特開 2023-89938 カソード防食システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023089938

(43)【公開日】2023-06-28

(54)【発明の名称】カソード防食システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   C23F 13/22 20060101AFI20230621BHJP

   C23F 13/02 20060101ALI20230621BHJP

【ＦＩ】

C23F13/22

C23F13/02 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】24

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022185357

(22)【出願日】2022-11-21

(31)【優先権主張番号】17/552,805

(32)【優先日】2021-12-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】504407000

【氏名又は名称】パロ アルト リサーチ センター インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100139712

【弁理士】

【氏名又は名称】那須 威夫

(72)【発明者】

【氏名】ジェイコブ、シャムーン

【テーマコード（参考）】

4K060

【Ｆターム（参考）】

4K060AA03

4K060BA02

4K060CA06

4K060CA15

4K060EA08

4K060EB01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】被防食構造体を腐食から保護するように構成されたカソード防食システムを含むシステムを提供する。
【解決手段】システムは、アノードを有し、被防食構造体を腐食から保護するように構成されたカソード防食システムを含む。本システムは、カソード防食システムに動作的に結合された監視回路を含む。監視回路は、電気－光トランスデューサを含む。電気－光トランスデューサは、被防食構造体とカソード防食システムのアノードとの間、被防食構造体と参照電極との間、又は参照電極とアノードとの間を流れる電流に応じて光信号を生成するように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノードを備え、被防食構造体を腐食から保護するように構成されたカソード防食システムと、
前記カソード防食システムに動作可能に結合された監視回路であって、電気－光トランスデューサを含む、前記監視回路と、
前記被防食構造体と前記カソード防食システムの前記アノードとの間、前記被防食構造体と参照電極との間、又は前記参照電極と前記アノードとの間を流れる電流に応じて光信号を生成するように構成された前記電気－光トランスデューサと、
を備える、システム。

【請求項2】

前記アノードが、前記電流のために電子を供給するように構成された犠牲アノードである、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記アノードが不活性アノードであり、前記カソード防食システムが、前記電流のために電子を供給する電源を備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記電気－光トランスデューサが、前記アノードと前記被防食構造体との間で直列になっている、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記監視回路が、電圧変換器を含む結合回路を更に含み、前記電圧変換器が、
前記電流に応じて生成される電圧を昇圧させ、
昇圧させた前記電圧で前記電気－光トランスデューサを駆動する
ように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記監視システムに電力を供給するように構成された電力サブシステムを更に備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記電力サブシステムが、
太陽電池回路と、
熱電回路と、
圧電回路と、
ガルバニック腐食から環境発電するように構成されたヒステリシス回路と、
のうちの１つ以上を備える環境発電デバイスを含む、請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

前記電力サブシステムが、前記環境発電デバイスからエネルギーを受け取り、貯蔵するために結合されたエネルギー貯蔵デバイスを含み、前記エネルギー貯蔵デバイスが、バッテリーとコンデンサとの一方又は両方を備える、請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記電力サブシステムが、光ファイバによって伝送される光エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成された光ファイバ給電装置を備える、請求項６に記載のシステム。

【請求項10】

前記電気－光トランスデューサが、発光ダイオード、レーザダイオード、及びスーパールミネッセントデバイスのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

前記電気－光トランスデューサが、エンコーダを含む、又は前記エンコーダに結合されており、前記エンコーダが、予め定められた符号化方式に従って前記光信号を符号化するように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

前記符号化方式が、振幅変調符号化、周波数変調符号化、パルス幅変調符号化、及びデジタル符号化のうちの１つを含む、請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

光ファイバリンクを介して前記電気－光トランスデューサに光学的に結合されたデータ取得回路を更に備えるシステムであって、前記データ取得回路が、前記光信号を使用して、前記被防食構造体における腐食の有無及び程度を測定するように構成されたアナライザを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項14】

前記電気－光トランスデューサが、トリガ刺激に応じて前記光信号を生成するように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項15】

前記電気－光トランスデューサが、遠隔供給源と前記電気－光トランスデューサとの間の光ファイバリンクを介して前記遠隔供給源から受け取ったトリガ刺激に応じて前記光信号を生成するように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項16】

アノードを含むカソード防食システムを使用して、被防食構造体を腐食から保護することと、
電気－光トランスデューサを含む監視回路を使用して、前記被防食構造体における腐食について監視することと、
前記電気－光トランスデューサによって、前記被防食構造体と前記アノードとの間、前記被防食構造体と参照電極との間、又は前記参照電極と前記アノードとの間を流れる電流に応じて、光信号を生成することと、
前記光信号を光ファイバリンクを介して遠隔データ取得システムに通信することと、
を含む、方法。

