JP2009521698A - 検出システム - Google Patents

Abstract

工学的構造物を監視するための検出システムは、工学的構造物上に予め定められたパターンで配置可能であり、上記工学的構造物の表面と該表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置可能なセンサアレイを備えている。検出システムは、センサからのデータを検索するセンサアレイと通信するデータ収集システムも備えている。センサアレイは、各センサでの保護コーティングの硬化度、硬化した保護コーティングの健全状態、及び工学的構造物の腐食速度のうち少なくとも１つに対応するデータを提供することができる。

Description

本発明は、検出システムに関する。

腐食を検出可能なセンサは既知であり、例えば、米国特許第６，３８４，６１０号、同第６，３２８，８７８号、同第６，３１６，６４６号、同第５，８５９，５３７号、同第６，０５４，０３８号、同第６，１４４，０２６号、同第４，３８０，７６３号、同第４，７８０，６６４号、同第４，９６２，３６０号、同第５，３２３，４２９号、同第５，３６７，５８３号、同第６，４４５，５６５号、及び６，８９６，７７９号に記載されている。例えば、これらの従来のアプローチのいくつかは「内蔵型」腐食センサを利用しているが、従来の技術は、剛性のプリント基板及び剛性のシリコンウエハチップを使用することが多い。

上記の従来技術では厚み及び脆性に制限があり、薄いエポキシコーティング又は塗料コーティングの下に剛性の回路基板を配置することによってコーティングが破壊することがあり、シリコンウェハ系センサが破壊する傾向があり、平坦ではない平面には適さない。

本発明の第一態様によれば、工学的構造物を監視するための検出システムは、工学的構造物上に予め定められたパターンで配置可能であり、前記工学的構造物の表面と該表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置可能なセンサアレイを備えている。検出システムは、上記センサからのデータを検索するセンサアレイと通信するデータ収集システムも備えている。センサアレイは、各センサでの前記保護コーティングの硬化度、硬化した保護コーティングの健全状態、及び工学的構造物の腐食速度のうちの１つに対応するデータを提供することができる。

本発明の別の態様によれば、工学的構造物の物理的な状態を検出する方法は、センサアレイからのデータ収集を開始させる活性化信号を提供するデータ収集回路を提供することを含み、各センサはセンシング部分を備えている。データ収集回路は、センサアレイの少なくとも一部分をサーチし、サーチ済センサのアドレスを全て記録し、保存する。サーチ済センサのうち、第一センサからのデータを検索する。検索されたデータを分析し、格納する。要求に応じて格納したデータを表示する。分析されたデータは、各センサでの保護コーティングの硬化度、硬化した保護コーティングの健全状態、及び工学的構造物の腐食速度のうちの１つに対応する。

本発明の上記の概要は、本発明の各図示の実施形態またはすべての実施を説明しようとするものではない。以下に示す図面および発明を実施するための最良の形態は、これらの実施形態をより具体的に例示する。

本発明は、検出システムに関する。具体的には、代表的な実施形態の検出システムは内蔵型であり、工学的構造物のコーティング表面のいくつかの主な特徴を検出するために使用することができる。第一に、検出システムを利用して、工学的構造物の表面に適用されるコーティングの硬化度を検出することができる。それに加え、検出システムを利用して、例えば、天然要素にさらされた場合に、コーティングの劣化（例えば、水分の浸入）を検出することによって、硬化後のコーティングの健全状態を検出することができる。さらに、検出システムを使用して、例えば、腐食を促進する物理的状態を検出することによって、工学的構造物の表面の完全性を検出することができる。

これらの代表的な実装例では、検出システムは、データ収集システムを通して、工学的構造物の１つ以上の物理的な状態に関連するデータをリアルタイム及び／又は周期的（例えば、１時間ごと、１日ごと、１週間ごと）に与えるように構築することができる。この種のデータ収集システムは、工学的構造物について、現在使用されている「予防的な」メンテナンスとは対照的に、「状況に基づいた」メンテナンスを提供することができる。従って、代表的な実施形態の検出システムは、リアルタイムデータを提供して、この種の物体又は構造体の修理又は交換の計画をよりよく管理することによって、工学的構造物又は物体の運用年数を最長化するのに役立つ。

