11-4-2) سیستم نظارت بر خوردگی مبتنی بر اینترنت اشیا
ترکیبی از فناوری دیجیتال که شامل سیستمهای مبتنی بر اینترنت اشیا و تکنیکهای تجزیه و تحلیل دادههای پیشرفته با زیرساخت فیزیکی مدنی است، قبلاً مفهوم نظارت بر سلامت ساختاری را ایجاد کرده است. دادههای حسی که از شبکههای متعدد حسگرهای توزیعشده جمعآوری میشوند، میتوانند تجزیه و تحلیل، تفسیر و به عنوان اطلاعات قابل اعتماد، قوی و معنادار به ارائهدهندگان زیرساخت ارائه شوند، که سپس میتوانند تصمیمات آگاهانهای را در مورد سلامت ساختاری و نگهداری داراییهای خود انجام دهند. پیادهسازیهای موجود سیستمهای نظارت بر سلامت ساختاری مبتنی بر اینترنت اشیا تنها تأثیرات فیزیکی مرتبط با بار را بر ساختار هدف قرار میدهند. اما سلامت ساختار نیز می تواند به دلیل حملات شیمیایی (مانند کربناته شدن و نفوذ یون کلرید) بدتر شود. نظارت بر حملات شیمیایی، به ویژه برای سازه هایی که در معرض محیط تهاجمی قرار دارند، برای تشخیص زودهنگام خرابی مهم است. همانطور که در سیستم های نظارت بر سلامت ساختاری، نظارت بر مواد شیمیایی عامل خوردگی مبتنی بر اینترنت اشیا مفید است. سیستمهای پایش خوردگی مبتنی بر اینترنت اشیا را میتوان با تعبیه حسگرهای مربوطه در بتن به منظور اندازهگیری مداوم پارامترهایی که باعث/تسریع خوردگی فولاد تقویتکننده میشوند، در سازهها مستقر کرد. اندازه گیری چنین پارامترهایی به طور مداوم با استفاده از حسگرها، دانش به روز را در مورد وضعیت سازه ارائه می دهد. داده های نظارت شده با استفاده از فناوری های ارتباطی بی سیم مناسب به ارائه دهنده خدمات زیرساخت راه دور منتقل می شود.
11-4-2-1) حسگرها
از آنجایی که کربناته باعث کاهش قلیائیت 2 محلول منافذ بتن می شود، اندازه گیری pH اجازه می دهد تا تشخیص دهیم که کربناته شده است یا خیر. حسگرهایی که قادر به اندازهگیری pH و محتوای کلرید در بتن هستند، میتوانند اطلاعاتی در مورد وضعیت فولاد تقویتکننده تعبیهشده ارائه دهند و بنابراین میتوان از آن به عنوان سیستم هشدار اولیه استفاده کرد. فنآوریهای سنجش برای نظارت بر pH محلولهای منافذ بتن و مقدار یونهای کلرید موجود در آن در مقالات یافت میشوند. دستگاه های سنجش مربوطه که در 10 سال گذشته توسعه یافته اند را می توان به دو دسته اصلی طبقه بندی کرد: پتانسیومتری و فیبر نوری. اگرچه تعدادی الکترود پتانسیومتری در حوزه شیمی تحلیلی برای بررسی غلظت یونی وجود دارد، الکترودهایی که برای محیط های بتنی هدف قرار می گیرند محدود هستند. الکترودهای Ag/AgCl بیشترین استفاده را دارند. در مورد پایش pH، الکترودهای پتانسیومتری 2Ir/IrO، O2Ag/Ag، 2Ti/IrO و اکسید فلزی رایج هستند. دو دستگاه سنجش یون کلرید مبتنی بر فیبر نوری در محیط بتن در ادبیات یافت می شود. یکی بر اساس فیبر نوری با هسته معلق و دیگری از رنگ نشانگر فلورسانس حساس به یون کلرید استفاده می کند. دستگاه سنجش pH فیبر نوری مبتنی بر پلیمر فلورسانس نوری حساس به pH ارائه شده است. عملکرد تمامی سنسورها در محیطهای آزمایشی مختلف (محلول منفذ بتن شبیهسازی شده، ملات و بتن) تا مدت دو سال ارزیابی شده است. تقریباً تمام مطالعات به این نتیجه رسیدند که سنسورها به اندازه کافی دقیق و پایدار هستند. از آنجایی که طول عمر سازه های RC حدود 50 تا 80 سال است، سنسورهای تعبیه شده باید برای مدت بسیار بیشتر از دو سال دوام داشته باشند و در صورت لزوم به راحتی قابل تعویض باشند. در جدول 1 جزئیات مربوط به سنسورهایی که بیش از 6 ماه تست شده اند ارائه شده است.
