JP7463386B2 - 無線周波数無線検出装置 - Google Patents

Description

関連出願への相互参照．
本願は、２０１９年２月１３日に出願された米国仮特許出願６２／８０４８５９号の優先権を主張し、その全体は本願に援用される。

技術分野
本願は無線センサの分野に関連する。より詳しくは、本願は、無線周波数無線検出装置と、それを用いて地中又は水中の構造物をモニタリングする方法に関連する。

腐食は、ほとんどすべての工学システムに生じるありふれた材料劣化過程である。それは、様々なインフラストラクチャの性能及び信頼性に負の影響を与え、時には、適切にモニタリングされて適時に管理されなければ、破滅的結末をもたらす。従って、腐食の発生及び蓄積をモニタリングすることは、工学システムの安全な動作にとって非常に重要である。

腐食の進行を検出するために、又は、所定のレベルの腐食に達した場合に警告をもたらすために、腐食モニタリングセンサが開発されている。例えば、腐食探査技術及び装置は、様々なインフラストラクチャ、例えば、橋、建物、飛行機、乗物、及び精製所において、インシデントが発生する前に是正処置をとるように先を見越してオペレータに警告／通知するために開発及び実装されている。

しかしながら、例えばパイプラインのように、埋設されたインフラストラクチャ（ここで、「埋設された」とは、地中及び水中の両方のインフラストラクチャを示すことを意図している）のための腐食センサを実装することは、これらのインフラストラクチャが通常は過酷な環境を有する遠隔領域に設けられ、また、構造物へのアクセスが通常は非常に制限されているので、長い間にわたって難題であった。さらに、埋設されたインフラストラクチャは何千キロメートルにもわたる可能性があり、そのため、埋設構造物のごく小さな部分を現在利用可能なセンサを用いてモニタリングすることは困難かつ高コストであり、あるいは、実施不可能である。さらに、埋設構造物にいったん漏出が生じると、漏出を適時に検出してオペレータに確実に警告することは、例えば石油及びガス産業のような産業にとって大きな難題である。

腐食モニタリングは、腐食のダメージによって引き起こされた材料の変化を探査及び評価することであり、ここで、材料の変化は、質量の変化（減少又は増大）、物理的、化学的、電気的、磁気的、又は機械的性質の変動、及び／又は、寸法又は外観の変化（例えば、薄型化、色変化、割れ、剥離など）を含んでもよい。これらの変化を検出及び評価するために、互いに異なる複数の腐食モニタリング技術が開発されている。例えば、人間による目視検査は、インフラストラクチャの腐食状態を観察するための最も古く最も一般的な方法である。研究所において腐食クーポンを検査すること（質量の減少又は増大）は、定量的腐食評価のための古典的方法である。さらに、異なる原理に基づいて多数の腐食モニタリングセンサが開発され、それらのうちのいくつかは関連産業において既に実装されている。

残念ながら、現在利用可能な腐食モニタリング技術のうちのほとんどは、埋設構造物のために実装することが非常に困難であるか又は非常に高コストである。例えば、基本的な腐食クーポン方法をパイプラインで使用することは、埋設されたパイプラインに試験クーポンを配置してそこから回収することに時間がかかり、かつ高コストであるので、本質的に実行可能ではない。他の腐食モニタリング技術、例えば、電気抵抗プローブ、電気化学インピーダンス分光法、直線偏光抵抗、光ファイバーなどはすべて、センサへの物理接続を必要とする、すなわち、それらは、測定を達成するため又はデータを転送するために、センサをリーダー（読み取り機）／データロガーに接続するための電線又はファイバーの使用を必要とする。これは、電線／ファイバーを引き回すことが可能であってセンサへの直接接続が可能である場所にのみセンサの配置を制限するという重大な欠点を有する。さらに、これらのシステムを地中パイプラインとともに実装する処理と、測定自体とは、非常に困難であり、時間がかかる。

これらの欠点を克服するために無線腐食センサ（ほとんどは無線周波識別、ＲＦＩＤに基づく）が開発されているが、それらのセンサは通常は近傍界であり、有効な読み取り値を取得するにはリーダーがセンサに非常に近いこと（典型的には数センチメートルの範囲）を必要とするので、そのような無線センサを埋設構造物（地中又は水中パイプラインなど）へ適用することは本質的には不可能である。そのようなシステムは、通常は地表から１～２メートル下方に埋設される地中パイプラインに実装することができない。さらに、水を介して無線周波数を伝送することは極めて困難であることは周知である。
従って、水中パイプラインにおいてＲＦＩＤに基づくセンサを直接的に実装することは不可能である。

地中又は水中アプリケーションのために、無線であり（センサへの直接接続を必要としない）、費用効率が高く、小型かつ軽量であり、簡単な動作及びデータ分析であり、保守の頻度が小さい又は不要である、腐食モニタリングセンサに対する必要性が存在する。
パイプラインに漏出が生じる場合、都合よく漏出を検出することができる同様のセンサも必要とされる。

上述の情報は、本願出願人によって既知の情報と考えられているものを、本発明に関連しうるものにするために提供される。必ずしも自認を意図したものではなく、また、前の情報のうちのいずれかが本発明に対する従来技術を構成すると解釈されるべきではない。

本願の目的は、無線周波数無線検出装置を提供することにある。本願の態様によれば、（ｉ）無線周波数識別（ＲＦＩＤ）センサと、（ｉｉ）チャネルとを備える装置が提供される。ＲＦＩＤセンサは、リーダーから質問信号を受信してリーダーに応答信号を送信するように構成されたアンテナと、アンテナに接続された少なくとも１つの集積回路（ＩＣ）と、少なくとも１つの検出素子とを備える。チャネルは、ＲＦＩＤセンサ及びリーダーの間の信号の伝送を導く。ＲＦＩＤセンサは、チャネルの第１の端部に取り付けられるか又は直接に隣接し、検出素子は、その環境によって引き起こされた変化に応答して、導電状態から非導電状態に切り換わるか、又は、非導電状態から導電状態に切り換わる。少なくとも１つのＩＣは、少なくとも１つの検出素子のみが環境に露出されるように、保護ハウジング内に格納される。ＲＦＩＤの周波数は、極超短波領域又はマイクロ波領域にあてもよい。

一実施形態によれば、チャネルが非導電材料からなる装置であって、チャネルを介する信号の伝送を支援するために、砂（二酸化ケイ素）、酸化アルミニウム、炭化ケイなどのような非導電微粒子材料で充填された装置が提供される。もう１つの実施形態によれば、チャネルは、導体材料からなるか、又は、導電性の内面を備え、この場合、チャネルを充填するために微粒子材料が要求されることはない。チャネルは、例えば、直線状、湾曲、又は屈曲していてもよい。さらに、チャネルは、正方形、矩形、円形、又は楕円形の断面形状を有してもよい。ある実施形態では、チャネルは、例えば、チャネルの中への水の浸透を防ぐために、両端において非導電性の耐食材料にて封止される。

もう１つの実施形態によれば、少なくとも１つの検出素子は、ＩＣ及びアンテナの間の短絡としてＲＦＩＤセンサにおいて一体化されるか、アンテナ及び上記ＩＣの間の接続として一体化されるか、センサに差し込まれ、アンテナ及びＩＣの間の短絡として、又は、アンテナ及びＩＣの間の接続として機能する。

一実施形態によれば、リーダーは、ＲＦＩＤセンサから十分に遠隔し、ＲＦＩＤセンサはバッテリーを有する必要がある。

一実施形態によれば、少なくとも１つの検出素子は、初期状態において導電性であり、ＲＦＩＤセンサに短絡する。検出素子が非導電状態に切り換わるとき、短絡は遮断される。もう１つの実施形態によれば、少なくとも１つの検出素子は、初期状態において非導電性であり、ＲＦＩＤセンサに短絡されていない。検出素子が導電状態に切り換わるとき、ＲＦＩＤセンサへの短絡が確立される。検出素子は、オプションで、腐食性材料、又は、漏出物質の存在によって引き起こされた環境における変化に敏感な材料を含む。一実施形態では、検出素子は、例えば、漏出物質に反応するか、又は、漏出物質が存在する状態で劣化することで、漏出物質の存在に敏感である。