本発明の代表的な実施形態によれば、図１は、検出システム１００を概略図で示す。検出システム１００は、センサアレイ１２０を備える。この代表的な実施形態では、センサアレイ１２０は、データ回線又はワイヤ接続１３５に接続した複数のセンサを備えている（この例では、単純化するために５個のセンサ（１３０Ａ〜１３０Ｅ）が示されている）。センサアレイ１２０は、工学的構造物１１０の表面１１２に配置されている。以下にさらに詳細に説明するように、本発明の実施形態は、多くの異なる種類のセンサを利用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、カソード−アノード構造を有する腐食センサ構成は、インピーダンス、電流及び／又は電圧を測定して腐食を監視することができる。化学検出器のような他の種類のセンサを利用することもできる。

センサアレイ１２０は、データ回線１３６を介してデータ収集回路１５０に接続する制御回路又はＩＣ１３８をさらに備えていてもよい。いくつかの実施形態では、データ回線１３６は、複数線のデータバスとして構築することができる。代表的な実施形態によれば、データ収集回路１５０は、監視される特定の工学的構造物とは離れた位置に配置されてもよい。

制御回路又はＩＣ１３８は、工学的構造物１１０の異なる領域に配置された他のセンサアレイ（図示なし）に接続していてもよい。例えば、ＩＣ１３８は、ネットワークプロトコル、例えば、センサ及び／又はセンサ群とデータ収集回路との間の通信構造プロトコルを提供する１−ワイヤ（1-Wire）（登録商標）プロトコル（ダラスセミコンダクター／マキシムインテグレイティッドプロダクツ（Dallas Semiconductor/Maxim Integrated Products）、カリフォルニア州サニーベール）を備えていてもよい。代表的な一実施形態では、ＩＣ１３８は、カリフォルニア州サニーベールのダラスセミコンダクター／マキシムインテグレイティッドプロダクツ（Dallas Semiconductor/Maxim Integrated Products）から市販されるＤＳ２４３８チップを備えていてもよい。ＩＣ１３８は、１個のセンサ、センサ群、又は複数のセンサ群用として専用であってもよい。

あるいは、以下にさらに考察されるように、各センサ（例えば、１３０Ａ〜１３０Ｅ）はその構造の一部分としてＩＣ１３８（又は類似のもの）を備え、センサの一部又は全てに固有にアドレス可能にしてよい。制御回路又はＩＣ１３８は、データ収集回路１５０に領域特有のセンサアレイからの領域特有のコーティング／構造体データを提供する、１つ以上のアドレスインジケータ又は識別子を備えていてもよい。データ収集回路１５０は、以下にさらに詳細に説明するように、センサからのデータを受信し、収集及び／又は分析し、及び／又はセンサを指示、給電等で制御するようにデザインすることができる。

代表的な実施形態では、コーティング１４０は、工学的構造物１１０の表面１１２に適用される。センサ１３０Ａ〜１３０Ｅは、センサを表面１１２とコーティング１４０との間に配置しやすいように、非常に薄いデザインで構築される（例えば、センシング部分の厚みを約１３μｍ〜約７５μｍにする）。このような方法で、センサは、コーティング１４０及び工学的構造物１１０の健全状態に関するデータを同時に提供できる。

工学的構造物１１０は、天然要素（例えば、水、雨、風など）にさらされる任意の種類の構造体又は物体であることができる。代表的な一実施形態では、検出システム１００は、バラストタンク若しくは他の水を保持する構造体内のコーティング及び／又は構造体の健全状態を検出するために、海洋プラットフォーム（例えば、船、潜水艦）で利用することができる。理解されるように、バラストタンクは、船舶を安定させるために海洋プラットフォームで使用される。これらのタンクは、連続的に充填及び／又は排出することができ、土砂や他の物質を集めることもできる。塩水はきわめて腐食性の高い物質であり、代表的な検出システム１００によって周期的及び／又は実時間でのコーティング状態及び／又は構造体の健全状態が評価され、この評価は、メンテナンス計画に関連する重要な情報を与えることがある。代替的な実施形態によれば、検出システム１００は、トンネル、橋、管及び航空機のような、腐食又は他の物理的変形が起こりやすい他の種類の工学的構造物とともに使用してもよい。構造体１１０の物理組成は、金属（例えば鋼）、炭素複合繊維、セラミック、又はグラスファイバー積層体のようなグラスファイバー系材料であってもよい。

