ITMI20130484A1 - Dispositivo elettronico integrato per il monitoraggio di umidita' e/o acidita'/basicita' ambientali e/o corrosione - Google Patents

Description

“Dispositivo elettronico integrato per il monitoraggio di umidità e/o acidità/basicità ambientali e/o corrosioneâ€

DESCRIZIONE

SFONDO TECNOLOGICO DELL’INVENZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione si riferisce a dispositivi elettronici integrati per la rilevazione di uno o più parametri correlati a presenza d’acqua, umidità, acidità/basicità di un ambiente circostante il dispositivo. Sono altresì compresi nell’invenzione un sistema di monitoraggio ed un metodo di rilevazione di tali parametri, sistema e metodo che impiegano il summenzionato dispositivo.

Descrizione dell’arte nota

Nell’ambito del monitoraggio di un ambiente intorno ad un dato punto di monitoraggio, à ̈ molto importante tener conto di parametri quali umidità e acidità/basicità. Se nell’ambiente da monitorare vi sono strutture o parti di struttura in metallo, à ̈ anche importante effettuare una valutazione dello stato di corrosione di tali parti metalliche.

Si consideri come esempio applicativo significativo a fini illustrativi, quantunque non limitante, il monitoraggio di strutture solide, quali strutture portanti di ponti, o anche di palazzi, gallerie, ferrovie, dighe, argini, strutture sotterranee di metropolitane urbane, e così via. Si considerino in particolare strutture in materiale edilizio, ad esempio cemento armato, costituito di calcestruzzo rinforzato da barre metalliche.

In questo ambito, sono noti dispositivi e sistemi di monitoraggio di diversi parametri, correlati a forze o temperatura. Ad esempio, la domanda di brevetto internazionale WO 2012/084295, della Richiedente, descrive un dispositivo per il monitoraggio, all’interno di una struttura solida, di uno sforzo meccanico e/o pressione e/o temperatura, comprendente un modulo integrato di rivelazione, nel quale sono realizzati almeno un sensore integrato e la relativa circuiteria, nonché mezzi elettromagnetici per la comunicazione da e verso l’esterno. In WO 2012/084295, il modulo integrato di rivelazione comprende uno strato passivante che riveste completamente il sensore integrato e la relativa circuiteria, per garantire robustezza e lunga vita operativa; ciò impedisce tuttavia a tali dispositivi di rilevare umidità e/o acidità/basicità.

L’importanza di rilevare parametri quali umidità e/o acidità/basicità à ̈ decisiva, nell’ottica di un monitoraggio significativo ed affidabile.

Progettisti e manutentori di strutture necessitano di valutare l’evoluzione del degrado dovuto a presenza di acqua e/o umidità. Sono infatti numerosi i fenomeni che possono causare tale degrado.

Per quanto riguarda il calcestruzzo, esso à ̈ un materiale lapideo artificiale composto con aggregati lapidei di diverse dimensioni, detti inerti, uniti dal cemento, legante idraulico la cui attivazione avviene grazie alle reazioni chimiche con l’acqua. Gli inerti hanno dimensioni variabili da pochi decimi di millimetro sino ad alcune decine di millimetri. I granuli di cemento hanno dimensione variabile da 1 a 50 µm, e vanno a riempire gli spazi presenti tra gli inerti, determinando un impasto solidificato, nel complesso poroso e permeabile. Il calcestruzzo può presentare diversi gradi di porosità e permeabilità, dipendenti dalla sua composizione e dalla dimensione di inerti e granuli di cemento, ma un certo livello di porosità e permeabilità à ̈ comunque riscontrabile.

A causa di ciò, umidità e/o altri agenti atmosferici e/o acqua (che può contenere a sua volta diversi composti chimici in soluzione) penetrano nel calcestruzzo e possono determinare diversi fenomeni chimico/fisici, tali da degradare sia il calcestruzzo, sia il metallo delle barre (cioà ̈ i ferri di armatura) presenti nel cemento armato. Tra le principali cause di degrado si possono citare le seguenti.

La carbonatazione à ̈ dovuta alla penetrazione di umidità, di ossigeno O2e di anidride carbonica CO2nel cemento. Tale fenomeno non comporta diminuzioni di resistenza nel calcestruzzo ma à ̈ molto pericoloso per i ferri d’armatura. Normalmente, nel calcestruzzo, grazie alla calce che si forma per idratazione del cemento, il pH risulta fortemente basico (12-14) e i ferri vengono così passivati e protetti da tale ambiente alcalino tramite la formazione di una pellicola passivante di ossido di ferro, aderente ai ferri e impermeabile, che impedisce un’ulteriore ossidazione. Quando però lo strato più esterno della struttura in calcestruzzo, detto in gergo copri-ferro, viene penetrato dalla CO2, la calce viene neutralizzata con formazione di carbonato di calcio che diminuisce il pH, determinando un ambiente sempre più acido, ed iniziando la corrosione del ferro quando il pH ha un valore pari a circa 8 o 7. Inoltre, la ruggine che si forma con l’ossidazione dei ferri crea un aumento di volume che determina una trazione sul calcestruzzo, la quale può fessurare e persino provocare il distacco dello strato copri-ferro a causa del carico tensionale; i ferri affioranti sono quindi esposti ad una corrosione veloce che può provocare il deterioramento rapido della struttura e comprometterne la stabilità.

L’attacco solfatico avviene quando l’acqua infiltrata comprende solfati, che reagiscono con idrati, alluminati e silicati di calcio del cemento, formando gesso, ettringite e thaumasite, provocando così nel calcestruzzo rigonfiamenti, fessurazioni e distacchi, o uno spappolamento del conglomerato.

L’attacco da cloruri à ̈ dovuto allo ione cloro, presente ad esempio in acqua di mare. I cloruri determinano sui ferri d’armatura una azione corrosiva, che rimuove la summenzionata pellicola di ossido di ferro passivante ed innesca un’ulteriore ossidazione rapida. Il cloruro di sodio, inoltre, può provocare una reazione alcali-aggregato in presenza di silice amorfa, con formazione di un silicato alcalino che rigonfia in ambiente umido, dando luogo a fessurazioni dirompenti. Il sale, cloruro di sodio, à ̈ quindi in grado di danneggiare sia i ferri d’armatura, sia il calcestruzzo contenente aggregati reattivi quali silici amorfe. Un analogo degrado à ̈ provocato dal cloruro di calcio, che causa la corrosione dei ferri di armatura e può inoltre reagire con l’idrato di calcio del calcestruzzo, producendo l’ossicloruro di calcio idrato, con un conseguente effetto dirompente dovuto ad aumento di volume.

I cicli gelo/disgelo, dovuti alla infiltrazione della sola acqua, costituiscono una causa fisica di degrado, dovuta alla formazione di ghiaccio, con conseguente aumento di volume (circa 9%), che causa ripetute pressioni, le quali possono provocare fessurazioni e sgretolamenti nel calcestruzzo.

Da quanto sopra illustrato, risulta evidente la stringente esigenza di monitorare accuratamente sia la presenza d’acqua, sia l’umidità, sia il pH, sia lo stato di corrosione dei ferri d’armatura, mediante dispositivi che a loro volta debbono essere il più possibile immuni alle cause di usura presenti all’interno della struttura solida da monitorare.

A fronte di ciò, sono noti sensori di umidità comprendenti un circuito integrato, basati sul principio della variazione di capacità di un condensatore presente all’esterno di uno strato passivante che ricopre il circuito integrato.

Tuttavia, qualora si volessero utilizzare tali sensori noti per il monitoraggio di strutture edilizie, si incontrerebbe il grave inconveniente relativo ad una notevole e rapida degradazione delle prestazioni dei sensori, fino ad una totale inutilizzabilità, a causa della corrosione degli stessi elettrodi metallici del condensatore, posti all’esterno dello strato passivante.

In aggiunta, i summenzionati sensori noti di umidità non sono in grado di rilevare il parametro acidità/basicità, ad esempio in termini di pH, e non possono effettuare valutazioni dirette ed affidabili circa lo stadio di corrosione raggiunto dalle parti metalliche comprese nella struttura da monitorare. Per quanto riguarda il parametro acidità/basicità, sono noti sensori di pH, cioà ̈ del livello di

concentrazione di ioni H in acqua, basati ad esempio su elettrodi di ossido di metallo, nelle quali si misura, attraverso diversi possibili metodi noti, la differenza di potenziale che si crea in corrispondenza di tali elettrodi, ad esempio nel caso dell’ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) si ha una variazione della tensione di soglia. Sono altresì noti sensori di pH basati su strutture aventi un elettrodo inerte rispetto al pH ed un elettrodo reso sensibile al pH, mediante uno strato sensibile al pH (di fatto, condensatori aventi come dielettrico lo strato sensibile al pH, dei quali si misurano le variazioni di capacità, in funzione del pH).