本願のもう１つの態様は、埋設構造物の環境によって引き起こされるもののような、埋設構造物における変化を検出するために上述した装置を使用する方法、又はその使用を提供する。変化は、例えば、腐食、破損、又は漏出であってもよい。

本願のもう１つの態様は、埋設構造物の環境によって引き起こされた変化を検出するための方法を提供する。本方法は、（ｉ）埋設構造物に隣接するように無線周波数識別（ＲＦＩＤ）センサを位置決めするか、又は、ＲＦＩＤセンサを埋設構造物に取り付けるステップを含む。ＲＦＩＤセンサは、リーダーから質問信号を受信してリーダーに応答信号を送信するように構成されたアンテナと、アンテナに接続された少なくとも１つの集積回路（ＩＣ）と、初期状態における少なくとも１つの検出素子を備える。ＲＦＩＤセンサは、ＲＦＩＤセンサ及びリーダーの間における信号の伝送を導くためのチャネルの一端に取り付けられるか又は直接に隣接する。検出素子は、その環境によって引き起こされた変化に応答して、初期の導電状態から非導電状態に切り換わるか、又は、初期の非導電状態から導電状態に切り換わる。本方法は、（ｉｉ）リーダーを用いてＲＦＩＤセンサに質問するステップと、（ｉｉｉ）検出素子がその初期状態から変化したか否かを決定するステップとをさらに含む。埋設構造物は、例えば、地中又は水中にあってもよい。オプションで、埋設構造物は、パイプライン又は貯蔵容器である。

本明細書で説明する本願と、他の態様及びそのさらなる特徴とについてのより良好な理解のために、添付図面に関連して使用される以下の説明が参照される。

地中構造物に隣接したＲＦＩＤ無線センサ装置の実施形態の概略図である。 一実施形態に係るＲＦＩＤセンサの概略図である。 もう１つの実施形態に係るＲＦＩＤセンサであって、センサが複数の検出素子－集積回路（ＩＣ）ペアを含むＲＦＩＤセンサの概略図である。 もう１つの実施形態に係るＲＦＩＤセンサであって、短絡として使用されるプラグイン検出素子とともに使用されるセンサの概略図である。 ＲＦＩＤ無線センサ装置の２つの例を示し、一方は信号伝送のための直線状チャネルを有し、他方は信号伝送のための湾曲（屈曲）したチャネルを有する概略図である。 実施例１において使用されるセンサ読み取り性能試験システムであって、箱は木からなり、微粒子材料、例えば砂で充填されてもよく、タグ及びリーダーアンテナは特定の距離で分離されてもよいシステムの概略図である。 タグ及びリーダーの間において砂あり又は砂なしの場合に、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力を示すグラフである（タグ・リーダーの距離：（ａ）０．５ｍ、（ｂ）１．０ｍ、（ｃ）１．５ｍ、及び（ｄ）２．０ｍ）。 タグ及びリーダーの間において砂あり及び砂なしの場合に、様々な距離における後方散乱電力の比較を示すグラフである（タグ・リーダーの距離：（ａ）０．５ｍ、（ｂ）１．０ｍ、（ｃ）１．５ｍ、及び（ｄ）２．０ｍ）。 タグ及びリーダーの間において砂あり及び砂なしの場合に、様々な距離における読み取り性能の比較を示すグラフであって、（ａ）はしきい値送電電力を示し、（ｂ）はしきい値送電電力に対応する後方散乱電力を示すグラフである。 タグ及びリーダーの間において砂あり及び砂なしの場合に、様々な距離における後方散乱電力掃引結果の比較を示すグラフである。 タグ及びリーダーの間において砂あり及び砂なしの場合に、様々な距離における方向掃引結果の比較を示すグラフである（タグ・リーダーの距離：（ａ）０．５ｍ、（ｂ）１．０ｍ、（ｃ）１．５ｍ、及び（ｄ）２．０ｍ）。 読み取り性能に対する砂の相対湿度の影響を示すグラフである。 読み取り性能に対する導電性ライナーの影響を示すグラフである。 読み取り性能に対する砂の粒子サイズの影響を示すグラフである（タグ・リーダーの距離：（ａ）０．５ｍ、（ｂ）１．０ｍ、（ｃ）１．５ｍ、及び（ｄ）２．０ｍ；砂１＝１６０μｍ及び砂２＝２１０μｍ）。 所定の実施形態に係るシステムにおいて使用される、異なる形状及び寸法のチャネルを示す概略図である（Ａ 直線状、円形断面）。 所定の実施形態に係るシステムにおいて使用される、異なる形状及び寸法のチャネルを示す概略図である（Ｂ 直線状、正方形断面）。 所定の実施形態に係るシステムにおいて使用される、異なる形状及び寸法のチャネルを示す概略図である（Ｃ ３０°の屈曲、正方形断面）。 所定の実施形態に係るシステムにおいて使用される、異なる形状及び寸法のチャネルを示す概略図である（Ｄ ４５°の屈曲、正方形断面）。 所定の実施形態に係るシステムにおいて使用される、異なる形状及び寸法のチャネルを示す概略図である（Ｅ ９０°の屈曲、正方形断面）。 所定の実施形態に係るシステムにおいて使用される、異なる形状及び寸法のチャネルを示す概略図である（Ｆ 直線状、楕円形断面）。 所定の実施形態に係るシステムにおいて使用される、異なる形状及び寸法のチャネルを示す概略図である（Ｇ 直線状、楕円形断面）。 所定の実施形態に係るシステムにおいて使用される、異なる形状及び寸法のチャネルを示す概略図である（Ｈ 直線状、矩形断面）。 所定の実施形態に係るシステムにおいて使用される、異なる形状及び寸法のチャネルを示す概略図である（Ｉ 直線状、矩形断面）。 所定の実施形態に係るシステムにおける、信号強度に対するチャネル形状及び屈曲角度の影響の比較を示し、（ａ）はチャネルの断面形状を示し、（ｂ）は屈曲角度を示すグラフである。 空であるか砂で充填された円形断面形状を有する鋼チャネルについて、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力及び測定された後方散乱電力の比較を示すグラフである。 空であるか砂で充填された正方形断面形状を有する鋼チャネルについて、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力及び測定された後方散乱電力の比較を示すグラフである。 空であるか砂で充填された正方形断面形状を有する鋼チャネルについて、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力及び測定された後方散乱電力の比較を示すグラフであって、測定が屈曲面に対して垂直である場合のグラフである。 空であるか砂で充填された正方形断面形状及び３０°の屈曲を有する鋼チャネルについて、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力及び測定された後方散乱電力の比較を示すグラフであって、測定「Ｈ」が屈曲面に対して平行である場合のグラフである。 空であるか砂で充填された正方形断面形状及び４５°の屈曲を有する鋼チャネルについて、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力及び測定された後方散乱電力の比較を示すグラフである（測定「Ｈ」が屈曲面に対して平行であり、他方がそれに垂直である）。 空であるか砂で充填された正方形断面形状及び９０°の屈曲を有する鋼チャネルについて、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力及び測定された後方散乱電力の比較を示すグラフである（測定「Ｈ」が屈曲面に対して平行であり、他方がそれに垂直である）。 空であるか砂で充填された楕円形断面形状（２００×２５０ｍｍ）を有する鋼チャネルについて、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力及び測定された後方散乱電力の比較を示すグラフである。 空であるか砂で充填された楕円形断面形状（２００×３００ｍｍ）を有する鋼チャネルについて、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力及び測定された後方散乱電力の比較を示すグラフである。 空であるか砂で充填された矩形断面形状（２００×２５０ｍｍ）を有する鋼チャネルについて、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力及び測定された後方散乱電力の比較を示すグラフである（測定「Ｈ」は矩形の長辺（２５０ｍｍ）に平行であり、一方、「Ｖ」は短辺（２００ｍｍ）に平行である）。 空であるか砂で充填された矩形断面形状（２００×３００ｍｍ）を有する鋼チャネルについて、８６０～９６０ＭＨｚの周波数において測定されたしきい値送電電力及び測定された後方散乱電力の比較を示すグラフである（測定「Ｈ」は矩形の長辺（３００ｍｍ）に平行であり、一方、「Ｖ」は短辺（２００ｍｍ）に平行である）。 所定の実施形態に係るシステムにおける、信号強度に対する金属ライナー及び砂の組み合わされた影響を示すグラフであって、（ａ）はしきい値送電電力を示し、（ｂ）は後方散乱電力を示すグラフである（読み取り距離：１ｍ）。 所定の実施形態に係るシステムにおける、信号強度に対する微粒子材料の脂質の影響を示すグラフであって、（ａ）はしきい値送電電力を示し、（ｂ）は後方散乱電力を示すグラフである（小型タグ、読み取り距離：０．４５ｍ）。