構造体１１０を保護するために、コーティング１４０は、エポキシ系コーティング又は塗料のようなコーティング、例えば、ポリアミドエポキシ（例えば、ＭＩＬ−仕様２４４４１を満たすエポキシ）及びコーティングエポキシ（例えば、３Ｍ社（3M Company）（ミネソタ州セントポール）から入手可能な製品番号２２１６Ａ／Ｂ）を含んでもよい。以下にさらに説明するように、検出システム１００を使用して、コーティング１４０の硬化状態及び／又は健全状態のような特性を検出することができる。

例えば、図２の断面図に示すように、センサ１３０Ａは、構造物１１０（例えばバラストタンク）の表面１１２に配置されてもよい。センサ１３０Ａは、例えば、耐水性二成分エポキシ（例えば、マサチューセッツ州ベッドフォードのトラコンコーポレーション（Tra-Con Corp.）から入手可能なトラコン（Tra−Con）２１５１接着剤）、又は両面テープ又はトランスファー接着剤（例えば、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社（3M Company）から入手可能な３Ｍ ＶＨＢ）のような接着剤で表面１１２に固定されてもよい。センサ１３０Ａは、データ回線１３５を介してデータ収集回路に接続してもよい。コーティング１４０は、外的な基質又は物質（例えば海水１６０）による腐食の影響から構造物１１０を保護するために、表面１１２に適用される。以下にさらに詳細に説明されるように、センサ１３０Ａは、コーティング１４０の健全状態を検出する（例えば、塩素のような化学種の存在を検出することによってインピーダンスを監視する）ことができ、これは、コーティング１４０が劣化したり、構造物１１０が腐食し始めたりといった一般的なコーティングの健全状態を示すことになる。

図１に示すように、センサアレイ１２０は、個々のセンサがデータ収集回路１５０にパラレル接続するように構築されてもよい。図３Ａに示すように、代替的な実施形態では、センサアレイ１２０は、個々のセンサを複数個含んでもよい（この例では、センサ１３０Ａ〜１３０Ｌ）。ここで、それぞれの個々のセンサは、データ収集回路１５０に直接接続されている（例えば、データ回線１３５Ａ〜１３５Ｌを介して）。この実施形態では、各センサは単純なデザインであってもよく、データ収集回路１５０に配置される外部電圧及び／又は電流の制御器に接続していてもよい。データ収集回路に配置された外部電圧／電流の制御器（例えば、コンピュータ制御されたポテンショスタット及び周波数応答アナライザ）は、各センサを活性化し、得られた電気化学的応答を読み取ることができる。この構成は、各センサをできる限り簡略化した構成である。

図３Ｂに示すようなさらなる代替例では、センサアレイ１２０は、個々のセンサを複数個含んでもよい（この例では、センサ１３０Ａ〜１３０Ｆ）。ここでは、個々のセンサは、データ収集回路１５０に直列接続している。この構成では、時間領域反射率測定（ＴＤＲ）のような検出スキームを使用して、１つ以上の特定部位での腐食を検出することができる。この実施形態では、アレイ中の位置（遅延時間）によってセンサを識別することができる。この構成によって、腐食条件が存在する場合に、開口部を与える単純な腐食性要素としてセンサを設計することができる。当業者が本発明の記載によって理解するように、データ収集回路へのセンサの連結は、他の配置を含むように代えてもよく、例えば、図１、３Ａ及び３Ｂに示されるような各配置の要素のいくつかを組み合わせてもよい。

代表的な検出システムのセンサアレイによって、腐食事象の空間分解能を得ることができる。正確な空間分解能によって、各センサからの電気化学的データは、その隣にあるセンサのデータとは区別できる。例えば、図４Ａに示すように、センサ１３０Ａは、封入された制御器及び／又は識別（ＩＤ）チップ１３４を備えていてもよい。封入された制御器は、センシング部分１３２からのデータ又は測定値を受信し、データＩ／Ｏポート１３７を介して、この情報をデータ収集回路（例えば、図１の回路１５０）に通信してもよい。代表的な一実施形態では、チップ１３４は、上述のチップ１３８と類似した方法で構築されてもよい。