【請求項17】

前記アノードが犠牲アノードである、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記アノードが不活性アノードである、請求項１６に記載の方法。

【請求項19】

環境発電デバイスを使用して、前記監視回路のための電力を生成することを含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項20】

光ファイバ給電装置を使用して、前記監視回路のための電力を生成することを含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項21】

予め定められた符号化方式に従って、前記光信号を符号化して、符号化された光信号を発生させることを含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項22】

前記符号化された光信号を使用して、前記遠隔データ取得システムによって、前記被防食構造体における腐食の有無及び程度を測定することを含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

前記光信号がトリガ刺激に応じて生成される、請求項１６に記載の方法。

【請求項24】

前記電気－光トランスデューサが、遠隔供給源と前記電気－光トランスデューサとの間の前記光ファイバリンクを介して前記遠隔供給源から受け取ったトリガ刺激に応じて前記光信号を生成する、請求項１６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、カソード防食システム及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属構造は、酸素と、水又は土壌などの一般的な電解質とが存在するときに自発的に酸化する。酸化によって金属は酸化物の形態（例えば、錆び）になり、それが崩壊して構造の破壊が引き起こされ得る。このプロセスは腐食と呼ばれ、橋、タンク、パイプライン、防潮堤、及び他の土木構造体に影響を与える。腐食のコストは２０１３年には米国のＧＤＰの２．７％、すなわち４５００億ドルと推定された。カソード防食（ＣＰ）システムは、より電気的に活性な金属（犠牲アノード）又はＤＣ電源（印加電流）から電流の形態でエネルギーの入力を提供することによって腐食を防止する。ＣＰシステムがどの程度機能しているかを監視するのは難しい場合がある。これは、構造／アノードが土壌に埋まっているか、水中にあるか、又はコンクリートに覆われているので、検査が困難であるためである。

【発明の概要】

【0003】

いくつかの実施形態は、アノードを有し、被防食構造体を腐食から保護するように構成されたカソード防食システムを含むシステムに関する。本システムは、カソード防食システムに動作可能に結合された監視回路を含む。監視回路は、電気－光トランスデューサを含む。電気－光トランスデューサは、被防食構造体とカソード防食システムのアノードとの間、被防食構造体と参照電極との間、又は参照電極とアノードとの間を流れる電流に応じて光信号を生成するように構成されている。

【0004】

いくつかの実施形態は、アノードを含むカソード防食システムを使用して、被防食構造体を腐食から保護する方法に関する。本方法は、電気－光トランスデューサを含む監視回路を使用して、被防食構造体における腐食についての監視をすることを含む。本方法はまた、電気－光トランスデューサによって、被防食構造体とアノードとの間、被防食構造体と参照電極との間、又は参照電極とアノードとの間を流れる電流に応じて、光信号を生成することを含む。本方法は、光信号を光ファイバリンクを介して遠隔データ取得システムに通信することを更に含む。

【0005】

上記の概要は、開示される各実施形態又は本開示の全ての実施を説明することを意図したものではない。図面及び以下の詳細な説明は、例示的な実施形態をより具体的に例示する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】様々な実施形態による、被防食構造体を腐食から保護するように構成されたＣＰシステムを含むシステムであって、ＣＰシステムが電気－光トランスデューサを含む、システムを示す図である。

【図2】様々な実施形態による、被防食構造体を腐食から保護するように構成されたＣＰシステムの代表的な電気－光トランスデューサを示す図である。

【図3】様々な実施形態による、被防食構造体を腐食から保護するように構成されたＣＰシステムを含むシステムであって、ＣＰシステムが電気－光トランスデューサを含む、システムを示す図である。

【図4】様々な実施形態による、被防食構造体を腐食から保護するように構成されたＣＰシステムを含むシステムであって、ＣＰシステムが電気－光トランスデューサを含む、システムを示す図である。

【図5】様々な実施形態による、被防食構造体を腐食から保護するように構成されたＣＰシステムを含むシステムであって、ＣＰシステムが、光信号を遠隔データ取得システム／アナライザに通信するように構成された電気－光トランスデューサを含む、システムを示す図である。

【図6】様々な実施形態による、ＣＰシステムを含むプロセスフロー図である。

【図7】様々な実施形態による、電気－光トランスデューサの回路を示す図である。

【図8A】様々な実施形態による、電気－光トランスデューサによって生成された光信号を符号化するための様々な符号化方式を示す図である。

【図8B】様々な実施形態による、電気－光トランスデューサによって生成された光信号を符号化するための様々な符号化方式を示す図である。

【図8C】様々な実施形態による、電気－光トランスデューサによって生成された光信号を符号化するための様々な符号化方式を示す図である。

【図8D】様々な実施形態による、電気－光トランスデューサによって生成された光信号を符号化するための様々な符号化方式を示す図である。

【図8E】様々な実施形態による、電気－光トランスデューサによって生成された光信号を符号化するための様々な符号化方式を示す図である。

【図9】いくつかの実施形態による、犠牲アノードベースのＣＰシステムの実験的なデモンストレーションであって、ＣＰシステムが電気－光トランスデューサを含む、実証を示す図である。 図面は、必ずしも縮尺どおりではない。図面に使用される同様の番号は、同様の構成要素を指す。しかしながら、所与の図面における構成要素を指す番号の使用は、同じ番号でラベル付けされた別の図面における構成要素を限定することを意図していないことが理解されるであろう。