定義．
他の方法で定義されない限り、本願において使用されるすべての技術的及び科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。

明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」，及び「ｔｈｅ」は、文脈で明示的にそうでないと示していない限り、複数形を含むと意図される。

本願において使用される用語「備える」又は「含む」（comprising）は、後続して列挙するものが網羅的ではなく、他の任意の追加の適切な物品、例えば、適宜に１つ又は複数のさらなる特徴、構成要素、及び／又は成分を含んでも含まくてもよいことを意味すると理解される。

本願は、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）技術に基づく無線センサ装置を提供する。本装置は、リーダーから質問信号を受信してリーダーに応答信号を送信するように構成された少なくとも１つのアンテナと、少なくとも１つのアンテナに接続された少なくとも１つの集積回路（ＩＣ）と、アンテナ及びＩＣの間における少なくとも１つの検出素子とを含むＲＦＩＤセンサを備える。本願の無線センサ装置は、アンテナ及びリーダーの間における信号の伝送を導くためのチャネルをさらに備える。ＲＦＩＤセンサは、チャネルの一端に取り付けられるか又は直接に隣接する。検出素子は、環境によって引き起こされた変化に応答して、導電状態から非導電状態に切り換わるか、又は、非導電状態から導電状態に切り換わる。

ＲＦＩＤセンサは、モニタリングを必要とする構造物（例えば、パイプライン、又は、有害廃棄物貯蔵容器のような貯蔵容器）に近接して、地中又は水中に埋設されるように設計される。

いくつかの実施形態では、本ＲＦＩＤセンサは、極超短波（８６０～９６０ＭＨｚ）領域（又はさらに高い領域、例えばマイクロ波）におけるＲＦ周波数を使用し、ここでは、読み取り距離（バッテリー又は電力なしの場合）は、通常、数メートルから約１０メートルの範囲にある。このことは、現在のセンサのほとんどのような長波から短波の使用とは対照的である。この場合、読み取り距離は、通常、１メートルよりもずっと短くなる。

ＲＦＩＤセンサ．
ＲＦＩＤセンサは、構造物の腐食をモニタリングするか、又は構造物からの漏出を検出するか、又はそれらの両方を行うように構成されてもよい検出素子を備える。

腐食モニタリングのために、一実施形態では、検出素子は、導電性かつ腐食性の材料からなり、これは、モニタリングされる構造物の材料を同一又は同様である。検出素子は、ＩＣチップ及びアンテナの間における短絡として、ＲＦＩＤセンサへ一体化される。その結果、ＲＦＩＤアンテナは、検出素子によってもたらされる短絡に起因してＩＣチップに接続されず、それにより、検出素子が導電性である場合（遮断されていない）場合、ＲＦＩＤセンサが読み取り可能ではなくなる。検出素子は環境に露出され、一方、センサの他の部分は安定環境に維持される。例えば、ＲＦＩＤセンサの他の部分は、腐食を防ぐため、例えばプラスチックケースに、封止されてもよい。

検出素子の腐食は、ＩＣチップ及びアンテナの間の短絡の「遮断」をもたらし、その結果、ＩＣチップはアンテナに電気的に接続され、ＲＦＩＤセンサ及びリーダーの間の通常の通信を可能にする。使用時に、検出素子が完全に腐食され、ＩＣ及びアンテナの間の短絡が遮断された場合、オペレータは、所定の量の腐食が蓄積されたと通知される。

検出素子の腐食は、ＩＣチップ及びアンテナの間の短絡が導電状態から非導電状態に「変化」することをもたらし、その結果、ＩＣチップはアンテナに電気的に接続され、ＲＦＩＤセンサ及びリーダーの間の通常の通信を可能にする。使用時に、検出素子が導電状態から非導電状態に変化するように腐食され、その結果、ＩＣ及びアンテナの間の短絡が「遮断」された場合、オペレータは、所定の量の腐食が蓄積されたと通知される。

もう１つの実施形態では、検出素子は非導電材料からなり、それは環境に反応することができ、所定のレベルの腐食が生じた場合に導電状態になる。検出素子は、ＩＣチップ及びアンテナの間の短絡（初期状態では、非導電状態にあるので有効ではない）として、ＲＦＩＤセンサへ一体化される。その結果、ＲＦＩＤアンテナは、初期状態では、ＩＣチップに接続され、検出素子が腐食されていない場合（非導電状態）、ＲＦＩＤセンサは読み取り可能である。検出素子は環境に露出され、一方、センサの他の部分は安定環境に維持される。例えば、ＲＦＩＤセンサの他の部分は、腐食を防ぐため、例えばプラスチックケースに、封止されてもよい。

検出素子の腐食は、ＩＣチップ及びアンテナの間の短絡の「接続」をもたらし、その結果、ＩＣチップからアンテナへの電気的接続は「遮断」され、ＲＦＩＤセンサ及びリーダーの間の通常の通信を不可能にする。使用時に、検出素子が腐食され、ＩＣ及びアンテナの間の短絡が接続された場合、オペレータは、所定の量の腐食が蓄積されたと通知される。

検出素子は、モニタリングされている構造物における予め決められたレベルの腐食を短絡の「遮断切」又は「接続」が示すように製造される。予め決められたレベルは、モニタリングされている特定の構造物に特有の様々なファクターに基づき、及び／又は、その使用及び環境に基づく。例えば、予め決められたレベルの腐食は、環境上の又はシステムのダメージが生じる前に適切な修理又は交換を行うことができるように、構造物の故障前に生じる腐食の１レベルに対応するように選択されてもよい。

一実施形態では、ＲＦＩＤセンサは、異なるサイズの検出素子に接続された複数のＩＣチップを備える。この構成によれば、これらのチップが腐食の程度及び腐蝕速度に依存して異なる時点においてオンされるので、オペレータは、モニタリングされている構造物の腐食の進行をモニタリングすることを可能にする。

モニタリングされている構造物からの漏出を検出するために、同様の概念が適用される。この態様では、検出素子は、初期状態において導電状態又は非導電状態にある材料を含み、いったん漏出物質が検出素子に反応すると、材料はそれぞれ非導電状態又は導電状態になり、それによって、ＩＣチップ及びアンテナの間の短絡を遮断又は接続し、センサ及びリーダーの間の通常の通信をイネーブル又はディセーブルする。

腐食をモニタリングするために使用された検出素子と同様に、予め決められたレベルの漏出物質が存在する場合、漏出を検出する検出素子は、導電状態から非導電状態に、又は、非導電状態から導電状態に切り換わるように設計される。一実施形態では、ＲＦＩＤセンサは、異なるサイズの検出素子に接続された複数のＩＣチップを備える。この構成によれば、これらのチップが漏出の程度及び漏出速度に依存して異なる時点においてオン又はオフされるので、オペレータは、モニタリングされている構造物の漏出の進行をモニタリングすることを可能にする。