さらに、センシング部分１３２は、互いにかみ合った金属系（例えば、金、銀、銅）回路を有する電極構造を備えていてもよく、この回路は、電気化学的測定／腐食測定のためのアノード及びカソードとして使用することができ、可撓性ポリイミド基材で作成されてもよい。それに加え、センサ１３０Ａの一部分が、センサを保護するオーバーコート１３３でコーティングされていてもよい（例えば、センサのチップ部分を覆っているが、センシング部分１３２は構造物１１０及びコーティング１４０に対して露出している）。

センサ１３０Ａ、１３０Ｂ及び１３０Ｃの正面図（保護コーティング１４０を通している）である図４Ｂに示す例では、センサは、データ回線１３５を介してシリアルに接続されていてもよく、さらに、工学的構造物とコーティング１４０との間に配置されている。センサ１３０Ａは、上述のように、互いにかみ合うセンシング部分１３２Ａ及び制御チップ部分１３４Ａを備えていてもよい。ワイヤ接続が、ブレークスルー領域１３９のような位置でコーティング１４０を通って延びていることが必要である場合があり、この位置でデータ回線１３６がデータ収集回路１５０と接続していることを注記しておく。好ましい態様では、領域１３９は、構造物の他の領域（例えば、バラストタンクの上部周辺）を劣化させる要素にあまりさらされないような構造物の領域部分に配置されている。

代表的なセンサ１３０Ａの断面図を図５でさらに詳細に示す。この構成では、センサ１３０Ａは、センシング部分１３２と制御電子回路部分１３１とを備え、両者ともベース材料１８０に配置されている。ベース材料１８０は、例えば、ポリアミド又はアクリル材料のようなポリマー系材料を含んでもよい。ベース材料１８０は、制御電子回路部分及び／又はキャップ部分１９２を有する気密シールの一部分の支持体になることができる。ベース材料１８０及び／又はセンサの他の部分は、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社（3M Company）から入手可能なＶＨＢ接着剤のような接着剤１８１によって、工学的構造物１１０の表面１１２に接着していてもよい。さらなる代替例では、センシング部分１３２の全体又は少なくとも一部分がベース材料１８０に配置されていない。

代表的な実施形態では、センシング部分１３２は、例えば、ミネソタ州セントポールの３Ｍ社（3M Company）から商標名３Ｍフレックス（Flex）で入手可能な３Ｍの可撓性回路材料のような薄い可撓性基材材料で形成される。この種の可撓性回路を製造するための代表的な物品及びプロセスは米国特許第６，３２０，１３７号に記載され、この内容全体が参考として組み込まれる。「可撓性」とは、センサ及び（適用可能な場合）基材を、センシング部分が剥離しないように曲げることができる（例えば、導電性を失うことなく、センシング部分をきわめて小さな曲率半径で９０°（又はそれ以上）に曲げるか、又は鋭く直角に曲げるか又は折り目をつけることができる）ことを意味する。

例えば、センシング部分は、ポリイミド材料のような基材１８２を備えていてもよい。センサ電極の構造は、基材１８２上にパターン化された多層材料（例えば、クロム結合層１８４、その上に配置された銅（又は他の導電）層１８６、及び該層１８６の上に配置された銀（又は金又は他の金属）層１８８を備える）として形成されてもよい。本記載から明らかなように、他の多層構造を使用してもよい。従って、代表的なカソード−アノード構造を有するセンシング部分１３２には、以前なら監視が困難な位置で、カソードとアノードとの間の電圧低下、カソードとアノードとの間の電流レベル、及び／又はカソードとアノードとの間のインピーダンスを測定する能力を付与することができる。

代替的な実施形態では、センシング部分１３２は、水に感受性を有するの化学種（例えば、Ａｌ、Ｆｅ又はＺｎ）で作成される電極として構築することができる。化学種が水と相互作用すると、インピーダンス又は抵抗の測定値が変化する。本記載から当業者には明らかなように、他の腐食に感受性を有する種を使用してもよい。