Entrambi i tipi di sensori noti presentano il già citato inconveniente relativo al rapido degrado di prestazioni dovuto alla corrosione della parte metallica del sensore, nel momento in cui esso viene utilizzato all’interno di una struttura da monitorare.

Inoltre, anche in tal caso, i sensori noti per misurare il pH non sono in grado di misurare l’umidità, né di fornire informazioni affidabili circa lo stadio di corrosione raggiunto da parti metalliche comprese nella struttura da monitorare.

Pertanto, le soluzioni di arte nota sopra citate lasciano senza risposta l’esigenza di disporre di sensori che siano in grado di rilevare parametri della massima importanza, quali umidità e/o acidità e/o livello di corrosione, preferibilmente più d’uno, e che nel contempo siano sufficientemente immuni alle cause di degrado citate, tanto da poter essere utilizzati nelle più svariate condizioni operative, ad esempio sepolti in strutture edilizie da monitorare.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di escogitare e mettere a disposizione un dispositivo elettronico integrato, per la rilevazione di almeno un parametro correlato ad umidità e/o presenza d’acqua e/o acidità/basicità di un ambiente circostante il dispositivo stesso, migliorato in modo tale da ovviare almeno parzialmente agli inconvenienti qui sopra descritti con riferimento alla tecnica nota e da rispondere alle esigenze sopra menzionate.

È altresì scopo della presente invenzione quello di escogitare e mettere a disposizione un sistema di monitoraggio di tali parametri ed un metodo di rilevazione di tali parametri, che, impiegando il summenzionato dispositivo, sono in grado a loro volta di soddisfare le esigenze sopra citate.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Tale scopo viene raggiunto da un dispositivo di rilevazione in accordo con la rivendicazione 1.

Ulteriori forme di realizzazione di tale dispositivo sono definite nelle rivendicazioni dipendenti da 2 a 19.

Un sistema di monitoraggio, comprendente un dispositivo di rilevazione secondo l’invenzione, à ̈ definito nella rivendicazione 20.

Un’ulteriore forma di realizzazione del sistema à ̈ definita nella rivendicazione dipendente 21.

Un metodo di rilevazione, impiegante il dispositivo secondo l’invenzione, à ̈ definito nella rivendicazione 22.

Ulteriori forme di realizzazione di tale metodo sono definite nelle rivendicazioni dipendenti 23-24.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del dispositivo elettronico di rilevazione, del sistema e del metodo di rilevazione secondo l’invenzione, risulteranno dalla descrizione di seguito riportata di esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle annesse figure, in cui:

- le figure 1 e 2 illustrano viste in sezione laterale di un dispositivo secondo due diverse forme di realizzazione comprese nell’invenzione;

- le figure 3A e 3B mostrano due possibili configurazioni, viste dall’alto ed in una sezione sottostante uno strato passivante, di elementi conduttivi compresi nel dispositivo dell’invenzione; - le figure 4A e 4B mostrano due possibili configurazioni, viste dall’alto, di mezzi elettrodici compresi nel dispositivo, nel caso in cui gli elementi conduttivi abbiano la configurazione mostrata in figura 3A;

- le figure 5A e 5B mostrano due ulteriori possibili configurazioni, viste dall’alto, di mezzi elettrodici compresi nel dispositivo, secondo due rispettivi ulteriori esempi realizzativi;

- la figura 6 mostra uno schema di un circuito elettromagnetico equivalente al dispositivo di rilevazione secondo le forme realizzative illustrate nelle figure 1 e 2;

- la figura 7 illustra una vista lungo una porzione parziale della sezione laterale A-A del dispositivo della figura 4A, in presenza di calcestruzzo intriso di gocce d’acqua/umidità;

- la figura 8 illustra una vista in sezione laterale di un dispositivo secondo un’ulteriore forma di realizzazione compresa nell’invenzione;

- la figura 9 illustra una configurazione, vista dall’alto, di mezzi elettrodici compresi nel dispositivo della figura 8;

- la figura 10 mostra uno schema di un circuito elettromagnetico equivalente al dispositivo di rilevazione della figura 8;

- la figura 11 illustra una vista in sezione laterale di un dispositivo secondo un’ulteriore forma di realizzazione compresa nell’invenzione;

- la figura 12 mostra uno schema di un circuito elettromagnetico equivalente al dispositivo di rilevazione della figura 11;

- la figura 13 illustra una vista in sezione laterale di un dispositivo secondo un’ulteriore forma di realizzazione, compresa nell’invenzione;

- la figura 14 illustra un sistema di rilevazione, comprendente una pluralità di dispositivi di monitoraggio secondo l’invenzione;

- la figura 15 illustra un esempio applicativo del sistema della figura 14.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Con riferimento alle figure 1-13, viene ora descritto un dispositivo elettronico integrato 1 per la rilevazione di almeno un parametro correlato ad umidità e/o presenza d’acqua e/o acidità/basicità di un ambiente circostante il dispositivo. Tale dispositivo 1 comprende uno strato di separazione 14 con l’ambiente circostante, avente almeno una porzione di materiale isolante 14, e comprende inoltre un primo elemento conduttivo 11 ed un secondo elemento conduttivo 12, di materiale elettricamente conduttivo (ad esempio metallico), posti all’interno dello strato di separazione 14, rispetto all’ambiente circostante, e separati dall’ambiente circostante mediante lo strato di separazione 14.

Il dispositivo 1 comprende poi un modulo di misura 15, avente due terminali di misura 151, 152, elettricamente collegati con il primo 11 ed il secondo elemento conduttivo 12, rispettivamente; il modulo di misura 15 Ã ̈ configurato per fornire una differenza di potenziale elettrico tra il primo 11 ed il secondo elemento conduttivo 12.

Il dispositivo 1 comprende inoltre mezzi elettrodici 13, configurati per operare da elettrodo, posti all’esterno della strato di separazione 14, rispetto al primo 11 ed al secondo elemento conduttivo 12; i mezzi elettrodici 15 sono disposti in modo da determinare, con il primo 11 ed il secondo elemento conduttivo 12, un circuito elettromagnetico 71-73 avente un’impedenza complessiva di circuito elettromagnetico variabile in dipendenza dall’esposizione a condizioni ambientali con un livello variabile di umidità e/o acidità/basicità.

Il modulo di misura 15 à ̈ configurato per misurare l’impedenza complessiva di circuito elettromagnetico, presente tra i terminali di misura 151, 152, e per determinare l’almeno un parametro da rilevare, sulla base dell’impedenza complessiva misurata.

In diverse forme realizzative comprese nell’invenzione, ciascuno dei summenzionati parametri da rilevare à ̈ un livello di umidità, o un livello di acidità/basicità, o un livello di pH, o un’indicazione di presenza di acqua, o un grado di corrosione di una struttura metallica presente entro l’ambiente circostante il dispositivo.

Secondo una forma realizzativa, il dispositivo 1 Ã ̈ in grado di determinare una qualsiasi combinazione o anche tutti i parametri sopra citati.

In differenti possibili applicazioni del dispositivo secondo l’invenzione, l’ambiente circostante il dispositivo può essere un ambiente atmosferico circostante il dispositivo o un ambiente formato da un solido in materiale edilizio circostante il dispositivo.

In accordo con una forma di realizzazione, lo strato di separazione 14 à ̈ uno strato di passivazione ed isolamento galvanico, interamente composto di materiale isolante e passivante, quale ad esempio ossido di silicio, o nitruro di silicio, o carburo di silicio. Secondo una particolare forma realizzativa, lo strato di separazione 14 à ̈ parte di uno strato passivante, impermeabile e protettivo, che circonda il circuito integrato (o chip) 10 che costituisce il dispositivo, unitamente ai mezzi elettrodici 13 (i quali sono l’unica parte di dispositivo al di fuori di tale strato passivante) in modo che il circuito integrato sia interamente sigillato in modo ermetico ed isolato galvanicamente dall’ambiente circostante.