伝送チャネル．
見通し線伝搬が無線周波数の特性であるので（すなわち、電波はソースから受信機に直進経路で伝搬するので）、本ＲＦＩＤセンサが地中又は水中で機能するために、センサは、リーダーがセンサを質問する際に通過しうる自由経路又はチャネルを含む必要がある。従って、本発明のＲＦＩＤセンサ装置は、ＲＦＩＤ信号の伝送のための経路を作るチャネル（例えば、チューブ又はトンネル）を備える。チャネルは直線状であってもよく、又は、例えば、モニタリングされている構造物の環境に依存して、湾曲又は屈曲していてもよい。

一実施形態では、チャネルは、任意の材料（例えば、プラスチック、プレキシガラス、金属、木材など）からなるチューブ又はトンネルであり、これが信号経路を定義する水がＲＦＩＤ信号（極超短波領域におけるものを含む）を大幅に吸収し、従って、実質的に読み取り距離を短縮しうることは周知である。水中構造物の場合には明らかに水が存在し、大部分の地中構造物を包囲する土壌にも水が存在するので、チャネルにおける水又は水分の導入を回避することが必要である。従って、チャネルの２つの端部は、信号伝送の経路に蓄積して阻止するか、又は干渉する可能性がある水又はデブリがチャネルに存在しないことを保証するように封止される。

チャネルは、連続的なチューブ又はトンネルから形成されてもよく、又は、互いに接続された２つ以上のチューブ又はトンネルから形成されてもよい。

ある実施形態では、チャネルは、概して円筒状のチューブ又はトンネルから形成されるか、又は、互いに接続された概して円筒状のチューブ又はトンネルの組み合わせから形成される。他の実施形態では、チャネルは、正方形形状を有するチューブ又はトンネル、楕円形形状を有するチューブ又はトンネル、矩形形状を有するチューブ又はトンネルなどのような、１つ又は複数の代替の形状を有するチューブ又はトンネルから形成される。容易に認識されるように、チャネルは、内部チャネルが外部環境から封止されたままであるように接続されていれば、互いに異なる形状を有するチューブ又はトンネルの組み合わせから形成されてもよい。

一実施形態では、チャネルは空である。もう１つの実施形態では、チャネルは、乾燥した微粒子又は粒子材料で充填されるか、又は、２つ以上の乾燥した微粒子又は粒子材料の組み合わせで充填される。乾燥した微粒子又は粒子材料は非導電性であるべきであり、ここで、材料の電気抵抗率が減少するとき、微粒子又は粒子材料が無線周波数信号の伝送を向上させる能力が増大する。

本発明者らは、驚くべきことに、乾燥した微粒子又は粒子充填材料の使用により無線周波数信号の伝送を向上させられることを発見した。充填材の使用は、チャネルの１つ又は複数の壁部における外圧（例えば、チャネルを形成するチューブ又はトンネルを外部から押す水又は土壌の結果として生じる）の平衡を保つことも支援し、それにより、チューブ／トンネルをストレスなしの状態で維持することができる。再び、チューブの２つの端部は、チャネルの中への水分又はデブリの浸透を回避するように封止される。

乾燥した微粒子の充填材は、砂（ＳｉＯ_２）、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３などのような非導電材料からなるが、これらに限定されない。充填材料を参照して使用される場合、用語「乾燥」は、微粒子材料の相対湿度が９０％未満であることを意味する。

チャネルが充填されているか否かに無関係に、チューブ又はトンネルは、オプションで、導電性の内面を有する。例えば、チャネルを製造するために使用した材料が導電性ではない場合、信号がチューブの内側で反射されて、リーダーがセンサに質問するチューブの端部まで伝搬し続けるように、チャネルの内面は、導電コーティングでコーティングされてもよく、又は、導体材料（金属箔、例えばアルミニウム箔など）で裏打ちされてもよい。チューブ又はトンネルが湾曲又は屈曲される（微粒子又は粒子充填材なし）実施形態において、チューブ又はトンネルの一端から他端に信号を偏向又は導波するために、導電性の内側のライナーが必要とされることがある。

以下の説明は、本ＲＦＩＤ無線センサ装置の特定の実施形態を説明するために、図を参照して提供される。

図１を参照すると、埋設又は水中の構造物１の完全性をモニタリングするための（例えば、腐食又は漏出をモニタリングするための）ＲＦＩＤ無線センサ装置は、ＲＦＩＤセンサ１０と、ＲＦＩＤセンサ１０及びリーダー４０の間の信号の伝送を導くためのチャネル２０とを備える。オプションで、チャネルは、乾燥した砂のような、充填材料３０を備える。

図１に示すように、ＲＦＩＤセンサ１０は、チャネル２０の底部に近接して配置され、かつ、取り付けられ、ただし、封止された端部２２の外部に設けられる。このように、ＲＦＩＤセンサ１０は環境に接しているが、ＲＦＩＤセンサ１０とリーダー４０との通信は、環境に存在しうる水分又は水による影響を受けない。封止されたチャネル２０は、ＲＦＩＤセンサ１０及びリーダー４０の間における通信のための経路を提供する。乾燥した充填材料２０は、信号の伝送を向上させるために（従って、読み取り距離を増大させるために）、また、チャネル２０を形成するチューブ又はトンネルの構造物を強化するために使用される。

図１に示す実施例において、ＲＦＩＤセンサ１０は、チューブの上部からリーダー４０によって質問される。質問中に、リーダー４０は、チャネル２０の封止された端部２４の上に位置する。この構成において、ＲＦＩＤセンサ１０の動作のためにバッテリー又は電力は必要とされず、センサを変更又は交換することなく長期のモニタリングを可能にする。オペレータは、埋設された構造物１の完全性、例えばその腐食状態を調査するために、リーダーに４０をチャネル２０の上端に周期的に持参してもよく、又は、リーダー４０（バッテリーによって電力供給を受け、再生可能エネルギー、例えば太陽又は風によって充電される）は、周期的（プログラミング可能）にＲＦＩＤセンサ１０に質問して腐食の状態を報告するために、永久に又は一時的に現場に設置されてもよい。質問を行うためにリーダー４０をドローンによって搬送してもよい。試験結果は、リーダーに格納され、オペレータによって回収されてもよく、又は、例えば衛星を介して、オペレータに無線送信されてもよい。図１におけるチャネル内の矢印は、ＲＦＩＤセンサ１０からリーダー４０に伝送されている信号を示すことが意図される。

図２を参照するとして、モニタリングＲＦＩＤセンサ１０は、少なくとも１つのＩＣチップ１２と、少なくとも１つのアンテナ１４と、ＩＣチップ１２及びアンテナ１４の間の「短絡」として機能している少なくとも１つの検出素子１６とからなる。この構成は、検出素子がＩＣチップ及びアンテナの間における「スイッチ」である典型的な無線センサとは異なる。本装置では、検出素子１６は、ＩＣチップ１２及びアンテナ１４の間における「短絡」として機能する。典型的な無線センサでは、検出素子がＩＣチップ及びアンテナの間における通常の接続を提供するので、センサ及びリーダーの間における通信は、最初に「オン」される。いったん検出素子が環境によって影響を受けて、導電状態から非導電状態にその状態を変更すると、それはセンサを「オフ」に切り換える（もう１つのチップはオンされてもよい）。対照的に、本装置では、ＲＦＩＤセンサ１０は、初期状態では、検出素子１６の導電性に依存して「オフ」又は「オン」されている。検出素子１６が初期状態で導電性である場合、最初に短絡を可能にする（センサは「オフ」である）。検出素子１６が初期状態で非導電性である場合、最初短絡が有効ではない（センサは「オン」である）。環境の影響の結果として検出素子１６が非導電状態又は導電状態になるとき、ＲＦＩＤセンサ１０はそれぞれ「オン」又は「オフ」され、リーダーを介して状態変化を検出することができる。