センシング部分１３２は、はんだ（又は他の材料）による接続部１９０を介して制御電子回路部分１３１に接続してもよい。制御電子回路１３１は、Ｉ／Ｏポート１３７に接続した特注のＩＣ１３４を備えていてもよく、これにより、データ回線１３５を介してセンサ１３０Ａからデータを送受信する。データ回線１３５（及び／又は図１のデータ回線１３６）は、１つ以上の従来の小さなゲージのワイヤ（例えば２２ゲージ）を備えていてもよく、このワイヤは、電子部品間でデータ信号を通信し、及び／又は電子部品間で電力を伝えるために使用される。代表的な一実施形態では、各センサに寄生電力が与えられ、そのために（電力を供給するための）別個の第３のワイヤは必要ではない。コーティング１４０の下部及び／又はコーティング１４０内部を通すためには、細いワイヤ又はケーブルが好ましい場合がある。

保護コーティング又は封入材料１３３も、ＩＣ、回路構成要素及び相互接続部が露出するのを防ぐために提供することができる。所望により、さらなる保護のために、パッケージのキャップ材料１９２（例えば硬質プラスチック）によって外側保護シェルを提供することができる。最終的なパッケージの厚みは、約１００μｍ〜約１０００μｍに維持されてもよい。

上述のデザインを用いて、本明細書に記載の検出システムの代表的な実施形態は、図１及び図２に示されるように、非破壊性のアンダーコーティングセンサ（undercoating sensor）を提供することができる。それに加え、センサは、工学的構造物の重要な領域（例えば、平坦ではない表面（例えば、屈曲部及び角部及び他の鋭角の位置周辺））にユーザがセンサを配置できるように、可撓性の曲げることのできる基材で作成することができる。これらの位置は、角部及び他の鋭角の位置に保護コーティングを均一に適用することができないため、ときに腐食又は他の劣化事象が起こりやすい。例えば、図６Ａ及び６Ｂに示すように、代表的なセンサ１３０Ａは、Ｉ型ビームの縁部周辺に生じるような１個の角を有する表面１１１（図６Ａ）又は複数の角を有する表面１１３（図６Ｂ）に配置することができる。

図１を再び参照すると、センサは、１つ以上のデータ回線１３５及び／又は１３６を介してデータ収集（及び制御）回路１５０と接続する。この中央ユニット１５０は、センサアレイ１２０、又は他の構造（例えば、他のバラストタンク、Ｉ型ビーム、管など）のコーティング／構造物の健全状態／劣化状態を検出するために実装された他のセンサアレイのセットに接続するサーバ又は他のコンピュータ系デバイスとして構築することができる。例えば、データ収集回路１５０はインターフェースデバイスを備えていてもよく、これによって、センサ又はセンサ群、及びデータ格納用及び表示用のコンピュータと接続する。さらに、データ収集ユニットは、別個のディスプレイ１５２に接続し、画像データ、たとえば実時間のコーティング状態のデータをユーザに提供してもよい。

データ収集回路１５０がコンピュータ、サーバ又はコンピュータ系デバイスである場合、データの収集、操作、分析及び配信は、回路１５０にロードされたアプリケーションに特異的なソフトウェアプログラムを介して提供することができる。

いくつかの実施形態では、固有ＩＤを有するオンボード制御チップ及び／又はデジタル（Ａ／Ｄ）変換器の類似品を各センサに備え付けることによって、外部電力がセンサに供給されると、検出システムは、センサによって電気化学的測定を自動的に行なうことができる。例えば、オンボードＡ／Ｄ変換器は、固有ＩＤでコードされた電圧／電流の測定値をデータ収集回路に送信することができる。

例示的なデータ収集ルーチンでは、データ収集回路１５０は、アレイのセンサに活性化電力又は他の活性化信号を送ることによって、センサによるデータ収集を開始させることができる。データ収集回路１５０は、全センサをサーチし、全センサのアドレスを記録し、保存することができる。第一センサ（又はセンサ群）の値を読み取り、データ要求をそのアドレスに送信することができる。そのアドレスからの特定のセンサデータをデータ収集回路１５０によって検索し、デコードし、分析し、及び／又はメモリに格納する。

例えば、ＩＣチップ（１３４、１３８）は２個のＡ／Ｄ変換器を備えていてもよく、第一Ａ／Ｄ変換器はセンシング部分での電圧を測定し、第二Ａ／Ｄ変換器はデータ収集回路によって提供される供給電源を測定する。２つの電圧の比率は、２つの測定値に基づいてデータ収集回路で算出することができる。この計算は、供給電圧の変化量を補正するのに役立つ。この計算は、センサアレイ中の不良電子機器の存在を判断する材料としての機能を果たすこともできる。