Con riferimento alle figure 1 e 6, vengono ora forniti ulteriori dettagli su una forma realizzativa del dispositivo 1. Si osservi innanzi tutto che, nel dispositivo 1 illustrato in figura 1, i mezzi elettrodici 13 comprendono un terzo elemento conduttivo 13, di materiale elettricamente conduttivo (ad esempio metallico), disposto in modo da formare con il primo elemento conduttivo 11 un primo condensatore C1, avente una rispettiva prima capacità C1, e con il secondo elemento conduttivo 12 un secondo condensatore C2 avente una rispettiva seconda capacità C2. Il terzo elemento conduttivo 13 collega il primo condensatore C1 ed il secondo condensatore C2 attraverso una rispettiva impedenza esterna Z, in modo che il circuito elettromagnetico 71 comprenda la serie di detti primo condensatore C1, impedenza esterna Z e secondo condensatore C2, e che l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico comprenda la serie di dette prima capacità C1, impedenza esterna Z e seconda capacità C2.

Si noti quindi che il circuito elettromagnetico 71, schematizzato in figura 6, à ̈ il circuito equivalente del dispositivo 1 rappresentato in figura 1, e ne illustra il funzionamento. Si osservi inoltre che tale circuito elettromagnetico 71 si sviluppa in parte all’interno del dispositivo 1, rispetto allo strato di separazione 14, ed in parte all’esterno.

Il modulo di misura 15 del dispositivo 1 comprende una sorgente di potenziale elettrico Vin (indicato, rispetto a massa, in figura 6) ed una circuiteria in grado di determinare l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico 71, ad esempio misurando il potenziale Vout (pure indicato, rispetto a massa, in figura 6) in funzione di Vin.

Il modulo di misura 15 può essere configurato per generare tensione elettrica costante o variabile.

Poiché, come verrà illustrato successivamente, l’influenza dei parametri da rilevare si esplica in particolare sulla parte immaginaria dell’impedenza complessiva, che quindi deve essere opportunamente determinata, il modulo di misura 15 à ̈ vantaggiosamente configurato per generare tensione elettrica sinusoidale ad una frequenza predefinita.

In una forma realizzativa alternativa del modulo di misura 15, esso à ̈ configurato per generare segnali a frequenza variabile, secondo cicli controllati, e a determinare l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico attraverso la rilevazione della frequenza di risonanza di tale circuito.

In accordo con una forma realizzativa, il modulo di misura 15 comprende dei circuiti, fra cui anche un eventuale processore, configurati per memorizzare dati di calibrazione iniziale, per operare misurazioni relative ai parametri da rilevare, per memorizzare le misure effettuate, e per valutare i parametri da rilevare sulla base dei dati memorizzati di calibrazione iniziale, delle misurazioni operate e dei dati memorizzati relativi a misurazioni precedenti. Ulteriori dettagli sulle dipendenze dei parametri da rilevare e sulle misurazioni ed elaborazioni operate per determinare tali parametri saranno fornite nel seguito di questa descrizione, quando verrà illustrato il metodo di rilevazione secondo l’invenzione.

Con riferimento ancora alla vista in sezione laterale riportata in figura 1, si noti che il modulo di misura 15, il primo e secondo elemento conduttivo 11, 12 (ed eventualmente ulteriori circuiti) sono integrati in una porzione di circuiteria funzionale 16 del chip 10 del dispositivo elettronico integrato 1, ottenuta su un substrato 17, ad esempio di silicio, dello stesso chip.

Con riferimento al primo ed al secondo elemento conduttivo, nel contesto della forma realizzativa del dispositivo della figura 1, si noti che essi possono presentare diverse configurazioni. Alcuni esempi realizzativi, non limitativi rispetto ad ulteriori possibili conformazioni, sono di seguito descritti.

Secondo un esempio, ciascuno di essi à ̈ formato da una o più piastre metalliche di qualsivoglia forma.

Secondo un altro esempio, illustrato in figura 3A, il primo 11 ed il secondo elemento conduttivo 12 hanno la stessa forma; ciascuno di essi à ̈ formato da segmenti conduttivi (ad esempio, metallici) disposti in forma di doppio pettine. Più in particolare, ciascun elemento conduttivo comprende un insieme di segmenti conduttivi tra loro paralleli 115, ed un ulteriore segmento conduttivo 116 trasversale (ad esempio perpendicolare) ai segmenti paralleli, che li congiunge in corrispondenza di una posizione mediana.

La struttura interdigitata, sopra descritta, Ã ̈ vantaggiosamente adottata nel caso in cui il dispositivo 1 comprenda ulteriori elementi funzionali (ad esempio antenne) che potrebbero determinare correnti spurie, non volute, sugli elementi conduttivi. Tali correnti spurie vengono eliminate, o notevolmente ridotte, grazie alla struttura interdigitata.

La figura 3B illustra un’ulteriore possibile conformazione degli elementi conduttivi 11, 12, che prevede due strisce conduttive 11, 12 sviluppantesi rispettivamente lungo il perimetro di due poligoni simili, l’uno interno all’altro; una delle due strisce corrisponde al primo elemento conduttivo 11, l’altra al secondo elemento conduttivo 12.

Si osservi che, in tutte le forme realizzative sopra illustrate, à ̈ previsto che il primo 11 ed il secondo elemento conduttivo 12 siano separati da materiale isolante interno 18 e posti a distanza tale da non generare capacità parassite attraverso tale materiale isolante interno. Così, vantaggiosamente, il campo elettrico da essi generato, quando ad essi à ̈ applicato un potenziale elettrico, à ̈ sostanzialmente normale rispetto a ciascun elemento conduttivo (cioà ̈ a ciascuna armatura capacitiva), mentre idealmente non si hanno linee di campo elettrico fra le armature corrispondenti al primo ed al secondo elemento conduttivo. Come già sopra notato, tale campo elettrico può essere costante o variabile nel tempo; si preferisce che esso sia variabile.

Si osservi che sia il primo 11 sia il secondo elemento conduttivo 12 sono disposti all’interno dello strato passivante 14, e sono quindi protetti dall’usura derivante da qualsiasi agente esterno.

Con riferimento al terzo elemento conduttivo 13, nel contesto della forma realizzativa del dispositivo della figura 1, si noti che esso può presentare diverse configurazioni. Alcuni esempi realizzativi, non limitativi rispetto ad ulteriori possibili conformazioni, sono di seguito descritti.

Il terzo elemento conduttivo 13 comprende almeno una porzione di materiale elettricamente conduttivo, disposta sullo strato di separazione in modo da formare ad esempio un motivo geometrico comprendente una pluralità di tratti di striscia ed una pluralità di spazi interstiziali compresi tra i tratti di striscia; almeno una prima porzione del motivo geometrico della striscia si trova in corrispondenza del primo elemento conduttivo 11, sovrapposto ad esso e separato da esso dallo strato di separazione 14; almeno una seconda porzione del motivo geometrico della striscia si trova in corrispondenza del secondo elemento conduttivo 12, sovrapposto ad esso e separato da esso dallo strato di separazione 14. Grazie a tali sovrapposizioni parziali del terzo elemento conduttivo 13 sul primo e sul secondo elemento conduttivo 11, 12, e tenendo conto dell’interposto strato di separazione 14, si formano i già citati primo condensatore C1 e secondo condensatore C2, che sono parte dell’impedenza complessiva da misurare. Si noti che tali condensatori presentano una prima armatura interna allo strato di separazione 14 ed una seconda armatura esterna ad esso.

Secondo un esempio realizzativo, rappresentato in figura 4A, il terzo elemento conduttivo 13 comprende una pluralità di segmenti conduttivi 130 tra loro sostanzialmente paralleli. Tali segmenti sono tra loro isolati, vantaggiosamente, in modo da annullare o ridurre eventuali correnti spurie non volute.

In un altro esempio realizzativo, rappresentato in figura 4B, il terzo elemento conduttivo 13 comprende due insiemi di strisce conduttive 131, 132, disposti in una configurazione interdigitata, volta anche in questo caso a minimizzare correnti spurie. Uno degli insiemi di strisce (indicato come 131) à ̈ parzialmente sovrapposto al primo elemento conduttivo 11, l’altro insieme di strisce (indicato come 132) à ̈ parzialmente sovrapposto al secondo elemento conduttivo 12. I due insiemi di strisce 131 e 132 formano un ulteriore condensatore interdigitato in una regione compresa fra le dette porzioni sovrapposte al primo ed al secondo elemento conduttivo 11 e 12.

Si osservi che, nelle figure 4A e 4B, viene illustrato il posizionamento reciproco tra il primo e secondo elemento conduttivo 11, 12, al di sotto dello strato di separazione 14, ed il terzo elemento conduttivo 13, al di sopra dello strato di separazione 14. A fini illustrativi, si suppone che tale strato conduttivo 14 sia trasparente, in modo che il primo ed il secondo elemento conduttivo siano visibili. Perciò, lo strato di separazione 14 non à ̈ visibile nelle figure 4A e 4B, ma si deve ricordare che esso à ̈ presente.