検出素子１６が初期状態で導電性である場合、それが劣化していない間、ＲＦＩＤセンサ１０におけるアンテナ１４は、導電状態にある検出素子１６の存在によって引き起こされる短絡に起因して、アンテナとしては機能しない。そのとき、検出素子１６は本質的にアンテナとして機能する。しかしながら、検出素子１６は、通常のアンテナ１４と比較して小さなサイズを有するので、数センチメートルより大きい距離では本質的に読み取り可能ではない。いったん検出素子１６がその非導電状態に変更されると（例えば、漏出物質による腐食又は接触の結果として遮断されると）、短絡は開状態になり、リーダー及びＲＦＩＤセンサ１０の間において通信が確立されるように、はめ込みアンテナ１４は機能状態になる。この通信は、検出素子１６が腐食モニタリングのために設計されている場合には、蓄積された所定量の腐食を示してもよく、又は、検出素子１６が漏出検知のために設計されている場合には、何らかの物質の漏出を示してもよい。

検出素子１６が初期状態で非導電性である場合、それが劣化していない間、ＲＦＩＤセンサ１０は正常に機能し、リーダーによって質問されることが可能である。いったん漏出物質による腐食又は反応に起因して検出素子１６が導電状態に変更されると、短絡が有効になり、はめ込みアンテナ１４はアンテナとして機能しない。そのとき、検出素子１６は本質的にアンテナとして機能する。しかしながら、検出素子１６は、通常のアンテナ１４と比較して小さなサイズを有するので、数センチメートルより大きい距離では本質的に読み取り可能ではなく、これにより、リーダー及びＲＦＩＤセンサ１０の間における通信は本質的にディセーブルにされる。このことは、検出素子１６が腐食モニタリングのために設計されている場合には、蓄積された所定量の腐食を示してもよく、又は、検出素子１６が漏出検知のために設計されている場合には、何らかの物質の漏出を示してもよい。

本願のＲＦＩＤ無線センサ装置は、単一のＩＣチップ又は複数のＩＣチップを含んでもよい。各単一のチップセンサは、腐食又は漏出の程度を特定の予め決められた量までのみ検出するために使用されてもよい。その理由は、いったん腐食又は漏出物質が所定の予め決められたレベルに到達すると、検出素子は遮断されるか、その非導電／導電状態に変換され、その結果、センサ及びリーダーの間における通信をイネーブル／ディセーブルする。検出素子はその非導電／導電状態に可逆的には変換されず、むしろ、これは恒久的なスイッチである。検出可能である腐食／漏出の量は、検出素子の特性によって決定される。

もう１つの実施形態では、ＲＦＩＤ無線センサ装置は、構造物完全性における変化を、累積変化又は変化率（例えば、腐食の蓄積又は腐蝕速度、又は漏出の程度又は漏出速度）としてモニタリングするように構成される。この実施形態において、装置は、ＲＦＩＤセンサへ一体化された２つ以上のＩＣチップを備える。２つ以上のＩＣチップは、同じアンテナを共用してもよく、又は、各々のアンテナをそれぞれ有してもよい。

図３は、構造物（図示せず）の腐食をモニタリングするためのＲＦＩＤ無線センサ装置１１０の実施形態を示す。ＲＦＩＤ無線センサ装置１１０は、アンテナ１１４を共用する複数のＩＣチップ１１２と、異なるＩＣチップ１１２に接続されて各ＩＣチップ１１２において短絡を形成する複数の検出素子１１６とを備える。各検出素子１１６は、予め決められた腐蝕速度又は蓄積に到達したとき、状態を変更するように構成される。このことは、例えば、各検出素子１１６に使用された材料において異なるサイズ又は厚さを使用することで達成可能である。従って、腐食が進行すると、個別の検出素子１１６は、それらの予め決められた腐食レベル又は速度に合わせて状態を変更し、それによって、それらに関連付けられたＩＣチップ１１２を逐次にオン／オフする。各ＩＣチップ１１２は、独立した（かつ一意の）タグとして識別可能である。ＩＣチップ１１２がオンするとき、それらは質問中にリーダーと通信する。このように、モニタリングされている構造物の腐食の状態又は程度を決定することができる。

図２及び図３にさらに示すように、環境に露出されるＲＦＩＤセンサ（それぞれ１０及び１１０）の部分は検出素子（それぞれ１６及び１１６）のみであるように、ＩＣチップ（それぞれ１２及び１１２）及びアンテナ（それぞれ１４及び１１４）は、保護ハウジング（例えばプラスチックエンクロージャ）で包囲される。

図２及び図３では、腐食のモニタリングにおけるそれらの適用を参照して説明したが、漏出の検出のために、又は、構造的な完全性の喪失（例えば、水分、ｐＨ、破断など）に関する他の指標のモニタリングのために、同様の構成が使用される。ＲＦＩＤ無線センサ装置は、モニタリングされている構造物を構成するために用いた材料と同一又は同様の方法で、関連する指標に敏感な材料から製造された検出素子を使用することによって、各使用のために適応化される。いくつかの実施形態では、検出素子は、モニタリングされている構造物において使用された材料と同じ材料から、少なくとも部分的に作られる。

いくつかの実施形態では、ＲＦＩＤ無線センサ装置は、検出素子を置換可能であるように製造される。図４を参照すると、ＲＦＩＤ無線センサ装置２１０は、着脱可能な検出素子２１６（プラグインのコネクタなど）のために設計されたレセプタクル（差し込み口など）２５０を備えて製造される。上述した装置の場合のように、取り付けられたとき、検出素子２１６は、初期状態において導電状態又は非導電状態にあり、ＩＣチップ２１２及びアンテナ２１４の間における短絡をイネーブル又はディセーブルし、これにより、ＩＣチップ２１２及びアンテナ２１４の間において接続なし又は接続ありの状態になる。構造的な完全性の喪失の指標による腐食又は接触の結果として、いったん検出素子２１６がその導電状態を変更すると、検出素子２１６は非導電状態又は導電状態になり、短絡がディセーブル又はイネーブルされ、それによって、アンテナ２１４はＩＣチップ２１２に接続又は切断され、センサ２１０は、リーダー４０によって質問されるとき、リーダー４０と通信可能または通信不可能になる。

図５を参照すると、本願のＲＦＩＤ無線検出装置は、ＲＦＩＤセンサと、チューブ又はトンネルなどによって定義されるチャネルとを備える。図５に示すように、ＲＦＩＤ無線検出装置３０５ａは、ＲＦＩＤセンサ３１０ａと、上部の封止を提供するキャップ３３５ａにより両端で封止された直線状のチャネル３３０ａとを備える。空のチャネルが使用されてもよく、それは、リーダー及びセンサの間における直線上の見通し内通信を可能にする。しかしながら、チャネルを定義するために空のチューブ（例えば、プラスチック又は木からなる）が使用されるとき、チューブは、例えば周囲の水、土壌、及び／又は岩石からの外圧の結果であるダメージ又は変形の影響を受けやすい。

図５に示すように、チャネル３３０ａは、オプションの粒子充填材料を含む。この場合、チューブは、外圧によって引き起こされたダメージ及び変形を低減又は完全に回避するための材料で充填される。本発明者らは、驚くべきことに、内部の充填材料が乾燥した粒状材料（例えば砂、また、先に詳述したようなもの）である場合、それはセンサからの信号を阻止することも減衰させることもないことを発見した。代わりに、それは、信号が空のチャネルを伝搬する場合よりも長い距離を伝搬可能であるように、信号の伝搬を向上させることを発見した。

ＲＦ信号の強度は、チューブ又はトンネルが金属からなるものではない場合に、チャネルを定義するチューブ又はトンネルの内面に対して導体材料の層（例えば金属層又は金属箔）を配置することによりさらに向上させることができる。

図５をさらに参照すると、一実施形態において、ＲＦＩＤ無線センサ装置３０５ｂは、ＲＦＩＤセンサ３１０ｂと、上部の封止を提供するキャップ３３５ｂにより両端で封止された湾曲又は屈曲したチャネル３３０ｂとを備える。湾曲又は屈曲したトンネルの内面は、それが金属からなるものではない場合、信号がチャネル内で反射されてリーダーに到達しうるように、金属層でコーティング又は裏打ちされてもよい。湾曲したチャネル３３０ｂにおいて砂のような乾燥した粒状充填材料を使用することで、ＲＦＩＤセンサ３１０ｂ及びリーダーの間に直線上の見通し線が存在しなくても、（チャネルが非導体材料からなる場合）チャネル３３０ｂに沿ったＲＦ信号の伝搬を向上させる。