データの検索、デコード及び格納を、全センサ又はセンサ群について繰り返すことができる。センサが、コーティング又は構造物の劣化が生じていることを示している場合、ユーザに警告を送ることができる（例えば、可聴形式及び／又は視覚形式で）。別の方法では、ユーザが要求したら（例えば、ディスプレイ１５２上に）データを表示することもできる。データ収集後、センサの電源が切られてもよい。自動化プロセスを使用して、連続的及び／又は周期的な方法でデータ検索及び分析を活性化することができる。

別の代表的な実施形態では、検出器システム１００は、以下の例に示されるような検出スキームを利用することができる。アノード及びカソードとして可撓性基材で作成された代表的な組み合わされた回路を用いて、電気化学インピーダンス分光法を行い、硬化中のエポキシ系コーティングの材料特性の変化を測定することができる。

例えば、市販のエポキシ（ミネソタ州セントポールの３Ｍ社（3M Company）から入手可能な３Ｍ製品番号２２１６Ａ／Ｂ）を混合し、センサ回路の上面に適用した。１００ＫＨｚ〜０．０１Ｈｚで、５ｍＶのＡＣ振幅で、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）でコーティングを測定した。電気化学ポテンショスタット（ＰＡＲ ２７３Ａ型）、周波数アナライザ（ソーラートロン（Solartron）１２６０型）、及び電気化学ソフトウェア（Ｚｐｌｏｔ型）を使用して、電気化学インビーダンスを測定した。ＥＩＳを用いて、コーティングのインピーダンス応答を時間の関数で記録した。

単純なパラレルコンデンサ（Ｃ）及びレジスタ（Ｒ）回路をコーティングＡＣ応答のモデルとして使用し、臨界周波数（Ｆ_ＣＲ）を、コーティングのＲＣ時間定数に基づいて定義することができる。

ＥＩＳデータから、虚数インピーダンス要素を以下のように定義することができる。

式中、Ｚ_ＩＭ＝虚数インピーダンス／抵抗、ω＝ラジアル周波数、α＝定常状態要素定数（constant phase element constant）、及びＣ＝キャパシタンスを表す。理想的なキャパシタンス挙動ではαが１に近づくと考えられ、キャパシタンスはパラレル板として処理することができる。

式中、ｄ＝誘電体の厚み、ε＝誘電係数、及びε_０＝誘電定数を表す。Ｒ値は、ＥＩＳデータの実数部分から得ることができる。次いで、コーティングの抵抗は以下のように定義される。

式中、Ａ＝誘電体の面積、ρ＝固有抵抗（オーム−ｃｍ）を表す。単純に置き換えると、以下の式が導かれる。

上記に定義されるように、周波数（Ｆ_ＣＲ）は、コーティングの形状ではなく、材料特性に依存する。臨界周波数は、複素インピーダンスの最大値であると定義され、図８Ａに示される。この臨界周波数を使用し、実際のコーティングの変化を監視することができ、エポキシの硬化を観察し、その後のコーティングの劣化を観察することができる。

さらに、サンプルのエポキシをセンサに適用したときの時間に対するＦ_ＣＲの値を示すプロットを図８Ａ及び８Ｂ（２つの異なる時間軸）に示す。図８Ａの臨界周波数の変化は、臨界周波数が低下することは、測定されたシステムが硬化中に安定ではないことを示しており、抵抗の増加及び／又は誘電係数の上昇を示しており、この２つの現象は、エポキシコーティングの硬化に関して予想することができる。図８Ｂに示されているように、サンプルのエポキシを推奨された時間（例えば、この例では約２４時間）硬化させた後、Ｆ_ＣＲは安定し、臨界周波数は定常状態に到達する。次いで、この臨界周波数値は、長期間のコーティング劣化に対する比較用のベースライン値となる。