【発明を実施するための形態】

【0007】

開路電位、表面電位、コンクリート抵抗率、分極抵抗、ノイズ解析、及びガルバニック電流に基づいて腐食を監視するための多種多様な電気化学センサが存在する。これらのアプローチは、耐久性、電磁干渉（ＥＭＩ）に対する感度、及び土木構造体の寿命に関連する非常に長い（＞２５年）タイムスケールでの安定性の問題によって妨げられている。

【0008】

本開示の実施形態は、ＣＰシステムの状態を監視するためのシステム及び方法に関する。本開示の実施形態は、ＣＰ回路によって検出された腐食信号が光ファイバによって伝送される光信号に変換されるという点で従来の電気化学センサとは異なり、これは、過酷な環境において長い時間スケールにわたって安定し、ＥＭＩに影響されない検出及び伝送方法である。例えば、商用オフザシェルフ（ＣＯＴＳ）の電気通信グレードのレーザダイオードは、１０＾６時間（＞１００年）の寿命を有する。

【0009】

堅牢でＥＭＩに対する耐性があり、アレイに容易に多重化できるので、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に基づく光ファイバセンサによる腐食検出が実証されてきている。しかしながら、ＦＢＧはひずみ及び温度にのみ敏感であるため、腐食に関連するプロセスと組み合わせることは困難である。本開示の実施形態は、ＦＢＧが受動要素であるという点でＦＢＧベースのファイバセンサとは異なり、ＦＢＧセンサに対しては、光パルスが外部から注入され、特定のスペクトル成分が反射されて戻ってくる。様々な実施形態によれば、ＦＢＧはなく、ＣＰシステムからの電流の少なくとも一部を使用して光信号を直接生成し得る。いくつかの実装形態では、外部から光パルスを注入して、電力を供給し（例えば、光ファイバ給電又はＰＯＦ）、及び／又は測定の開始をトリガしてもよい。ファラデー効果に基づく光ファイバ電流センサは、腐食に伴う小さな電流を測定するには感度が十分でないことに留意されたい。

【0010】

内蔵電流モニタを有する犠牲アノードは市販されており、遠隔監視カソード防食（ＲＭＣＰ）システムの一部を形成し得る。これらの従来のシステムは、有線接続又は無線接続を介して基地局と通信する。このようなシステムは、太陽光発電、風力発電、又は（印加電流のための）整流器からの電力を介して電力を供給される。場合によっては、ＲＭＣＰノードにＧＳＭ又は衛星送信機が搭載され、ノードの状態についての情報が無線で送信される。

【0011】

本開示の実施形態は、腐食信号が光信号に変換され、光ファイバを介して伝送されるという点で、これらのシステムとは異なる。商用のＲＣＭＰシステムと比較して、光ファイバ伝送は、パイプライン、タンク、橋脚、防波堤などの埋設／水没構造体に適合した、長距離（１０～１００ｋｍ）で低損失で信号を伝送する方法を提供する。無線ＧＳＭ又は衛星信号は、吸収に起因して、地下又は水中で長距離を伝播し得ない。ファイバ接続はまた、トリガ信号の送信、及び他のセンサを含む既存のファイバインフラストラクチャとの多重化のために、センサへの電力供給（例えば、ＰＯＦ構成体を用いた）を提供する。

【0012】

本開示の実施形態は、ＣＰシステムによって少なくとも部分的に電力供給される光トランスデューサを使用してカソード防食システムに流れる電流を測定するためのシステム及び方法に関する。カソード防食システムは、被防食構造体（例えば、鋼）を電気化学回路におけるカソードにすることによって、電子がアノードから鋼に流れるようにして、腐食が遅くなり、又は止まる。これにはエネルギーの入力が必要である。エネルギーは、より活性な「犠牲」アノードからの自発的な電子流（図１を参照）又はＤＣ電源「印加電流」によって電力供給される不活性アノードからの電子流（図３を参照）のいずれかによって供給される。カソードとアノードとの間の水、土、又はコンクリートなどの電解質によって回路が完成する。