埋設構造物をモニタリングする処理．
本願は、埋設構造物における環境の変化を検出するための方法をさらに提供する。リーダーは、先に詳述したように、ＲＦＩＤ無線センサ装置内のＲＦＩＤセンサに質問するために使用される。ＲＦＩＤセンサは、アンテナ及びリーダーの間における信号の伝送を導くためのチャネルの一端に取り付けられるか又は直接に隣接する。検出素子は、その環境によって引き起こされた変化に応答して、初期の導電状態から非導電状態に切り換わるか、又は、初期の非導電状態から導電状態に切り換わる。さらに、ＲＦＩＤセンサもまた、構造的な完全性についてモニタリングされている埋設構造物に隣接又は取り付けられる。

埋設構造物の構造的な完全性は、例えば、腐食又は物理的ダメージ（例えば、割れ又は穴）によって損なわれる可能性があり、それは、構造物内で伝送される物質の環境への漏出をもたらす可能性がある。本方法は、構造物材料の腐食のレベルを間接的に測定しうるか、構造的の完全性の喪失の指標の存在及び／又はレベルに応答しうる、ＲＦＩＤセンサ内の検出素子を用いて、構造的の完全性をモニタリングする。指標は、例えば、漏出物質、ｐＨ、水などであってもよい。

本方法によれば、リーダーは、ＲＦＩＤセンサに質問し、検出素子の状態においてその初期状態からの変化が存在したか否かを決定する。変化が存在しない場合、地中構造物の構造的な完全性が予め決められた許容限界内にある。しかしながら、変化がある場合、それは構造的な完全性の低下を示す。

ＲＦＩＤ無線センサ装置が、１つよりも多くの検出素子－ＩＣペア（先に詳述）を有するＲＦＩＤセンサを備える場合、異なるＩＣチップに接続された検出素子の状態の連続する変化を検出することができるので、構造的な完全性における連続的な変化をモニタリングすることができる。ＲＦＩＤリーダーは、同時に複数のセンサに質問することができる。

本明細書において説明した本発明をより良好に理解するために、以下の実施例を示す。これらの実施例が例示のみを目的としていることが理解されるべきである。従って、それらは、いかなる方法でも本発明の範囲を制限するべきでない。

実施例１：

実験において使用されるＲＦＩＤトランスポンダ（タグ）は、商用の受動式極超短波（ＵＨＦ）タグ（ＧＡＯ ＲＦＩＤインコーポレイテッド、トロント、オンタリオ）であった。これらのタグは、１５０×１８ｍｍ^２（厚さ３ｍｍ）の寸法を有する矩形の表面を有する。タグは、積層されたポリカーボネート及びアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）プラスチックで包囲され、高い温度（＜２００°Ｃ）、湿度、及び圧力（＜１．５ＭＰａ）に耐えることができる。ＲＦＩＤリーダーは、個々のＵＨＦ ＲＦＩＤトランスポンダの機能及び性能を評価するように設計されたＶｏｙａｎｔｉｃ Ｔａｇｆｏｒｍａｎｃｅ（登録商標）システムであった。ＩＤ認識における高い読み取り速度及び精度が必要とされるサプライチェーンマネジメントにおいて使用される従来技術のＲＦＩＤリーダーとは異なり、Ｖｏｙａｎｔｉｃ Ｔａｇｆｏｒｍａｎｃｅ（登録商標）リーダーは、大部分の従来技術のＲＦＩＤアプリケーションのようにタグＩＤのみを検索することに代えて、リーダー及びタグの間における順方向及び逆方向の通信（送信及び後方散乱）の間におけるＲＦ信号の強度を記録するように指定される。Ｔａｇｆｏｒｍａｎｃｅ（登録商標）ＲＦ発生器の実際の出力電力範囲は、０～＋２７ｄＢｍであり、±１．０ｄＢの絶対精度を有する。ＲＦ受信機は、－８０～＋１０ｄＢｍの使用可能な線形のダイナミックレンジ及び－７５ｄＢｍの感度を有する。

ＲＦＩＤリーダー及びタグの間の通信は、リーダーからタグへの、また、再びリーダーへと戻る、順方向及び逆方向のリンクを確立することにより実現された。受動タグの場合、タグ自体は電力をもたず、従って、それ自体にエネルギーを供給するために、リーダーによって発生されたＲＦエネルギー（キャリア）から電力を取り出さなければならない。順方向リンクを確立するためにタグのＲＦ集積回路（ＩＣ）にエネルギーを供給するために必要とされる最小電力が存在する。Ｔａｇｆｏｒｍａｎｃｅ（登録商標）リーダーは、この電力を、タグを動作させるためのしきい値送電電力（Threshold Transmitted Power）として（ｄＢｍを単位として）記録する。同様に、タグから後方散乱されたＲＦ信号を復号するために必要とされる最小電力も存在し、これは、リーダーによって、しきい値後方散乱電力（Threshold Backscattered Power）として（同じくｄＢｍを単位として、ただし、後方散乱電力は１ミリワット未満であるので、それは負である）記録される。

３つのタイプの測定が行われた。

－周波数掃引：タグは、８６０～９６０ＭＨｚの周波数範囲において２ＭＨｚのステップでスキャンされ、しきい値送電電力は周波数の関数として記録された。対応する後方散乱電力も記録される。
－後方散乱電力掃引：この測定において、周波数は９１５ＭＨｚ（すなわち、北米の周波数範囲９０２～９２８ＭＨｚの中央値）に固定され、リーダーの送電電力は－５ｄＢｍから３０ｄＢｍまで０．５ｄＢｍのステップで変更され、その一方、タグの後方散乱電力強度はリーダーの送電電力の関数として記録された。
－方向掃引：タグアンテナの偏波方向は、リーダーアンテナの偏波方向に対して０°から３６０°まで１５°のステップで変更され、しきい値送電電力及びしきい値後方散乱電力は各角度において記録された。

砂あり又は砂なしの場合におけるＲＦＩＤ読み取り性能に関する実験を、図６に示すように、木製の試験箱を用いて行った。木製の箱は、砂で充填されてもよい４つの連続的に整列したチャンバを有し、タグ及びリーダーアンテナは、様々な距離、例えば、０．５ｍ、１．０ｍ、１．５ｍ、及び２．０ｍで、砂によって分離される。各距離について、タグは、箱における砂あり又は砂なしの場合に読み取られ、これにより、読み取り性能を比較することができた。方向掃引を除いて、タグの長手方向は、アンテナ偏波方向に対して常に平行、すなわち０°の方向にあった。方向掃引（角度）試験は、タグの長手方向及びリーダーの偏波方向が平行ではない、すなわち０°から３６０°までの角度にあるときに、読み取り値を評価するために行った。タグホルダは、リーダーアンテナに関して０°～３６０°にわたるタグの回転を容易にするように製造された。

図７～図９は、タグ及びリーダーアンテナの間における砂あり又は砂なしの場合の読み取り結果を示す。

図７は、しきい値送電電力の比較を示し、試験されたすべての読み取り距離について、しきい値送電電力は、常に、砂ありで試験した場合よりも砂なしで試験した場合のほうが高かった。このことは、タグ及びリーダーの間に砂が存在する場合、タグにエネルギーを供給するために必要とされる電力が、砂なしの場合（空気）よりもずっと低くなることを意味する。このことは、砂がタグの読み取り性能を向上させたことを示す。図８において、これらの送電電力における後方散乱電力が比較され、ここでは、同じ読み取り距離においてタグ及びリーダーの間に砂が存在したとき、常に、後方散乱電力がより高くなったことがわかる。再び、このことは、砂が読み取り性能を実際に向上させたことを示す。