Nelle figure 4A e 4B gli spazi interstiziali sono indicati con il riferimento numerico 160.

In accordo con un ulteriore esempio realizzativo, il terzo elemento conduttivo 13 comprende una striscia conduttiva sviluppantesi lungo una linea spezzata formata da segmenti a due a due paralleli. In particolare, come mostrato in figura 5A, la striscia conduttiva 133 si sviluppa lungo una linea che descrive una spirale che si sovrappone al primo e al secondo elemento conduttivo 11 e 12 di figura 3B.

Secondo un ulteriore variante realizzativa, mostrata in figura 5B, il terzo elemento conduttivo 13 comprende due strisce conduttive 134, 135 sviluppantesi rispettivamente lungo il perimetro di due poligoni simili, l’uno interno all’altro; fra le due strisce conduttive 134, 135 possono essere presenti ulteriori strutture interdigitate 170.

Si osservi che il dispositivo, secondo la forma realizzativa e le varianti precedentemente descritte, à ̈ atto ad operare sepolto in una struttura di materiale solido da monitorare, ed à ̈ configurato per rilevare un livello di umidità e/o acidità/basicità di tale materiale solido, ed inoltre per rilevare un grado di corrosione di strutture metalliche, contenute entro il materiale solido da monitorare.

Secondo un esempio di applicazione significativo, non limitante, la struttura da monitorare à ̈ in cemento armato, il materiale solido da monitorare à ̈ calcestruzzo e le strutture metalliche da monitorare sono barre metalliche, o ferri d’armatura, del cemento armato.

In questo tipo di applicazione, i summenzionati spazi interstiziali 160 del terzo elemento conduttivo 13 sono disposti in modo da essere riempiti dal materiale solido da monitorare, dopo che il dispositivo 1 Ã ̈ stato sepolto e si trova in condizioni operative.

In tal caso, l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico dipende dal livello di umidità e/o dalla presenza d’acqua e/o dal livello di acidità/basicità del materiale solido o del materiale assorbente contenuto negli spazi interstiziali 160 del terzo elemento conduttivo 13. I dettagli di tali dipendenze verranno illustrati nella descrizione del metodo di rilevazione secondo l’invenzione.

Nella figura 7, viene illustrata la presenza di gocce 90 di acqua o umidità, entro gli spazi interstiziali 160 presenti tra le strisce 130 del terzo elemento conduttivo 13. La presenza di acqua e sostanze chimiche estranee, nel materiale edilizio, può ridurre o più in generale può alterare il pH, determinando quei fenomeni di degrado già illustrati nella descrizione dello sfondo tecnologico, ad esempio generando fenomeni corrosivi sulle strisce conduttive (ad esempio metalliche).

Con riferimento ora alle figure 8-10, viene descritta un’ulteriore forma di realizzazione del dispositivo 1, secondo l’invenzione. Tale forma di realizzazione coincide con quella sin qui illustrata (con le diverse varianti) ad eccezione che per il fatto che il primo 11 ed il secondo elemento conduttivo 12 comprendono dei pad metallici di connessione 111, 121, che si aprono nello strato di separazione 14, a contatto con il terzo elemento conduttivo 13.

Quindi, in tal caso l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico (schematizzata nel circuito equivalente 72 della figura 10) comprende l’impedenza esterna di tale terzo elemento conduttivo 13, e non comprende il primo ed il secondo condensatore, illustrati nella precedente forma realizzativa.

Secondo una variante realizzativa, illustrata in figura 9, il terzo elemento conduttivo 13 comprende una striscia conduttiva 136 (ad esempio metallica) sviluppantesi attraverso segmenti che formano una linea continua spezzata, che collega i due pad 111, 121. I segmenti sono mostrati a due a due paralleli, ma naturalmente altre conformazioni sono possibili.

L’impedenza esterna Z del terzo elemento conduttivo 136 comprende in questo caso una parte resistiva, dovuta alla striscia conduttiva continua 136, ed una parte capacitiva, dovuta ad effetti capacitivi che si creano tra i segmenti mutuamente paralleli della striscia, attraverso il materiale deposto negli spazi interstiziali 160.

In tutte le forme realizzative del dispositivo sin qui menzionate, le strisce conduttive 130-136 che formano il terzo elemento conduttivo 13 possono essere, in un esempio realizzativo, delle strisce metalliche ottenute mediante stampaggio “ink-jet†sopra lo strato passivante 14.

Tali strisce metalliche sono preferibilmente dello stesso metallo che costituisce le strutture metalliche interne della struttura da monitorare (ad esempio, ferro, acciaio, o altro) che quindi subisce una corrosione analoga, con buona approssimazione.

Con riferimento ora alle figure 11 e 12, viene descritta un’ulteriore forma di realizzazione del dispositivo 1, secondo l’invenzione. Tale forma di realizzazione coincide con quelle sin qui illustrate (comprese le loro diverse varianti) ad eccezione che per i seguenti aspetti: i mezzi elettrodici 13 comprendono mezzi elettrodici equivalenti 13 formati da acqua e/o umidità (ad esempio, le gocce 90) presente a contatto o in prossimità dello strato di separazione 14, in modo da determinare con il primo elemento conduttivo 11 un primo condensatore equivalente C1, avente una rispettiva prima capacità equivalente C1, e con il secondo elemento conduttivo 12 un secondo condensatore equivalente C2, avente una rispettiva seconda capacità equivalente C2; tali mezzi elettrodici equivalenti operano come impedenza esterna equivalente, avente un rispettivo valore di impedenza esterna equivalente; quindi, il circuito elettromagnetico 73 comprende in questo caso la serie formata da primo condensatore equivalente C1, impedenza esterna equivalente Z e secondo condensatore equivalente C2; l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico 73 comprende la serie di prima capacità equivalente C1, impedenza esterna equivalente Z e seconda capacità equivalente C2.

Si osservi che la forma realizzativa descritta in figura 11 può corrispondere ad uno stato d’uso di un dispositivo secondo le altre forme realizzative, una volta che si sia completata, o abbia superato un certo grado, la corrosione del terzo elemento conduttivo, posto all’esterno dello strato passivante 14. Ebbene, anche in tal caso il dispositivo 1 mantiene una funzionalità utile, fornendo le seguenti informazioni: corrosione molto avanzata dell’elemento metallico esterno, e quindi, presumibilmente, delle strutture metalliche entro la struttura edilizia; presenza eventuale di acqua e pH di tale acqua.

Ciò viene osservato nel momento in cui l’impedenza equivalente misurata dal modulo di misura 15 si riduce da un valore molto elevato, tendenzialmente infinito (che si riscontra in assenza d’acqua ed in condizioni di non funzionalità del terzo elemento conduttivo, severamente corroso), a valori più bassi, determinati dalla presenza di acqua, accumulata in vicinanza dello strato passivante 14, acqua che devia le linee di forza del campo elettrico con le proprie proprietà conduttive, e determina di fatto un collegamento tra le zone sovrapposte al primo ed al secondo elemento conduttivo 11 e 12, formando con essi rispettivi condensatori equivalenti.

Più in particolare, le particelle di acqua 90, per induzione elettrica, modificano le linee di forza del campo elettrico e costituiscono un’armatura equivalente esterna. Si può così misurare la presenza di acqua grazie alla variazione di capacità di tale condensatore equivalente. Analogamente, in caso di presenza di ioni acidi o basici vicino alle armature equivalenti, ioni che alterano la carica elettrica del condensatore equivalente, si utilizza il medesimo principio per misurare la variazione del pH.

Come nelle altre forme realizzative, il modulo di misura 15 Ã ̈ configurato per applicare una tensione elettrica continua o, preferibilmente, variabile.

Se il segnale Vin e’ variabile nel tempo, si può misurare ad esempio la variazione del valore di picco o picco-picco o efficace del segnale in uscita Vout, per determinare la variazione di capacità dell’impedenza equivalente.

In alternativa, se Vin à ̈ variabile, ad esempio sinusoidale, il dispositivo 1 può vantaggiosamente comprendere un circuito risonante LC serie o parallelo (introducendo un’induttanza, non mostrata in figura) in modo da misurare la variazione di un parametro di tale circuito, come ad esempio la frequenza di risonanza, per giungere a determinare la variazione del pH. Infatti la presenza di ioni dovuti al pH altera la carica del condensatore equivalente, e quindi ne altera la capacità.