【0013】

本開示の独自の態様は、電流が流れたときに光を生成する図に示されているＣＰ回路と直列に光源（例えば、レーザダイオード又はＬＥＤ）を配置することである。光源によって発生させた光信号は、光ファイバリンクを介して遠隔データ取得システム／アナライザに通信し得る。光信号の１つ以上の特性を分析して、その被防食構造体（例えば、鋼構造体）での腐食の有無及び程度を決定し得る。

【0014】

図１は、様々な実施形態による、システム１００を示す。システム１００は、被防食構造体１０４を腐食から保護するように構成されたアノード１０２を含むＣＰシステム１０１を含む。アノード１０２及び被防食構造体１０４は、水（例えば、塩水）、土壌又はコンクリートなどの電解質１０５と空気などの酸化剤とを含む環境に配置され、又はそれらに囲まれる。被防食構造体１０４は、腐食の対象となる鋼又は他の金属で作られた任意の構造又は構成要素（例えば、本明細書で開示されている例を参照）など、多くの形態をとり得る。図１に示す実施形態では、アノード１０２は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ又はこれらの金属の合金などの適切な材料で作られた犠牲アノードである。アノード１０２の犠牲材料は、被防食構造体１０４の金属の代わりに腐食する。

【0015】

システム１００はまた、ＣＰシステム１０１に動作可能に結合された監視回路１１０を含む。監視回路１１０は、電気－光トランスデューサ１１２を含む。例として、図２を参照すると、電気－光トランスデューサ１１２は、例えば、ＬＥＤ、レーザダイオード、又はスーパールミネッセントデバイスを含み得る。図１及び図２（及び他の図）に示すように、電気－光トランスデューサ１１２は電気接続１０６、１０８を介して、アノード１０２及び被防食構造体１０４と直列になっている。

【0016】

電気－光トランスデューサ１１２は、被防食構造体１０４とＣＰシステム１０１の犠牲アノード１０２との間を流れる電流に応じて光信号１１４を生成するように構成されている。以下に説明するように、光信号１１４は光ファイバリンクを介してデータ取得システム／アナライザに通信される。データ取得システム／アナライザは、通常、システム１００から離れた監視ステーションに配置される。

【0017】

図１に最もよく示されているように、及びシステム１００の動作中に、アノード１０２と周囲の環境との間の化学反応によって、犠牲アノード１０２と被防食構造体１０４との間に防食電流が流れ、被防食構造体１０４がカソードとして機能するようになる。より具体的には、図１に示す電気化学電池構成体における酸化は、被防食構造体１０４に流れる電子を解放する犠牲アノード１０２（電子供与体）に集中し、これが電気化学回路におけるカソード（電子受容体）となる。被防食構造体１０４に電子が蓄積すると電気化学ポテンシャルが低下するので、被防食構造体１０４の腐食が遅くなり、又は止まる。犠牲アノード１０２は、例えば、ワイヤ、ロッド、チューブ、プレート、スティックなど、様々な形状及びサイズを有し得る。

【0018】

図１に示すような犠牲アノードＣＰシステムの場合、駆動電圧は以下の表１に示すガルバニック直列によって設定され、０．２５～１．５５Ｖを供給する。

【0019】

【表1】

図３は、様々な実施形態による、システム２００を示す。システム２００は、被防食構造体１０４を腐食から保護するように構成された不活性アノード２０２を含む印加電流ＣＰシステム（ＩＣＣＰシステム）２０１を含む。前述のように、不活性アノード２０２及び被防食構造体１０４は、電解質１０５内に配置され、又は電解質１０５に囲まれている。図３に示す実施形態では、不活性アノード２０２は、黒鉛、鋳鉄、チタン合金、シリコン鉄又は白金－ニオブ被覆金属で作り得る。不活性アノード２０２は、例えば、ワイヤ、ロッド、チューブ、プレート、スティックなど、様々な形状及びサイズを有し得る。

【0020】

ＩＣＣＰシステム２０１は、不活性アノード２０２及び被防食デバイス１０４に電気的に接続されたＤＣ電源１１５を含む。不活性アノード２０２は、ＤＣ電源１１５によって供給されるＤＣ電流によって駆動される。整流器と呼び得るＤＣ電源１１５は、被防食構造体１０４の防食されるべき表面と不活性アノード２０２との間に高い電位差を生じるように構成されている。直流電源１１５は電流を生成するために使用され、この電流は、被防食構造体１０４にカソード防食を提供する。カソード防食に大きな電流が必要なとき、印加電流システムは、犠牲ＣＰシステムに関連するより良い結果をもたらすことに留意されたい。