コーティングの下にある電極として組み合わされた回路（上述のデザインと同様）を用いて、電気化学インピーダンス分光法によって、ＡＳＴＭ Ｄ６６５（すなわち、人工海水）にさらしたエポキシ系コーティングの材料特性の変化を測定することができる。３Ｍエポキシ２２１６Ａ／Ｂ又はＭＩＬ仕様２４４４１コーティング（ミシガン州ナイルズのＮＣＰコーティング社（NCP Coatings, Inc.）から入手可能）を備える３Ｍ可撓性回路を、室温でＡＳＴＭ Ｄ６６５海水に含浸した。１００ＫＨｚ〜０．０１Ｈｚで、０ＶでのＡＣ振幅１００ｍＶで、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を行なった。電気化学ポテンショスタット（ＰＡＲ ２７３Ａ）、周波数アナライザ（ソーラートロン（Solartron）１２６０）及び電気化学ソフトウェア（Ｚｐｌｏｔ）を使用して、電気化学インビーダンスを測定した。

腐食システムの電気化学インピーダンスデータは、周波数に依存する構成要素（例えば、コンデンサ、インダクタ及び定常状態構成要素（constant phase element））を含有する等価な電子回路によってあらわすことができる。これらの構成要素を用いて、データをモデル化し、電極または電極と接触する材料の材料特性を決定することができる。図９に示すように、ＭＩＬ−２４４４１塗料コーティングの場合、内蔵型センサによって検出された電気化学インピーダンスが時間が経過するにつれて低下し、この現象はほとんどがサンプルコーティングに水分及び／又はイオン種が浸透したことによると考えられる。

別の実施形態では、図１０に示すように、ＡＳＴＭ６６５海水に含浸したＭｉｌ仕様２４４４１型コーティングのインピーダンス測定値を、時間の関数で示す。試験開始から１４日間まではコーティングのインピーダンスの変化はわずかである。１４日目に、１ｍｍ×１ｍｍの欠陥をサンプルに故意に導入した。コーティングを損傷させた後、過剰の水分及びイオンを吸収したために、コーティングのインピーンダンスは顕著に低下する。センサはこの激しい変化を検出した。

従って、上述の代表的な実施形態によれば、内蔵型腐食センサは、水分の浸入、塩素及び他のアニオン種のような種の浸入、コーティングの硬化、コーティングの健全状態及び構造の健全状態を検出するために提供することができる。この種のセンサを可撓性基材で作成可能な場合、さらに位置特異的なリアルタイム測定をユーザに提供することができる。さらに、このような薄い回路（例えば、厚さ約０．０２５ｍｍ（０．００１インチ））を、コーティング状態に悪影響を及ぼすことなく、保護コーティングと構造物との間に配置することができる。さらに、データ収集システムは、腐食に関連する事象をリアルタイムで測定することができる。このような腐食センサは、腐食に関連する損傷の費用を直接的及び間接的に減らすのに役立つ。

本願の明細書を検討すれば、さまざまな変更例、均等なプロセス、および本発明が適用可能な多数の構造が、本発明に関連する当業者には容易に明らかになろう。

添付図面を参照して、本発明を更に説明する。

本発明は、様々な修正及び代替形態が可能であるが、その明細は図面の例により示されており、及び詳細に記載される。しかしながら、記載される特定の実施形態に本発明を限定することを意図しないことは理解されるべきである。逆に、添付の請求の範囲に記載した発明の範囲を逸脱することなく、あらゆる変更、均等物、および代替物を含むことを意図している。

本発明の一実施形態に係る代表的な検出システムを示す。 本発明の代表的な実施形態に係る、コーティングと工学的構造物との間に封入されたセンサの断面を示す。 本発明の代替的な実施形態に係る代表的な検出システムを示す。 本発明の別の代替的な実施形態に係る代表的な検出システムを示す。 本発明の一実施形態に係る代表的なセンサを示す。 本発明の代替的な実施形態に係る代表的な検出システムを示す。 本発明の一実施形態に係る代表的なセンサの断面を示す。 平坦ではない表面に配置された代表的なセンサの代替的な実装例を示す。 平坦ではない表面に配置された代表的なセンサの代替的な実装例を示す。 周波数に対する虚数インピーダンスのプロットを示す。 代表的なコーティングについて、異なる時間スケールで臨界周波数と時間との関係をプロットに示す。 代表的なコーティングについて、異なる時間スケールで臨界周波数と時間との関係をプロットに示す。 塩水にさらした場合に、含浸したコーティング例のインピーダンス測定値を時間の関数でプロットしたものを示す。 含浸した一例のコーティングのインピーダンス測定値を時間の関数でプロットしたものを示す。