Con riferimento ora alla figura 2, si descrive un’altra forma di realizzazione del dispositivo 1, secondo l’invenzione. Tale forma di realizzazione coincide con quella mostrata in figura 1 (con le diverse varianti) ad eccezione che per il fatto di comprendere ulteriormente una porzione di materiale assorbente 19, ad esempio dielettrico e/o polimerico, atto ad assorbire umidità e/o acqua dall’ambiente atmosferico circostante, in un modo indicativo dell’umidità e dell’acidità/basicità dell’ambiente atmosferico.

Il materiale assorbente 19 Ã ̈ disposto in modo da riempire gli spazi interstiziali del terzo elemento conduttivo 13, e ricopre il terzo elemento conduttivo 13, contenendolo almeno parzialmente.

Secondo un esempio realizzativo, non raffigurato, il materiale assorbente 19 Ã ̈ disposto a contatto con lo strato di separazione 14 e circonda interamente il terzo elemento conduttivo 13, in modo da formare un ulteriore strato inter-elettrodico, in aggiunta allo strato di separazione passivante 14.

Nella forma realizzativa della figura 2, l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico equivalente dipende dal livello di umidità e/o dalla presenza d’acqua e/o dal livello di acidità/basicità del materiale assorbente 19 contenuto negli spazi interstiziali del terzo elemento conduttivo 13.

In tale forma realizzativa, il dispositivo 1 à ̈ atto ad operare in un ambiente esterno, e l’ambiente circostante da monitorare à ̈ un ambiente atmosferico.

In tal caso, Ã ̈ anche possibile sostituire il materiale assorbente 19 ed il terzo elemento conduttivo 13, essendo essi separati, tramite lo strato di separazione 14, dal primo 11 e dal secondo elemento conduttivo 12.

In accordo con una ulteriore forma realizzativa, illustrata in figura 13, il dispositivo 1 comprende ulteriormente un’antenna integrata 20, operativamente collegata, entro la circuiteria funzionale 16, con il modulo di misura 15, per ricevere dati relativi a misurazioni e rilevazioni effettuate, e trasmetterli in modalità wireless. Inoltre, il dispositivo 1 comprende mezzi elettromagnetici 2 di espansione/ concentrazione elettromagnetica, collegati in modalità wireless all’antenna integrata 20, per ricevere i dati da essa trasmessi e ritrasmetterli in modalità wireless.

Il dispositivo comprende infine un supporto 30, ad esempio di materiale polimerico, su cui sono posizionati (ad esempio incollati) e mantenuti solidali tra loro il dispositivo di rilevazione 1 ed i mezzi elettromagnetici 2.

Il dispositivo di rilevazione 1 della figura 13 presenta strutture simili a quelle mostrate in figura 11 per misurare umidità e acidità/basicità dell’ambiente atmosferico circostante.

Sono comunque possibili forme di implementazione ibride ove tali strutture sono simili a quanto mostrato in figura 1 o 2 o 8, ed in tal senso il supporto 30 può comprendere il terzo elemento conduttivo 13 in modo simile a quanto mostrato in figura 2 con riferimento al materiale assorbente 19.

L’antenna integrata 20 svolge la funzione di trasmettere all’esterno del dispositivo di rilevazione 1, in modalità wireless, i dati misurati, cioà ̈ l’intensità di ciascuna delle variabili elettriche dipendenti da e rappresentative di, rispettivamente, uno dei parametri da rilevare.

L’antenna integrata 20 può inoltre svolgere la funzione di ricevere dall’esterno comandi operativi. Ancora, l’antenna integrata 20 può operare l’ulteriore funzione di ricevere onde a radiofrequenza necessarie per un’alimentazione da remoto del dispositivo di rilevazione 1, senza necessità di batterie o alimentatori in loco.

I mezzi elettromagnetici 2 rispondono alla necessità di permettere una comunicazione tra il dispositivo 1 ed un sistema esterno di controllo e raccolta dati, situato in remoto, ad esempio a distanze di alcuni centimetri o alcuni metri dalla struttura da monitorare e dunque dal dispositivo 1. A tale scopo, i mezzi elettromagnetici 2 svolgono una funzione di espansione e concentrazione elettromagnetica. I mezzi elettromagnetici 2 comprendono almeno due antenne, una prima antenna 21 ed una seconda antenna 22, tra loro collegate.

Nella vista in sezione laterale della figura 13, sono visibili l’antenna integrata 20 e la prima antenna 21 dei mezzi elettromagnetici 2. Nel particolare della figura 14, che mostra una possibile struttura fisica del dispositivo 1, à ̈ visibile anche la seconda antenna 22.

La prima antenna 21 comunica con l’antenna integrata 20 preferibilmente mediante accoppiamento di campo magnetico. La seconda antenna 22 comunica con un’antenna remota, ad esempio del sistema esterno di controllo e raccolta dati, mediante accoppiamento elettromagnetico in campo lontano.

I mezzi elettromagnetici 2 e l’antenna integrata 20 sono di per sé noti. Ulteriori dettagli sul modo con cui possono essere realizzati si trovano ad esempio nella domanda di brevetto internazionale WO 2012/084295, della Richiedente.

Con riferimento alla figura 14, viene ora descritto un sistema di monitoraggio 200 di almeno un parametro correlato ad umidità e/o presenza d’acqua e/o acidità/basicità in una pluralità di punti all’interno di una struttura solida 300. Tale sistema 200 comprende un sottosistema di monitoraggio interno 210 posto all’interno della struttura solida 300; ed un sottosistema esterno di controllo e raccolta dati 220 posto all’esterno e remotamente rispetto alla struttura solida 300.

Il sottosistema di monitoraggio interno 210 comprende una struttura di sostegno 211 passante per i punti da monitorare all’interno della struttura solida 300, e comprende inoltre una pluralità di dispositivi di rilevazione 1, nella forma realizzativa in cui ciascuno di essi comprende un’antenna integrata e mezzi elettromagnetici di concentrazione/espansione. Ciascuno di tale pluralità di dispositivi di rilevazione 1 à ̈ fissato alla struttura di sostegno 211 in una posizione nota e predefinita mediante il rispettivo supporto 30.

Il sottosistema esterno di controllo e raccolta dati 220 comprende un’antenna esterna 221, in grado di comunicare elettromagneticamente con i mezzi elettromagnetici 2 dei dispositivi di rilevazione 1; e comprende inoltre mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati 222, atti a ricevere, memorizzare ed elaborare dati provenienti da una pluralità di dispositivi di rilevazione 1 rappresentativi di parametri da monitorare; tali mezzi 222 comprendono un processore configurato per memorizzare dati di calibrazione iniziale, per operare misurazioni relative ai parametri da rilevare, per memorizzare le misure effettuate e per valutare i parametri da rilevare sulla base dei dati memorizzati di calibrazione iniziale, delle misurazioni operate e dei dati memorizzati relativi a misurazioni precedenti.

Nell’esempio della figura 14, la struttura da monitorare à ̈ un pilastro di cemento armato 300, comprendente tondini di rinforzo in acciaio 301, che possono essere usati da struttura di sostegno 211.

Ulteriori dettagli sul modo con cui può essere realizzato un sistema di monitoraggio 200, avente le caratteristiche sopra indicate, si possono trovare nella domanda di brevetto internazionale WO 2012/084295, della Richiedente.

In una forma di realizzazione (non mostrata), l’antenna esterna 221 e la seconda antenna 22 possono essere assenti ed almeno un dispositivo di rilevazione 1 può essere collegato tramite un cavo all’unità esterna di controllo e raccolta dati 220.

La figura 15 illustra una particolare forma realizzativa del sistema 200, ed un particolare ambito di applicazione. La struttura da monitorare 300 comprende una pluralità di pilastri di sostegno 301 di un ponte, in cemento armato, parzialmente immersi in un corso d’acqua. Il sistema di monitoraggio 200, oltre alle caratteristiche precedentemente descritte, comprende in questo caso anche ulteriori sensori esterni 223, 224 di umidità e/o pH, collegati al processore del sottosistema esterno 220 per comunicare dati relativi ai parametri misurati; ciò consente al processore di operare un’elaborazione più raffinata, che tiene conto dei dati misurati da tali ulteriori sensori esterni.

Ad esempio, il sensore esterno 223 à ̈ un sensore di pH posto entro l’acqua nella quale sono parzialmente immersi i pilastri 300: ciò può fornire importanti informazioni ausiliarie da correlare con le misurazioni di pH effettuate dai sensori entro i pilastri. Analogamente, l’ulteriore sensore esterno 224 à ̈ un sensore di umidità posto in un ambiente atmosferico adiacente a quello in cui si trovano i pilastri: ciò può fornire importanti informazioni ausiliarie da correlare con le misurazioni di umidità effettuate dai sensori entro i pilastri.