【0021】

印加電流の場合、電圧は、ＤＣ電源１１５によって設定され、２４Ｖ以上にしてもよい。回路に流れる電流は、電解質１０５の抵抗率によって決定される。防食されていると見なされる構造のＮＡＣＥ仕様は、－８５０ｍＶｖｓ．硫酸銅電極の電位である。電位の負の値が大きすぎると（例えば、＜－１Ｖｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）、被防食構造体が過剰に防食され、コーティングが劣化し、水素脆化によって構造が弱くなる可能性がある。鋼構造体を防食するために必要な一般的な印加電流は約２２ｍＡ／ｍ^２である。

【0022】

システム２００はまた、ＣＰシステム２０１に動作可能に結合された監視回路１１０を含む。監視回路１１０は、電気接続１０６、１０８を介してＤＣ電源１１５、アノード２０２、及び被防食構造体１０４と直列に結合された電気－光トランスデューサ１１２を含む。電気－光トランスデューサ１１２は、例えば、ＬＥＤ、レーザダイオード、又はスーパールミネッセントデバイスを含み得る。前述のように、電気－光トランスデューサ１１２は、被防食構造体１０４とＣＰシステム２０１の犠牲アノード２０２との間を流れる電流に応じて光信号１１４を生成するように構成されている。光信号１１４は、光ファイバリンクを介してデータ収集システム／アナライザに通信される。データ取得システムは、通常、システム２００から離れた監視ステーションに配置される。

【0023】

図４及び図５は、様々な実施形態による、システム３００を示す。いくつかの実装形態では、システム３００は、アノード１０２が前述のように犠牲アノードであるように、犠牲ＣＰシステムとして構成され得る。他の実装形態では、システム３００は、前述のように、アノード２０２が不活性アノードであるように、印加電流ＣＰシステムとして構成し得る。システム３００は、電気－光トランスデューサ１１２及び結合回路３０２を含む監視回路１１０を含む。

【0024】

図に示すように、結合回路３０２は、電気接続１０６、１０８を介して、アノード１０２／２０２及び被防食構造体１０４に電気的に結合されている。結合回路３０２はまた、電気－光トランスデューサ１１２に電気的に結合される。結合回路３０２は、被防食構造体１０４とアノード１０２／２０２との間を流れる電流に応じて生成する電圧を昇圧するように構成された電圧変換器を含み得る。結合回路３０２の電圧変換器は、昇圧された電圧で電気－光トランスデューサ１１２を駆動するように構成し得る。

【0025】

いくつかの実施形態によれば、システム３００は、電力サブシステム３０４を含み得る。電力サブシステム３０４は、監視システム１１０に電力を供給するように構成され得る。例えば、電力サブシステム３０４は、環境発電デバイスを含め得る。様々な実施形態によれば、環境発電デバイスは、太陽電池回路、熱電回路、圧電回路、及びガルバニック腐食から環境発電するように構成されたヒステリシス回路のうちの１つ以上を含み得る。電力サブシステム３０４は、環境発電デバイスからエネルギーを受け取り、貯蔵するために結合されたエネルギー貯蔵デバイスを含み得る。エネルギー貯蔵デバイスは、バッテリーとコンデンサ（例えば、スーパーキャパシタ）との一方又は両方を含み得る。

【0026】

環境発電デバイス回路は、コンデンサなどのエネルギー貯蔵要素とＤＣ－ＤＣ変換器とを組み合わせて、環境発電デバイスからの低電圧信号を昇圧し得る。貯蔵されたエネルギーは、光信号１１４の形態でデータを取得して送信するための短いバースト電力を生成するために使用し得る。市販の環境発電／パワーマネジメントＩＣは、０．０２０Ｖという低入力電圧で動作し、３．３Ｖ以上の出力電圧を発生させ得る（それに対応して平均電流を減少させる）。

【0027】

更に図５に示すように、システム３００は、電気－光トランスデューサ１１２の光源に光学的に結合された光ファイバ５０２を含む。光ファイバ５０２は、電気－光トランスデューサ１１２によって発生させた光信号１１４を、データ取得システム／アナライザ５０６に通信するように構成されている。光ファイバ５０２は、シングルモード光ファイバ又はマルチモード光ファイバであり得る。前述のように、光ファイバ５０２は、光信号１１４を、遠隔データ取得システム／アナライザ５０６までかなりの距離にわたって（例えば、増幅なしで約１００ｋｍまで）通信し得る。データ収集システム／アナライザ５０６は、光信号１１４を、対応する電気信号に変換するように構成された光－電気トランスデューサ５０４に結合又は組み込み得る。

【0028】

いくつかの実施形態では、電力サブシステム３０４は、光ファイバ５０２によって伝送される光エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成された光ファイバ給電装置を含み得る。光エネルギーから変換された電気エネルギーは、監視回路１１０に電力を供給するために使用される。前述のように、電気－光トランスデューサ１１２によって生成された光信号１１４は、光ファイバリンク５０２を介して遠隔データ取得システムに通信される。この同じ光ファイバリンク５０２を光ファイバ給電装置の光リンクとして使用し得る。