Claims (19)

1. 工学的構造物の物理的な状態を監視する検出システムであって、
   前記工学的構造物上に予め定められたパターンで配置可能であり、前記工学的構造物の表面と該表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置可能なセンサアレイと、
   前記センサからのデータを検索する前記センサアレイと通信し、前記センサアレイが、前記センサの各々における、前記保護コーティングの硬化度、硬化した前記保護コーティングの健全状態、及び前記工学的構造物の腐食速度のうち少なくとも１つに対応するデータを与えるデータ収集システムと、を備える検出システム。
2. 前記アレイのうち少なくとも１つのセンサが、
   インピーダンス、電流、及び電圧のうち少なくとも１つを検出するように構成され、可撓性基材に配置されたセンシング部分と、
   固有アドレスを含む制御電子回路部分と、を備える、請求項１に記載の検出システム。
3. 前記センシング部分が、前記工学的構造物表面の平坦ではない表面に配置される、請求項２に記載の検出システム。
4. 前記センサアレイの複数のセンサの少なくとも一部がシリアルに接続されている、請求項１に記載の検出システム。
5. 前記センサアレイの複数のセンサの少なくとも一部がパラレルに接続されている、請求項１に記載の検出システム。
6. 前記センシング部分が、前記可撓性基材上に少なくとも２つの電極としてパターン形成された導電要素を備え、前記制御電子回路部分が、電圧及び電流を制御する電子回路を備える、請求項２に記載の検出システム。
7. 前記センサの前記制御電子回路部分が封入されている、請求項２に記載の検出システム。
8. 前記センサアレイが、データ回線を介してデータ収集回路に接続されている、請求項１に記載の検出システム。
9. 前記データ回線が、前記センサアレイの少なくとも１つのセンサに電力を供給するように構成された電力線を備える、請求項１に記載の検出システム。
10. 前記工学的構造物が、金属、複合材料、セラミック材料及びグラスファイバー材料を含む、請求項１に記載の検出システム。
11. 前記アレイ中の少なくとも１つのセンサは、腐食環境にさらされた場合に、腐食するように構成されたセンシング部分を備える、請求項１に記載の検出システム。
12. 前記アレイ中の少なくとも１つのセンサは、約１３μｍ〜約７５μｍの厚みを有するセンシング部分を備える、請求項１に記載の検出システム。
13. 工学的構造物の物理的な状態を検出する方法であって、この方法が、
    各センサがセンシング部分を備えており、センサアレイが前記工学的構造物の表面と該表面を実質的に覆う保護コーティングとの間に配置されており、前記センサアレイからのデータ収集を開始させる活性化信号を提供するデータ収集回路を提供することと、
    前記センサアレイの少なくとも一部分をサーチし、サーチ済センサのアドレスを全て記録し、保存することと、
    前記サーチ済センサのうち、第一センサからのデータを検索することと、
    検索された前記データを分析することと、
    分析された前記データを格納することと、
    要求に応じて格納した前記データを表示することと、を含み、分析された前記データが、前記センサの各々における、前記保護コーティングの硬化度、前記硬化した保護コーティングの健全状態、及び前記工学的構造物の腐食速度のうち少なくとも１つに対応する、方法。
14. 前記アレイの第二センサについて、前記検索、分析、及び格納の各工程を繰り返し行うことをさらに含む、請求項１３に記載の検出方法。
15. 前記センサが前記コーティングの劣化及び前記構造物の劣化のうちの１つが発生したことを示す場合、警告を提供することをさらに含む、請求項１３に記載の検出方法。
16. 前記活性化信号が前記センサアレイのそれぞれに電力を提供する、請求項１３に記載の検出方法。
17. 前記センサの電源を切ることをさらに含む、請求項１６に記載の検出方法。
18. 前記検出方法が、前記データ収集回路によって周期的に行なわれる、請求項１３に記載の検出方法。
19. 前記第一センサのセンシング部分での第一電圧を検出することと、前記第一センサで第二電圧を検出することと、前記第一電圧と第二電圧との比率を算出することとを含み、前記第二電圧が、前記データ収集回路によって供給される電圧に対応する、請求項１３に記載の検出方法。

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