Nel seguito, verrà descritto un metodo per la rilevazione di almeno un parametro correlato ad umidità e/o presenza di acqua e/o acidità/basicità di un ambiente, metodo attuato per mezzo di dispositivi di rilevazione come quelli precedentemente descritti.

Secondo una forma realizzativa, tale metodo comprende le seguenti fasi:

a) prevedere un dispositivo elettronico integrato di rilevazione 1 comprendente: uno strato di separazione 14 con un ambiente circostante, formato almeno parzialmente da materiale isolante e/o passivante; un primo elemento conduttivo 11 ed un secondo elemento conduttivo 12, di materiale elettricamente conduttivo, posti all’interno dello strato di separazione 14, rispetto all’ambiente circostante, e separati dall’ambiente circostante mediante lo strato di separazione 14; un modulo di misura 15, avente due terminali di misura 151, 152, elettricamente collegati con il primo 11 ed il secondo elemento conduttivo 12;

b) misurare un’impedenza di riferimento tra detti terminali di misura 151, 152;

c) disporre il dispositivo 1 all’interno dell’ambiente da monitorare;

d) fornire, da parte del modulo di misura 15, una differenza di potenziale elettrico tra il primo 11 ed il secondo elemento conduttivo 12;

e) misurare, mediante il modulo di misura 15, un’impedenza complessiva, presente tra i terminali di misura, riferita ad un circuito elettromagnetico equivalente, sviluppantesi almeno in parte all’esterno dello strato di separazione 14, rispetto al primo 11 ed al secondo elemento conduttivo 12;

f) determinare il summenzionato almeno un parametro, sulla base dell’impedenza complessiva misurata e dell’impedenza di riferimento misurata. In accordo con una particolare forma realizzativa, il metodo comprende la fase di prevedere ulteriormente, nel dispositivo 1, mezzi elettrodici 13, configurati per operare da elettrodo, posti all’esterno dello strato di separazione 14, rispetto al primo 11 e al secondo elemento conduttivo 12, in cui i mezzi elettrodici 13 sono disposti in modo da determinare, con il primo 11 ed il secondo elemento conduttivo 12, un circuito elettromagnetico equivalente, avente un’impedenza complessiva variabile in dipendenza dall’esposizione a condizioni ambientali con un livello variabile di umidità e/o acidità/basicità.

Si osservi che l’impedenza di riferimento può essere misurata in laboratorio o in condizione sepolta. L’impedenza di riferimento fornisce un valore di base del dispositivo, ed à ̈ ad esempio misurata in condizioni simili a quelle operative, cioà ̈ quando un materiale edilizio simile a quello da monitorare à ̈ compreso tra gli spazi interstiziali del terzo elemento conduttivo. Tipicamente, tale impedenza à ̈ misurata in condizioni di assenza d’acqua, in presenza di un valore noto (ad esempio molto basso) di umidità, e per un valore di pH di riferimento (tipicamente, pH =14, quale quello che ci si aspetta in condizioni iniziali dentro pilastri di calcestruzzo).

Secondo una particolare forma realizzativa, il metodo comprende l’ulteriore fase di disporre il primo 11 e secondo elemento conduttivo 12 in modo che siano separati da materiale isolante interno, e posti a distanza tale da non generare capacità parassite, o comunque limitarne molto l’effetto, attraverso il materiale isolante interno, così che l’impedenza di riferimento presenti una resistenza sostanzialmente infinita.

In accordo con una forma realizzativa del metodo, esso impiega un dispositivo di rilevazione 1, secondo una qualunque delle forme realizzative di dispositivo precedentemente descritte, in grado di rilevare sia un livello di umidità, sia una presenza di acqua, sia un valore di pH di tale acqua, sia l’occorrenza di uno stato di corrosione di un metallo presente nell’ambiente da monitorare. In tal caso, la fase f) del metodo comprende i seguenti passi: determinare un livello di umidità sulla base di una variazione del valore della parte capacitiva dell’impedenza complessiva rispetto ad un valore di calibrazione iniziale riferito ad un livello di umidità noto; determinare una presenza o meno di acqua sulla base dell’occorrenza o meno di un picco di minimo/massimo relativo dell’impedenza complessiva; se à ̈ rilevata la presenza di acqua, determinare un valore di pH dell’acqua presente sulla base di un confronto del valore misurato del picco di minimo/massimo relativo dell’impedenza complessiva con il valore di calibrazione iniziale, riferito ad un livello di pH noto, e/o con valori di minimo/massimo relativo misurati in corrispondenza di picchi precedentemente rilevati; determinare l’occorrenza di uno stato di corrosione avanzata o completa di un metallo presente nell’ambiente da monitorare quando il valore dell’impedenza complessiva misurata, in assenza di acqua, supera una soglia predeterminata; se à ̈ stato determinato uno stato di corrosione avanzata o completa, determinare la presenza di acqua negli istanti in cui l’impedenza complessiva misurata non supera detta soglia predeterminata, e raggiunge un picco di minimo/massimo relativo.

Per ogni tipo di misurazione, à ̈ necessario comprendere qualitativamente i fenomeni e le dipendenze su cui la misurazione si basa. D’altra parte, non à ̈ necessario esprimere tali dipendenze in forma analitica, poiché operativamente si procede ad una caratterizzazione iniziale del dispositivo, mediante la determinazione sperimentale delle curve che correlano l’impedenza complessiva misurata al variare di ciascuno dei parametri da determinare. Tale caratterizzazione, definibile anche come calibrazione iniziale, conduce a dati di caratterizzazione che vengono memorizzati nel processore del dispositivo e/o nel processore del sottosistema esterno del sistema di monitoraggio.

Tenendo conto di quanto sopra, i fenomeni qualitativi su cui si basano e misurazioni sono qui di seguito sintetizzati.

Il livello di umidità viene stimato osservando le variazioni dell’impedenza complessiva misurata; infatti, la parte immaginaria, in particolare la parte capacitiva di tale impedenza complessiva, dipende dall’umidità del materiale presente negli spazi interstiziali dei mezzi elettrodici esterni, il che influenza il valore delle capacità presenti tra i mezzi elettrodici e, rispettivamente, il primo ed il secondo elemento conduttivo; ed influenza inoltre la parte capacitiva dell’impedenza esterna. Tendenzialmente, all’aumentare del livello di umidità aumenta la parte capacitiva dell’impedenza complessiva, e quindi diminuisce il valore di tale impedenza complessiva. Tipicamente, le variazioni di umidità si riflettono in variazioni graduali e “lente†di una “linea di base†dell’andamento temporale dell’impedenza complessiva.

La presenza di acqua viene rilevata osservando rapide diminuzioni dell’impedenza complessiva misurata, che conducono a picchi di minimo relativo. Infatti, concettualmente, la presenza di un velo o di una quantità significativa d’acqua negli spazi interstiziali dei mezzi elettrodici causa un notevole aumento delle capacità in gioco, e può inoltre diminuire (grazie alle proprietà conduttive dell’acqua) la parte reale, dunque resistiva, dell’impedenza esterna.

Il valore dei picchi di minimo relativo di impedenza à ̈ correlato al livello di pH, consentendone una valutazione, noto un valore di picco di riferimento, corrispondente ad esempio al valore di pH = 14. È quindi possibile valutare valori relativi di pH, rispetto al valore di riferimento, il che à ̈ efficace e sufficiente per le applicazioni qui considerate.

È possibile peraltro che anche picchi di massimo relativo di impedenza siano correlati al livello di umidità, alla presenza di acqua, al valore di pH.

Infatti à ̈ possibile che il modulo di misura 15 possa eseguire la misura dell’impedenza a più frequenze, o in generale in una banda di frequenze, potendo ricavare in tale banda il comportamento complessivo dell’impedenza, che quindi può presentare picchi di massimo o di minimo; oppure possono essere presenti altre sostanze chimiche, che possono dare luogo a diversi comportamenti dell’impedenza misurata.

In forme di realizzazione alternative del metodo, à ̈ possibile, anziché osservare valori di picco, utilizzare opportuni algoritmi di elaborazione dei dati per ricavare i parametri di interesse o una loro variazione rispetto ad un valore di riferimento.

Infine, uno stato di corrosione avanzata o completa del metallo che forma i mezzi elettrodici del dispositivo à ̈ determinato quando il valore di impedenza complessiva diventa particolarmente elevato, oltre una soglia predefinita in fase di calibrazione iniziale. Infatti, la corrosione interrompe i percorsi metallici dei mezzi elettrodici, con conseguente aumento (sino ad infinito) della resistenza dell’impedenza esterna.