【0029】

電気－光トランスデューサ１１２の半導体光源は、電流を光に変換する。適切な半導体光源は、順方向電圧１Ｖ、閾値電流１０ｍＡ、約３％の電気／光変換効率で１５５０ｎｍで動作する市販のテレコムレーザダイオードである。研究中の低い閾値８５０ｎｍＶＣＳＥＬは、＜２Ｖの駆動電圧で＜１の閾値を有する。この駆動電圧及び電流は、カソード防食システム（～１Ｖ、１０ｓのｍＡ）によって供給される電力と広く互換性がある。レーザダイオードの消費電力は、約２０ｍＷである（例えば、これを、遠隔地で＞１０００ｍＷを必要とする無線ＧＳＭ送信機と比較する）。

【0030】

いくつかの実施形態によれば、本開示のＣＰシステムは、電気－光トランスデューサ１１２としてレーザダイオードを動作させるのに十分な電力を提供し得る。本開示のいくつかの実施形態は、ＣＰシステムの状態を検知するために光源を駆動するためにＣＰシステムから電気エネルギーの一部を収集することを目的としている。例えば、発光によって、アノードからカソードに流れる電流を読み取ってもよい。これにより、回路が完全であることの定性的な検証と、環境がどの程度腐食しているかの定量的な尺度（例えば、より腐食が進むとより多くの電流が流れ、より多くの発光につながる）との両方が提供される。

【0031】

図６は、様々な実施形態による、本開示のＣＰシステムを含むプロセスフロー図である。図６に示すプロセスフロー６００には、アノードと、被防食構造体と、存在する場合は参照電極との間の電流フロー６０２が含まれる。最も一般的なケースでは、結合回路は、任意の対のアノード／構造、アノード／参照電極、又は構造／参照電極との間にある場合がある。例えば、図５の修正版を参照して、アノード１０２／２０２がプレースホルダ電極１としてラベルされ、被防食構造体１０４がプレースホルダ電極２としてラベルされていると仮定する。この例示的な例では、各プレースホルダの値は、アノード、構造、及び参照電極のいずれかである。この例示的な例では、電気－光トランスデューサは、被防食構造体とカソード防食システムのアノードとの間、被防食構造体と参照電極との間、又は参照電極とアノードとの間を流れる電流に応じて光信号を生成するように構成されている。

【0032】

プロセスフロー６００には、通常、ＣＰシステムの結合回路によって実装される環境発電及び電力管理６０２も含まれる。プロセスフロー６００は更に、アノードと被防食構造体との間の電流の流れを示す電気信号を符号化６０６することを含む。符号化された電気信号は電気－光トランスデューサ６０８に通信され、トランスデューサは符号化された電気信号を対応する光信号に変換する。光信号は、光ファイバリンク６１０を介してデータ取得及び制御ファシリティ６１２に送信される。

【0033】

データ取得及び制御ファシリティ６１２は、通常、アナライザ（例えば、図５のブロック５０６を参照）を含み、光信号を分析して、被防食構造体において発生する腐食の有無及び程度を決定するように構成されている。データ取得及び制御ファシリティ６１２はまた、光ファイバリンク６１０を介して、環境発電及び電力管理ファシリティ６０４に制御信号を通信し得る。このような構成では、環境発電及び電力管理ファシリティ６０４は、光－電気トランスデューサを含む。いくつかの実施形態では、光エネルギーを光ファイバリンク６１０を介して伝送し、光ファイバ給電構成体を介して環境発電及び電力管理ファシリティ６０４に電力を供給し得る。

【0034】

図７は、様々な実施形態による、電気－光トランスデューサの回路を示す。電気－光トランスデューサ１１２は、アノードとＣＰシステムの被防食構造体との間を流れる電流Ｉ_ｃｏｒｒに比例する電流源７０２を含む。電気－光トランスデューサ１１２は、電圧制御されたスイッチ７０６と直列であるコンデンサ７０４、電流制限抵抗器７０８、及び発光体７１０を含む。電流Ｉ_ｃｏｒｒは、腐食電流Ｉ_ｃｏｒｒに比例する充電速度でコンデンサ７０４を充電する。コンデンサ７０４がレベルＶ_{ｓｗｉｔｃｈ}まで充電されると、スイッチ７０６は閉じ、コンデンサ７０４は電流制限抵抗器７０８を通して電荷（Ｑ＝Ｖ_{ｓｗｉｔｃｈ} ^＊Ｃ）を放電し、発光体７１０に光パルスを生成させる。電気－光トランスデューサ１１２の回路は、様々な形式によって、発光体７１０によって生成された光信号を符号化するように実装し得、その例を以下で説明する。