図９において、読み取り距離に関するしきい値送電電力の変動を示し、ここでは、タグ・リーダーの距離に対して、いくつかの周波数（１０ＭＨｚごとに８６０～９６０ＭＨｚ）における読み取り値をプロットした。読み取り距離が小さいとき（０．５ｍ）、砂あり及び砂なしの場合における読み取り値の間の差が比較的に小さくなったことがわかる。読み取り距離が増大すると、砂あり及び砂なしの場合における読み取り値の間の差は大きくなる。概して、砂ありの場合の読み取り値は、読み取り距離に対してごくわずかに変化したが、砂なしの場合の読み取り値は、読み取り距離に対して大幅に変化した。

図１０は、後方散乱電力掃引結果を示す。それは、リーダー及びタグの間に砂を充填することで読み取り性能を大幅に向上させうることを再び確認した。例えば、読み取り距離が１．５ｍ又は２．０ｍである場合、砂なしで読み取る場合のしきい値送電電力はそれぞれ、１３．５及び１５ｄＢｍである。リーダー及びタグの間に砂が充填された場合、ＴＴＰは０ｄＢｍまで低減した。さらに、関連付けられた後方散乱電力もまた、砂なしの場合よりもずっと高くなった。

図１１に方向掃引結果を示し、ここでは、固定周波数（９１５ＭＨｚ）のしきい値送電電力における後方散乱電力を、タグの長手方向及びリーダーアンテナの偏波方向の間の角度に対して比較した。読み取り距離が増大するとき、砂なしの場合の読み取り値がすべての方向においてますます弱くなったが、一方、砂ありの場合の読み取り値がずっと大きくなり、読み取り距離が増大しても本質的には変化しなかったことがわかる。実際、読み取り距離が増大するとき、リーダー及びタグの間に砂が存在した場合、いくつかの角度（例えば、６０°／２４０°、７５°／２２５°、１０５°／２８５°、及び１２０°／３００°）における後方散乱電力は増大された。

砂の乾燥度（すなわち、砂の湿度又は水分量）が読み取り性能に対してかなりの影響を有していたことに注意する。図１２に示すように、砂が比較的に乾燥していた場合、例えば４０％の水分が存在する場合、後方散乱電力は比較的に高くなった。砂が湿潤であった場合（１００％を超える水分）、読み取り値は大幅に弱くなる可能性がある。一方、砂が金属箔で包囲された場合（すなわち、砂箱が金属箔で裏打ちされた場合）、信号強度を大幅に向上させることができる（図１３）。

図１４において、粒子サイズが読み取り性能に影響しうるが、試験された２つの砂（１６０μｍ対２１０μｍ）の間における小さな差が、大きな性能差をもたらすことはなかったことに注意する。短い（０．５ｍ）又は長い（２．０ｍ）読み取り距離において、読み取り値は互いに非常に類似したものであったが、中間の距離（１．０～１．５ｍ）では、より小さな砂の粒子サイズは、より大きな粒子サイズと比較して、周波数のほとんどにおいて、読み取り値をわずかに促進した。

実施例２：異なる断面形状を有するチャネルを介するＲＦＩＤ信号の伝送

実施例１で説明したものと同じＲＦＩＤリーダーを用いて、異なる断面形状及び寸法を有するチャネルを、砂（１６０μｍの粒子サイズ）で充填されている場合及び充填されていない場合の信号伝送に関して試験した。

チャネルは、１ｍの長さ（読み取り距離）及び以下の形状を有する低炭素鋼からなるものであった。

－直径２８２．８ｍｍを有する円形断面（ＲＦＩＤアンテナを覆うために２００のｍｍ×２００ｍｍの正方形が内接する）。
－２００ｍｍ×２００ｍｍの寸法を有する正方形断面。
－２００ｍｍ×２５０ｍｍ（Ｓ）及び２００ｍｍ×３００ｍｍ（Ｌ）の寸法を有する楕円形断面。
－２００ｍｍ×２５０ｍｍ（Ｓ）及び２００ｍｍ×３００ｍｍ（Ｌ）の寸法を有する矩形断面。

下記のテーブルは、検討されたチャネルの構造物を要約する。

図１５Ａ～図１５Ｉは、検討されたチャネルの各々の横断面図、斜視図、及び側面図を寸法とともに提供する。

図１６は、信号強度に対するチャネル形状及び屈曲角度の影響の比較を要約する。図１８～図２６は、異なるチャネル形状を用いて観察される信号強度の差を示す。

これらの検討の結果は、試験されたチャネルのすべてがＲＦＩＤの信号伝送において有効であることと、チャネル断面形状がチャネル内におけるＲＦＩＤ信号の導波に影響することとを実証した。試験された鋼管の場合、すべての形状（円形、正方形、楕円形、及び矩形）で、所定範囲の周波数において、信号を導波できない、すなわち、金属による反射及び吸収に起因して信号が相殺された。形状が異なると、信号が相殺された周波数も異なるものであった。しかしながら、導波可能であったＲＦＩＤ信号については、信号強度は、空気の場合（すなわち、チャネルなしの場合の信号伝送）よりもずっと強かった。これらの結果は、試験されたチャネルのすべてが、相殺されない限り信号を強化するということを実証する。概して、正方形形状は、検討された他の形状より信号伝送において良好であることがわかった。

この検討は、屈曲したチャネルが、ＲＦＩＤ信号をチャネルの一端から他端に導く際に有効であることをさらに実証した。これは、屈曲角度が９０°であった場合にさえあてはまった。再び、いくつかの信号周波数において、信号は相殺された。理論によって制約されることを望むものではないが、信号の相殺は、（ｉ）金属チューブによる信号の反射及び反射された信号の相互作用、（ｉｉ）鉄チューブ材料（鋼）による吸収に起因する。チューブが非鉄金属材料（例えば木材）からなる場合、又は、非鉄金属箔（例えばアルミニウム箔）で裏打ちされて砂で充填される場合、信号の相殺は回避することができる。

実施例３：木製のチャネルを介するＲＦＩＤ信号の伝送

実施例１で説明したような試験システムを用いて、木製のチャネルにおけるアルミニウム箔のライナー及び砂の影響が、（ｉ）アルミニウムなし、かつ砂なし、（ｉｉ）アルミニウムあり、ただし砂なし、（ｉｉｉ）砂あり、ただしアルミニウムなし、（ｉｖ）アルミニウムあり、かつ砂ありの場合について検討された。各場合において、チャネルは、図６に示すように、２００ｍｍの辺を有する正方形形状の断面を有するものであった。

図２７ａ及び図２７ｂに、この検討の結果を要約する。アルミニウムライナーなし、かつ砂なし（空気）の場合、信号は最も弱くなった。アルミニウムライナーあり、ただし砂なしの場合、信号は大幅に向上した。砂あり、ただしアルミニウムライナーなしの場合、信号は著しく強化された。砂及びアルミニウムライナーの両方がある場合、砂のみ（アルミニウムライナーなし）の場合と比較して、信号はごくわずかに向上した。従って、信号の強化に最も有意な影響を有するものは砂であった。

砂なしの場合の金属（鋼）チャネルは、典型的には、砂で充填された同じチャネルよりも、ＲＦＩＤ信号を良好に導波する。しかしながら、上述の結果は、チャネルが木製であり、内面をアルミニウム箔で裏打ちされている場合、チャネルを砂で充填することがＲＦＩＤ信号伝送をわずかに増大させることを実証した。

この検討は、チャネルが非導電材料からなる場合、チャネルを砂で充填することにより、金属の内面が提供されていない場合であっても、ＲＦＩＤ信号伝送を強化しうることを示す。言いかえれば、チャネルは非導電材料からなるものであってもよく、ただし、それは、ＲＦＩＤ信号送信を向上させるために、微粒子材料で充填されるか、導電ライナーを含むか、又はそれらの両方を必要とする。一方、鉄金属（例えば鋼）からなるチャネルは、内部の微粒子材料又は導電ライナーを必要とすることなく、ＲＦＩＤ信号を伝送することができるが、いくつかの周波数において信号が相殺される可能性がある。