11-4-2-2) فناوری های ارتباطی بی سیم کم مصرف
روش ارتباطی حسگرهای تعبیه شده بر انعطاف پذیری و هزینه سیستم نظارت بر خوردگی مبتنی بر اینترنت اشیا تأثیر دارد. سنسورهای ارائه شده در بخش فرعی فوق عمدتاً برای سنجش و انتقال اندازه گیری به دیتالاگر از طریق کابل در نظر گرفته شده اند.
با سنسورهای دیگر یکپارچه شده است.
جدول 11-4-1) سنسورهای pH و یون کلرید برای سازه های بتنی
اتصال سیمی هزینه بالایی برای نصب و نگهداری سیستم مانیتورینگ به ویژه نصب آن در عناصر بتنی پراکنده فضایی دارد. همچنین از نظر زیبایی شناختی انعطاف ناپذیر و غیرجذاب است. تلاش های کمی برای نظارت بر یون های کلرید با الکترودهای پتانسیومتری به صورت بی سیم انجام شده است.. با این حال، روشهای پیشنهادی محدود به ارتباطات با فاصله بسیار کوتاه (کوپلینگ القایی و RFID) ، که نیاز به قرائتهای نزدیک دارند و در نتیجه برای نظارت مستمر دوام بلندمدت سازههای بتنی مناسب نیستند، فنآوریهای مختلف ارتباط بیسیم کممصرف برای برنامههای IoT در دسترس هستند و کاربرد عملی آنها در چندین بستر آزمایشی کاربردی نشان داده شده است. این فناوریها اغلب در ویژگیهایشان مانند محدوده ارتباطی، مصرف انرژی، نرخ داده و تأخیر متفاوت هستند. آنها را می توان بر اساس محدوده ارتباطی آنها (کوتاه برد در مقابل بلندبرد) یا نوع طیف (مجوز در مقابل بدون مجوز) طبقه بندی کرد. فنآوریهای ارتباط بیسیم کوتاه برد، مانند ZigBee ، Bluetooth Low Energy (BLE) و WirelessHART ، برای پوشش یک منطقه بزرگتر به شبکههای مش چند هاپ نیاز دارند. بیشتر این فناوریها در باند ISM بدون مجوز 2.4 گیگاهرتز کار میکنند که اغلب تلفات و ازدحام بالایی را نشان میدهند، فنآوریهای ارتباط بیسیم کم مصرف (مانند LoRaWAN ، Sigfox) اغلب در توپولوژی ستارهای پیکربندی میشوند و شبکههای کم مصرف (LPWAN) را تشکیل میدهند. در حال حاضر، شبکه های LP-WAN به دلیل توانایی آنها در ارائه اتصالات کم هزینه و گسترده در یک منطقه جغرافیایی وسیع، توجه بیشتری را از جامعه تحقیقاتی به خود جلب کرده اند. بیشتر این فناوریها از باند فرعی گیگاهرتزی بدون مجوز استفاده میکنند که ارتباطات قوی و قابل اعتمادی را با بودجههای کم مصرف ارائه میدهد. باند زیر گیگاهرتز در مقایسه با 2.4 گیگاهرتز با تضعیف، محو شدن چند مسیر و تراکم کمتری مواجه است. این فناوریها اغلب از مدولاسیون قوی و تکنیکهای طیف گسترده برای دستیابی به ارتباطات قابل اعتماد، کم مصرف و مقاوم در برابر تداخل استفاده میکنند. بسته به منطقه سازه، فناوری های کوتاه برد یا LPWAN را می توان در سیستم های IoT پایش دوام استفاده کرد. در واقع، LPWAN ها انتخاب طبیعی تری برای نظارت بر ساختارهای RC مبتنی بر اینترنت اشیا هستند، زیرا می توانند مساحت وسیعی از سازه ها را به راحتی و بدون نیاز به گره های رله پوشش دهند. آنها همچنین از نظر زیبایی شناختی ارجح هستند زیرا تعداد گره ها در مقایسه با گره های کوتاه برد کمتر خواهد بود. اکثر این فناوریها به 10 سال عمر باتری میرسند، این مفید است زیرا تعداد تعویض باتری مورد نیاز را در طول عمر مفید سازهها کاهش میدهد. برخی از ویژگی های مهم محبوب ترین فناوری های LPWAN در جدول 2 ذکر شده است.
جدول 11-4-2) ویژگی های فناوری های LPWAN انتخاب شده.