【0035】

いくつかの実装形態では、電圧制御されたスイッチ７０６は、電圧制御されたスイッチ７０６を太陽電池に結合することによって閉じ得る。いくつかの実装形態では、光パルス（例えば、トリガ刺激）は、電圧制御されたスイッチ７０６を閉じてコンデンサ７０４を放電する光ファイバリンクを介して、電気－光トランスデューサ１１２に送り得る。したがって、データは、トリガされたときにのみ電気－光トランスデューサ１１２から読み出される。したがって、ＣＰシステム全体の消費電力は極めて低い。

【0036】

図８は、様々な実施形態による、電気－光トランスデューサ１１２によって生成された光信号を符号化するための様々な符号化方式を示す。図８は、前述のように、アノードとＣＰシステムの被防食構造体との間を流れる電流Ｉ_ｃｏｒｒの検出に基づいて、異なる形態の符号化光信号を発生させる４つの異なる符号化方式を示す（図７及び８Ａを参照）。図８Ｂは、振幅変調（ＡＭ）などの直接アナログ符号化を示す。この符号化方式では、図８Ｂに示す光信号は腐食電流Ｉ_ｃｏｒｒに比例する。

【0037】

図８Ｃは周波数変調（ＦＭ）符号化を示しており、図８Ｃに示す光信号は一連のパルスからなり、パルス繰り返し率は腐食電流Ｉ_ｃｏｒｒに比例する。図８Ｄはパルス幅変調（ＰＷＭ）符号化を示しており、図８Ｄに示す光信号は、パルスの幅が腐食電流Ｉ_ｃｏｒｒに比例する一連のパルスからなる。図８Ｅはデジタル符号化を示しており、図８Ｅに示す光信号は、一連のデジタルワードからなる。デジタルワードに符号化された値は、腐食電流Ｉ_ｃｏｒｒに比例する。例えば、４ビットのワード００００は０ｍＡの腐食電流に等しい可能性があり、４ビットのワード１１１１は１６ｍＡの腐食電流に等しい可能性がある。

【0038】

例１
図９は、犠牲アノードベースのＰＣシステムモニタの実験的な実証を示す。スチールウール９０３、９０５のサンプルを含む２つのビーカ９０２、９０４が準備された（カソード面積～１ｍ２）。一方のビーカ９０２では、スチールウール９０３は、ＤＣ－ＤＣブースト変換器９１０を介して犠牲アノード９０６（Ｍｇ合金）に配線され、塩橋９０８によって分離されて、鋼反応生成物から任意のＭｇ反応生成物を分離した。ｔ＝０の時点で、３％ＮａＣｌ溶液（海水に相当）が両方のビーカ９０２、９０４に注がれ、ＬＥＤ９１２が点灯した。２４時間後、ＬＥＤ９１２はまだ点灯しており、防食されていない鋼９０５は明らかに腐食していたが、防食された鋼９０３は腐食していなかった。

【0039】

結論として、Ｍｇ犠牲アノード９０６は両方ともスチールウール９０３を防食し、ＬＥＤ９１２を発光させ、スチールウール９０３が防食されていること（又は代替的に、ビーカに電解質が充満しており回路が完成していたこと）を肯定的に示している。これは、短い経路長（低抵抗）の海水（高導電性）中のＭｇ（高駆動電圧）が非常に大きな電流を供給し、スチールウール９０３も過防食してしまうので、やや非現実的な実証であった。実際の監視システムでは、その環境により適した犠牲アノード（例えば、高抵抗性土壌中のＭｇ、海水中のＺｎ）を使用して、読み出し信号と同じファイバを介して（例えば、光ファイバ給電構成体を介して）供給できる、より小さな電流を生成するので、電源管理又は外部電源の有用性がある。

【0040】

例２
使用例として、犠牲アノードシステムでは、鋼とアノードとの両方が埋められていて、アクセスが困難であり、検査が困難又は不可能である。この場合、アノード設置時にアノードを鋼に接続する電気経路にレーザダイオード及びシングルモードファイバを設置し得る。レーザダイオードをシングルモード光ファイバに結合することにより、アノード設置時にファイバを地上に展開し、何キロも離れたテストステーションに接続することが可能になる。通常の寿命の間、アノードは、レーザダイオードを発光させる電子を供給する。犠牲アノードが消費されると、電流の流れが停止し、レーザダイオードの発光が停止し、アノードを交換する必要があることを示す。両方のタイプのカソード防食システム（犠牲アノード及び印加電流）は、多くのアノードのアレイに頻繁に展開され、１５５０ｎｍレーザダイオードは、シングルモードファイバ及び波長分割多重を介して容易に多重化し得、構造全体を効果的にカバーし、どのセクションが最も急速に腐食しているかを特定することを可能にする。これにより、制限された検査時間を有効に活用することが可能になる。