チャネルを製造するために使用される金属のタイプは、ＲＦＩＤ信号を導くためにチャネルの効率又は能力に影響する。実施例２で説明したように、チャネルとして試験された鋼鉄管は、いくつかの周波数においてＲＦＩＤ信号の相殺を示した。木製のチャネルにおいてアルミニウム箔ライナーを使用することは、いずれの周波数でもＲＦＩＤ信号の相殺をもたらさなかった。理論によって制約されることを望むものではないが、このことは鉄金属の透磁率に起因する可能性がある。

実施例４：異なる微粒子充填材を備えたチャネルを介するＲＦＩＤ信号の伝送

実施例１で説明したものと同じＲＦＩＤリーダーを用いて、異なる微粒子材料が、チャネルにおけるＲＦＩＤ信号伝送を支援又は向上させるそれらの能力に関して試験された。以前に検討した砂（ＳｉＯ_２）に加えて、次の微粒子の材料を検討した。

－黒鉛（平均粒子サイズ：２５μｍ）。
－酸化アルミニウム（平均粒子サイズ：２０μｍ）。
－微細な炭化ケイ素（平均粒子サイズ：２５μｍ）。
－粗い炭化ケイ素（平均粒子サイズ：２５０μｍ）。

これらの検討は、直径６３．５ｍｍ及び長さ４５０ｍｍのプレキシガラスからなる円形チューブを用いて行われた。本願において説明したすべての他の検討で使用した、より大きなタグ（１５０ｍｍ×１８ｍｍ×ｍｍ）と比較すると、この構成に使用したタグは、７５ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍの寸法を有していた。

図２８ａ及び図２８ｂに、この検討の結果を要約する。

この検討は、他の微粒子材料が砂に同様の効果を有することを実証した。しかしながら、材料の導電性は、有効性において重要な役割を果たす。導電粒子、例えば黒鉛は、（空気に比較して）信号を著しく弱め、その一方、非導電粒子（例えば、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２）は、信号を強化する。ＳｉＣ（微細なもの及び粗いものの両方）は、試験したすべての材料のうちで最大の強化をもたらす。従って、導電性の微粒子材料は、信号の強化に適していない。

本明細書において言及したすべての刊行物、特許、及び特許出願は、本発明が関連する当業者の技能を示し、個々の刊行物、特許、又は特許出願が参照によって援用されると具体的かつ個々に示される場合と同程度に、参照によって本願に援用される。

このように説明した本発明は、多数の方法で変更されうることは明らかであろう。そのような変動は、本発明の精神及び範囲からの逸脱とみなされるものではなく、当業者に自明であるようなこのようなすべての変更は、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。

Claims (19)

1. ａ．無線周波数識別（ＲＦＩＤ）センサと、
   ｂ．チャネルと
   を備えた装置であって、
   上記ＲＦＩＤセンサは、
   － リーダーから質問信号を受信して上記リーダーに応答信号を送信するように構成されたアンテナと、
   － 上記アンテナに接続された少なくとも１つの集積回路（ＩＣ）と、
   － 少なくとも１つの検出素子とを備え、
   上記チャネルは、上記アンテナ及び上記リーダーの間における信号の伝送を導き、
   上記チャネルは両端において非導電性の耐食材料にて封止され、上記チャネルは非導電性の微粒子材料で充填され、
   上記ＲＦＩＤセンサは、上記チャネルの第１の端部に位置した上記ＲＦＩＤセンサと、上記チャネルの第２の端部に位置した上記リーダーとの間において信号を伝送させるように、上記チャネルの第１の端部に取り付けられるか又は直接に隣接し、
   上記検出素子は、その環境によって引き起こされた変化に応答して、導電状態から非導電状態に切り換わるか、又は、非導電状態から導電状態に切り換わる、
   装置。
2. 上記微粒子材料は、ＳｉＯ _２ を含む砂と、ＳｉＣと、Ａｌ_２Ｏ_３ とのうちの少なくとも１つである、
   請求項１記載の装置。
3. 上記チャネルは導電性の内面を備える、
   請求項１又は２記載の装置。
4. 上記チャネルは、正方形、矩形、楕円形、円形の断面形状を有する、
   請求項１～３のうちのいずれか１つに記載の装置。
5. 上記チャネルは正方形の断面形状を有する、
   請求項４記載の装置。
6. 上記少なくとも１つの検出素子は、
   ａ．上記ＩＣ及び上記アンテナの間の短絡として上記ＲＦＩＤセンサにおいて一体化されるか、
   ｂ．上記アンテナ及び上記ＩＣの間の接続として一体化されるか、
   ｃ．上記ＲＦＩＤセンサに差し込まれ、上記アンテナ及び上記ＩＣの間の短絡として機能する、
   請求項１～５のうちのいずれか１つに記載の装置。
7. 上記アンテナ及び上記少なくとも１つのＩＣは、上記少なくとも１つの検出素子のみが環境に露出されるように、保護ハウジング内に格納された、
   請求項１～６のうちのいずれか１つに記載の装置。
8. 上記ＲＦＩＤセンサの周波数は、極超短波領域又はマイクロ波領域にある、
   請求項１～７のうちのいずれか１つに記載の装置。
9. 上記リーダーは上記ＲＦＩＤセンサから遠隔して設けられ、上記ＲＦＩＤセンサはバッテリーを備える、
   請求項１～８のうちのいずれか１つに記載の装置。
10. 上記チャネルは、直線状、湾曲、又は屈曲している、
    請求項１～９のうちのいずれか１つに記載の装置。
11. 上記検出素子が導電状態にある場合、上記検出素子は上記ＲＦＩＤセンサに短絡し、上記検出素子が非導電状態に切り換わる場合、上記短絡は遮断される、
    請求項１～１０のうちのいずれか１つに記載の装置。
12. 上記少なくとも１つの検出素子は、腐食性材料又は漏出感応性材料を備える、
    請求項１１記載の装置。
13. 上記少なくとも１つの検出素子は、初期状態において導電性又は非導電性である、
    請求項１１記載の装置。
14. 上記装置は、地中又は水中に埋設された構造物に取り付けられるか又は直接に隣接する、
    請求項１～１３のうちのいずれか１つに記載の装置。
15. 上記構造物はパイプラインである、
    請求項１４記載の装置。
16. 埋設構造物の環境によって引き起こされた変化を検出するための方法であって、上記方法は、
    ａ．上記埋設構造物に隣接するように無線周波数識別（ＲＦＩＤ）センサを位置決めするか、又は、上記ＲＦＩＤセンサを上記埋設構造物に取り付けるステップを含み、
    上記ＲＦＩＤセンサは、
    － リーダーから質問信号を受信して上記リーダーに応答信号を送信するように構成されたアンテナと、
    － 上記アンテナに接続された少なくとも１つの集積回路（ＩＣ）と、
    － 初期状態における少なくとも１つの検出素子とを備え、
    上記検出素子は、その環境によって引き起こされた変化に応答して、初期の導電状態から非導電状態に切り換わるか、又は、初期の非導電状態から導電状態に切り換わり、
    上記方法は、
    ｂ．上記アンテナ及び上記リーダーの間における信号の伝送を導くためのチャネルを位置決めするステップであって、上記チャネルの第１の端部に位置した上記ＲＦＩＤセンサと、上記チャネルの第２の端部に位置した上記リーダーとの間において信号を伝送させるように、上記ＲＦＩＤセンサが上記チャネルの第１の端部に取り付けられるか又は直接に隣接するように上記チャネルを位置決めするステップを含み、
    上記チャネルは両端において非導電性の耐食材料にて封止され、上記チャネルは非導電性の微粒子材料で充填され、
    上記方法は、
    ｃ．上記リーダーを用いて上記ＲＦＩＤセンサに質問するステップと、
    ｄ．上記検出素子がその初期状態から変化したか否かを決定するステップとを含む、
    方法。
17. 上記方法は、請求項１～１３のうちの１つに記載の装置を用いる、
    請求項１６記載の方法。
18. 上記埋設構造物は地中又は水中にある、
    請求項１６又は１７記載の方法。
19. 上記埋設構造物はパイプラインである、
    請求項１８記載の方法。

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