Nel metodo secondo l’invenzione, il materiale metallico dei mezzi elettrodici di un dispositivo destinato ad una certa struttura (ad esempio cemento armato) viene scelto uguale o molto simile a quello delle parti metalliche (ad esempio ferri d’armatura) presenti nella struttura. Di conseguenza, la determinazione di uno stato di corrosione dei mezzi elettrodici fornisce un’informazione molto affidabile circa lo stato di corrosione, pressoché uguale, sperimentato dalle parti metalliche della struttura, circondate dallo stesso materiale nella stessa struttura ed esposte a condizioni simili rispetto a quelle dei mezzi elettrodici del dispositivo.

Come si può costatare, lo scopo della presente invenzione à ̈ raggiunto dal dispositivo di rilevazione (così come dal sistema di monitoraggio e dal metodo di monitoraggio secondo l’invenzione), in virtù delle proprie caratteristiche.

Infatti, il dispositivo di rilevazione della presente invenzione permette di rilevare uno o più parametri correlati ad umidità e/o presenza d’acqua e/o acidità/basicità di un ambiente circostante il dispositivo. Addirittura, un singolo dispositivo dell’invenzione può permette di determinare sia un livello di umidità, sia un livello di pH, sia la presenza di acqua, sia un grado di corrosione, come sopra illustrato. Nel contempo, il dispositivo dell’invenzione à ̈ sufficientemente robusto, rispetto a diverse cause di degrado delle prestazioni, tanto da poter essere impiegato nelle più diverse condizioni operative, anche sepolto entro una struttura solida da monitorare.

Tale scopo viene raggiunto grazie agli aspetti funzionali e strutturali del dispositivo, ad esempio, il fatto che esso opera misurando un’impedenza di un circuito elettromagnetico che si sviluppa in parte all’interno ed in parte all’esterno rispetto ad uno strato protettivo. Inoltre, anche quando la parte esterna del dispositivo rispetto allo strato protettivo risulta corrosa, si può ricavare un’utile informazione circa lo stato di corrosione raggiunto ed à ̈ addirittura possibile disporre ancora di funzionalità di rilevazione di presenza di acqua e di livello di acidità/basicità.

Inoltre, il sistema descritto può essere impiegato per eseguire misure di fluidi, ad esempio all’interno di serbatoi o impianti chimici, o nello stesso materiale edilizio prima che esso si solidifichi formando la struttura solida 300.

