け容れることができる。というのは、ほとんどの場合に、装置の電極間に水が存在するときには相対湿度が１００％又は飽和に近いからである。
【００３３】
例３：塩度測定値の検証
図１１は、ここに述べる革新の１つ以上の観点により２つの櫛型電極間で測定された測定抵抗対塩度の校正データを示す。定義によれば、塩度は、１リットル（又は１キログラム）の水に溶解した塩の量（グラム）の比として測定される。又、単位は、パーツ・パー・サウザンドで表すこともできる。図１１は、５００ｍＬの蒸留水を入れた攪拌棒をもつビーカーに８個の個別のセンサを配置した実験からの校正データを示す。化学天秤を使用して塩化ナトリウムＦｃｃ／ｕｓｐグレード９９．８％を計量し、そしてビーカーに増分量で追加した。櫛型電極間で測定された平均抵抗を標準偏差と共に計算し、そして図１１に抵抗対塩度として対数座標にプロットした。抵抗対塩度対数の直線適合から実験的関係を導出した。この関係を使用して、抵抗の尺度から塩度を推論することができる。
【００３４】
他の観点
文脈上明らかに他のことが要求されない限り、この説明全体にわたり且つそのどこかに現われる「備え(comprise)」、「備えている(comprising)」等の語は、排他的又は徹底的な意味ではなく、包括的な意味として解釈されるべきであり、即ち「含むが、それに限定されない」という意味である。又、単数又は複数を使用する語は、各々、複数又は単数も含む。更に、「ここでは」「以降」「上」「下」という語、及び同様の意味をもつ語は、本出願全体を指すもので、本出願の特定の部分を指すものではない。２つ以上のアイテムのリストを指して「又は(or)」という語が使用されるとき、その語は、次の全ての解釈、即ちリスト内のいずれかのアイテム、リスト内の全てのアイテム、及びリスト内のアイテムの任意の組合せ、を網羅している。
【００３５】
以上、本発明の現在好ましいと考えられる幾つかの実施形態を特に説明したが、本発明に関与した当業者であれば、ここに示して説明した種々の実施形態の変更や修正が、本発明の精神及び範囲から逸脱せずになされ得ることが明らかであろう。従って、本発明は、法律の適用規定により要求される程度に限定されるだけとする。
【符号の説明】
【００３６】
１０：可撓性ケーブル回路（μＬＰＲ可撓性センサ）
１４：ジャンパ
１６：作用電極
１８：基準電極
２０：反対電極
２２：導電性転写テープ
２４：絶縁／多孔性スクリム材料
２６：構造体
２８：電子的計装
３０：マイクロプロセッサ
３２：デジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）
３４：電圧ホロワ増幅器
３６、４０：スイッチ
４０：マイクロコントローラ
４２：トランスレジスタンス増幅器
４４：選択可能な利得
４６：アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）
４８：埋設ハードウェアシステム
５２：メモリ
５４：データバス
５６：ワイヤレスモジュール
５８：アンテナ
６０：電源
【図１】
2017520007.tif 000010
【図２】
2017520007.tif 000011
【図３】
2017520007.tif 000012
【図４Ａ】
2017520007.tif 000013
【図４Ｂ】
2017520007.tif 000014
【図５Ａ】
2017520007.tif 000015
【図５Ｂ】
2017520007.tif 000016
【図６】
2017520007.tif 000017
【図７Ａ】
2017520007.tif 000018
【図７Ｂ】
2017520007.tif 000019
【図７Ｃ】
2017520007.tif 000020
【図８】
2017520007.tif 000021
【図９】
2017520007.tif 000022
【図１０】
2017520007.tif 000023
【図１１】
2017520007.tif 000024
【国際調査報告】
2017520007.tif 000025
2017520007.tif 000026
2017520007.tif 000027