Alle forme di realizzazione del dispositivo di rilevazione, e del sistema e del metodo di monitoraggio sopra descritte, un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti anche congiuntamente all’arte nota, creando anche implementazioni ibride, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims (24)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo elettronico integrato (1) per la rilevazione di almeno un parametro correlato ad umidità e/o presenza d’acqua e/o acidità/basicità di un ambiente circostante il dispositivo, comprendente: - uno strato di separazione (14) con l’ambiente circostante, comprendente almeno una porzione di materiale isolante (14); - un primo elemento conduttivo (11) ed un secondo elemento conduttivo (12), di materiale elettricamente conduttivo, posti all’interno dello strato di separazione (14), rispetto all’ambiente circostante, e separati dall’ambiente circostante mediante la strato di separazione (14); - un modulo di misura (15), avente due terminali di misura (151, 152), elettricamente collegati con il primo (11) ed il secondo elemento conduttivo (12), rispettivamente, detto modulo di misura (15) essendo configurato per fornire una differenza di potenziale elettrico tra il primo (11) ed il secondo elemento conduttivo (12); - mezzi elettrodici (13), configurati per operare da elettrodo, posti all’esterno dello strato di separazione (14), rispetto al primo (11) ed al secondo elemento conduttivo (12), detti mezzi elettrodici (13) essendo disposti in modo da determinare, con il primo (11) ed il secondo elemento conduttivo (12), un circuito elettromagnetico (71-73) avente una impedenza complessiva di circuito elettromagnetico variabile in dipendenza dall’esposizione a condizioni ambientali con un livello variabile di umidità e/o acidità/basicità; in cui il modulo di misura (15) à ̈ configurato per misurare detta impedenza complessiva di circuito elettromagnetico, presente tra i terminali di misura (151, 152), e per determinare detto almeno un parametro, sulla base dell’impedenza complessiva misurata.
2. 2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuno di detti almeno un parametro à ̈ un livello di umidità, o un livello di acidità/basicità, o un livello di pH, o un’indicazione di presenza di acqua, o un grado di corrosione di una struttura metallica presente entro l’ambiente circostante il dispositivo.
3. 3. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato di separazione (14) Ã ̈ una strato di passivazione ed isolamento galvanico, interamente composto di materiale isolante e passivante.
4. 4. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi elettrodici (13) comprendono un terzo elemento conduttivo (13), di materiale elettricamente conduttivo, operante da elettrodo esterno, disposto in modo da formare con il primo elemento conduttivo (11) un primo condensatore (C1), avente una rispettiva prima capacità (C1), e con il secondo elemento conduttivo (12) un secondo condensatore (C2) avente una rispettiva seconda capacità (C2), detto terzo elemento conduttivo (13) collegando i detti primo (C1) e secondo condensatore (C2) attraverso una rispettiva impedenza esterna (Z), in modo che il circuito elettromagnetico comprenda la serie di detti primo condensatore (C1), impedenza esterna (Z) e secondo condensatore (C2), e che l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico (71-73) comprenda la serie di dette prima capacità (C1), impedenza esterna (Z) e seconda capacità (C2).
5. 5. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 4, in cui: - il primo (11) ed il secondo elemento conduttivo (12) comprendono rispettivi pad metallici di connessione (111, 121) che si aprono nello strato di separazione (14), a contatto con il terzo elemento conduttivo (13), - l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico (72) comprende l’impedenza esterna (Z) di detto terzo elemento conduttivo (13).
6. 6. Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni 4 o 5, in cui: - il terzo elemento conduttivo (13) comprende almeno una striscia di materiale elettricamente conduttivo (130-136), disposta sullo strato di separazione (14) in modo da formare un motivo geometrico comprendente una pluralità di tratti di striscia ed una pluralità di spazi interstiziali (160) compresi tra i tratti di striscia; - almeno una prima porzione del motivo geometrico di striscia si trova in corrispondenza del primo elemento conduttivo (11), sovrapposto ad esso e separato da esso dallo strato di separazione (14); - almeno una seconda porzione del motivo geometrico di striscia si trova in corrispondenza del secondo elemento conduttivo (12), sovrapposto ad esso e separato da esso dallo strato di separazione (14).
7. 7. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 6, in cui il terzo elemento conduttivo (13) comprende una pluralità di segmenti conduttivi (130) tra loro sostanzialmente paralleli, oppure due insiemi di strisce conduttive (132, 133) disposti in una configurazione interdigitata, oppure due strisce conduttive (134, 135) sviluppantesi rispettivamente lungo il perimetro di due poligoni simili, l’uno interno all’altro.
8. 8. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui: - i mezzi elettrodici (13) comprendono mezzi elettrodici equivalenti (13) formati da acqua e/o umidità (90) presente a contatto o in prossimità della strato di separazione (14), in modo da determinare con il primo elemento conduttivo (11) un primo condensatore equivalente (C1), avente una rispettiva prima capacità equivalente (C1), e con il secondo elemento conduttivo (12) un secondo condensatore equivalente (C2), avente una rispettiva seconda capacità equivalente (C2), - i mezzi elettrodici (13) operano come impedenza esterna equivalente, avente un rispettivo valore di impedenza esterna equivalente, - il circuito elettromagnetico (73) comprende la serie di detti primo condensatore equivalente (C1), impedenza esterna equivalente e secondo condensatore equivalente (C2), e - l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico (73) comprende la serie di dette prima capacità equivalente (C1), impedenza esterna equivalente e seconda capacità equivalente (C2).
9. 9. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, atto ad operare sepolto in una struttura (300) di materiale solido da monitorare, essendo l’ambiente circostante il dispositivo un ambiente formato da un solido in materiale edilizio circostante il dispositivo, il dispositivo (1) essendo configurato per rilevare un livello di umidità e/o acidità/basicità del materiale solido, ed inoltre configurato per rilevare un grado di corrosione di strutture metalliche, contenute entro il materiale solido da monitorare.
10. 10. Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni da 6 a 9, in cui gli spazi interstiziali (160) del terzo elemento conduttivo (13) sono disposti in modo da essere riempiti dal materiale solido da monitorare, dopo che il dispositivo (1) Ã ̈ stato sepolto e si trova in condizioni operative.
11. 11. Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni 9 o 10, in cui la struttura da monitorare à ̈ in cemento armato, il materiale solido da monitorare à ̈ calcestruzzo e le strutture metalliche da monitorare sono barre metalliche del cemento armato.
12. 12. Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, atto ad operare in un ambiente esterno, ed in cui l’ambiente circostante da monitorare à ̈ un ambiente atmosferico, il dispositivo (1) comprendendo ulteriormente una porzione di materiale assorbente (19) dielettrico e/o polimerico, atto ad assorbire umidità e/o acqua dall’ambiente atmosferico circostante, in un modo indicativo dell’umidità e dell’acidità/ basicità dell’ambiente atmosferico.
13. 13. Dispositivo (1) secondo una delle rivendicazioni da 6 a 8 e secondo la rivendicazione 12, in cui il materiale assorbente (19) Ã ̈ disposto a contatto sia con lo strato di separazione sia con il terzo elemento conduttivo, in modo da riempire gli spazi interstiziali del terzo elemento conduttivo, il terzo elemento conduttivo essendo contenuto almeno parzialmente nel materiale assorbente (19).
14. 14. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 8 a 13, in cui l’impedenza complessiva del circuito elettromagnetico (71-73) dipende dal livello di umidità e/o dalla presenza d’acqua e/o dal livello di acidità/basicità del materiale solido o del materiale assorbente contenuto negli spazi interstiziali (160) del terzo elemento conduttivo (13).
15. 15. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo (11) e secondo elemento conduttivo (12) comprendono segmenti conduttivi (115, 116) disposti a forma di doppio pettine.
16. 16. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo (11) ed il secondo elemento conduttivo (12) sono separati da materiale isolante interno (18) e posti a distanza tale da non generare capacità parassite attraverso detto materiale isolante interno (18).
17. 17. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il modulo di misura (15) Ã ̈ configurato per generare tensione alternata a frequenza predefinita.
18. 18. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il modulo di misura (15) comprende circuiti configurati per: - memorizzare dati di calibrazione iniziale, - operare misurazioni relative ai parametri da rilevare, - memorizzare le misure effettuate, e - valutare i parametri da rilevare sulla base dei dati memorizzati di calibrazione iniziale, delle misurazioni operate e dei dati memorizzati relativi a misurazioni precedenti.
19. 19. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre: - un’antenna integrata (20), operativamente collegata, entro una circuiteria funzionale (16), con il modulo di misura (15), per ricevere dati relativi a misurazioni e rilevazioni effettuate e trasmetterli in modalità wireless; - mezzi elettromagnetici (2) di espansione/ concentrazione elettromagnetica, collegati in modalità wireless all’antenna integrata (20), per ricevere i dati da essa trasmessi e ritrasmetterli in modalità wireless; - un supporto (30) su cui sono posizionati e mantenuti solidali tra loro il dispositivo di rilevazione (1) ed i mezzi elettromagnetici (2).
20. 20. Sistema di monitoraggio (200) di almeno un parametro correlato ad umidità e/o presenza d’acqua e/o acidità/basicità in una pluralità di punti all’interno di una struttura solida (300), comprendente: - un sottosistema di monitoraggio interno (210) posto all’interno della struttura solida (300); - un sottosistema esterno di controllo e raccolta dati (220) posto all’esterno e remotamente rispetto alla struttura solida (300); caratterizzato dal fatto che: - il sottosistema di monitoraggio interno (210) comprende una struttura di sostegno (211) passante per i punti da monitorare all’interno della struttura solida (300), e comprende inoltre una pluralità di dispositivi di rilevazione (1) secondo la rivendicazione 19, ciascuno di detta pluralità di dispositivi di rilevazione (1) essendo fissato alla struttura di sostegno (211) in una posizione nota e predefinita, mediante il rispettivo supporto; - il sottosistema esterno di controllo e raccolta dati (220) comprende: - un’antenna esterna (221), in grado di comunicare elettromagneticamente con i mezzi elettromagnetici (2) dei detti dispositivi di rilevazione (1); - mezzi di raccolta, memorizzazione ed elaborazione dati (222), atti a ricevere, memorizzare ed elaborare dati provenienti da una pluralità di dispositivi di rilevazione (1) rappresentativi di parametri da monitorare, detti mezzi (222) comprendendo un processore configurato per memorizzare dati di calibrazione iniziale, per operare misurazioni relative ai parametri da rilevare, per memorizzare le misure effettuate e per valutare i parametri da rilevare sulla base dei dati memorizzati di calibrazione iniziale, delle misurazioni operate e dei dati memorizzati relativi a misurazioni precedenti.
21. 21. Sistema (200) secondo la rivendicazione 20, comprendente ulteriori sensori esterni (223, 224) di umidità e/o pH, collegati a detto processore per comunicare dati relativi ai parametri misurati, ed in cui l’elaborazione effettuata dal processore tiene conto dei dati misurati dagli ulteriori sensori esterni.
22. 22. Metodo per la rilevazione di almeno un parametro correlato ad umidità e/o presenza di acqua e/o acidità/basicità di un ambiente, comprendente le fasi di: a) prevedere un dispositivo elettronico integrato di rilevazione (1) comprendente: uno strato di separazione (14) con un ambiente circostante, formato almeno parzialmente da materiale isolante; un primo elemento conduttivo (11) ed un secondo elemento conduttivo (12), di materiale elettricamente conduttivo, posti all’interno dello strato di separazione (14), rispetto all’ambiente circostante, e separati dall’ambiente circostante mediante lo strato di separazione (14); un modulo di misura (15), avente due terminali di misura (151, 152), elettricamente collegati con il primo (11) ed il secondo elemento conduttivo (12); b) misurare un’impedenza di riferimento tra detti terminali di misura (151, 152); c) disporre il dispositivo (1) all’interno dell’ambiente da monitorare; d) fornire, da parte del modulo di misura (15), una differenza di potenziale elettrico tra il primo (11) ed il secondo elemento conduttivo (12); e) misurare, mediante il modulo di misura (15), un’impedenza complessiva, presente tra i terminali di misura (151, 152), riferita ad un circuito elettromagnetico equivalente (71-73), sviluppantesi almeno in parte all’esterno dello strato di separazione (14), rispetto al primo (11) ed al secondo elemento conduttivo (12); f) determinare detto almeno un parametro, sulla base dell’impedenza complessiva misurata e dell’impedenza di riferimento misurata.
23. 23. Metodo secondo la rivendicazione 22, comprendente inoltre la fase di prevedere ulteriormente, nel dispositivo (1), mezzi elettrodici (13), configurati per operare da elettrodo, posti all’esterno dello strato di separazione (14), rispetto al primo (11) e al secondo elemento conduttivo (12), detti mezzi elettrodici (13) essendo disposti in modo da determinare, con il primo (11) ed il secondo elemento conduttivo (12), detto circuito elettromagnetico equivalente (71-73), in cui il circuito elettromagnetico equivalente (71-73) ha una impedenza complessiva variabile in dipendenza dall’esposizione a condizioni ambientali con un livello variabile di umidità e/o acidità/basicità.
24. 24. Metodo secondo una delle rivendicazioni 22 o 23, in cui il dispositivo di rilevazione (1) à ̈ un dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 19, ed in cui la fase f) comprende: - determinare un livello di umidità sulla base di una variazione del valore della parte capacitiva dell’impedenza complessiva rispetto ad un valore di calibrazione iniziale riferito ad un livello di umidità noto; - determinare una presenza o meno di acqua sulla base dell’occorrenza o meno di un picco di minimo/massimo relativo dell’impedenza complessiva; - se à ̈ rilevata la presenza di acqua, determinare un valore di pH dell’acqua presente sulla base di un confronto del valore misurato del picco di minimo/massimo relativo dell’impedenza complessiva con il valore di calibrazione iniziale, riferito ad un livello di pH noto, e/o con valori di minimo/massimo relativo misurati in corrispondenza di picchi precedentemente rilevati; - determinare l’occorrenza di uno stato di corrosione avanzata o completa di un metallo presente nell’ambiente da monitorare quando il valore dell’impedenza complessiva misurata, in assenza di acqua, supera una soglia predeterminata; - se à ̈ stato determinato uno stato di corrosione avanzata o completa, determinare la presenza di acqua negli istanti in cui l’impedenza complessiva misurata non supera detta soglia predeterminata, e raggiunge un picco di minimo/massimo relativo.