【0041】

例３
犠牲アノードに対する一般的な応用形態の１つは給湯器である。給湯器内部の高温は腐食環境となるので、通常は犠牲アノードが設置され、給湯器タンクが腐食して最終的に破断が起きるのを防止する。本開示の犠牲ＣＰシステムは、給湯器に実装し得る。

【0042】

例４
アノードの状態を検出する以外に、本開示の様々な実施形態を実装する別の方法は、電解質の変化を検出することである。例えば、一部の変圧器は地下の保管庫に埋められ、１つ以上の犠牲アノードを介して腐食から保護されている。この構成では、ＣＰ回路を完成させる電解質は、空気又は乾燥した土壌であり、導電性が低いので、腐食速度が低い。ハリケーンなどの異常気象によって保管庫が海水で満たされると、電解質の伝導性が高まり、より多くの電流が回路に流れ、光源が点灯する。これは、表面の表示灯を通じて、保管庫内に海水があることが技術者に伝えられることで検出できる。この検出システムは、外部電力に依存しないので、電力がない異常気象の後に関連する可能性がある。これと同じ方法論を、井戸又は帯水層への塩水の侵入を検出するために適用し得、そこでは伝導率の急激な増加が警報を引き起こす可能性がある。現在、塩水の侵入は、地下水サンプル又は空中調査を使用して断続的に測定されている。本開示の実施形態は、塩水侵入を継続的に監視する効果的なアプローチを提供し得る。

【0043】

本明細書において、本開示の一部をなす添付の図面のセットを参照するが、少なくとも当業者は、本明細書に記載される実施形態の様々な適応及び修正が、本開示の範囲内であるか、又はその範囲から逸脱しないことを理解するであろう。例えば、本明細書で説明される実施形態の態様は、様々な方法で互いに組み合わせられ得る。したがって、添付の特許請求の範囲内で、特許請求された発明は、本明細書で明示的に説明されるもの以外を実施され得ることを理解されたい。

【0044】

本明細書で引用される全ての参照及び刊行物は、本開示に直接矛盾し得る範囲を除いて、その全体が参照により本開示に明確に組み込まれる。そうでない旨が指示されない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される特徴サイズ、量、及び物理的特性を表す全ての数は、「正確に」又は「約」という用語によって修正されるものとして理解され得る。したがって、反対に指示されない限り、前述の明細書及び添付の特許請求の範囲で記載される数値パラメータは、本明細書に開示される教示を利用する当業者が取得しようとする所望の特性に応じて変化し得る近似値、又は例えば、実験誤差の典型的な範囲内の近似値である。

【0045】

端点による数値範囲の記載は、その範囲内に包含される全ての数（例えば、１～５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５を含む）及びその範囲内の任意の範囲を含む。本明細書において、数を修飾する用語「最大で」又は「以下」（例えば、「最大で５０」）は、その数（例えば、５０）を含み、数を修飾する用語「以上」（例えば、「５以上」）は、その数（例えば、５）を含む。

【0046】

用語「結合された」又は「接続された」は、直接的（互いに直接接触している）又は間接的（２つの要素の間に１つ以上の要素を有し、２つの要素を取り付ける）のいずれかで互いに取り付けられている要素を指す。いずれの用語も、「動作可能に（operatively）」及び「動作可能に（operably）」によって修正され得、それは、結合又は接続が、少なくともいくつかの機能を実行するために構成要素が相互作用することを可能にするように構成されていることを説明するために互換的に使用され得る（例えば、無線チップは、無線通信のための無線周波数電気信号を提供するために、アンテナ要素に動作可能に（operably）結合され得る）。

【0047】

「頂部」、「底部」、「側部」、及び「端部」などの配向に関する用語は、構成要素の相対的位置を記載するために使用されるものであり、企図される実施形態の配向を制限することを意味するものではない。例えば、「頂部」及び「底部」を有するものとして説明される実施形態はまた、内容がそうでない旨を明確に指示しない限り、様々な方向で回転されるその実施形態を包含する。

【0048】

「一実施形態」、「実施形態」、「特定の実施形態」、又は「いくつかの実施形態」などに対する参照は、本実施形態に関連して説明される、特定の特徴、構成、組成、又は特性が、本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、全体を通した様々な場所でのそのような語句の出現は、必ずしも本開示の同じ実施形態を指すものではない。更に、特定の特徴、構成、組成、又は特性は、１つ以上の実施形態で任意の好適な方法で組み合わせられ得る。

【0049】

「好ましい」及び「好ましくは」という語は、特定の状況下で特定の利益をもたらし得る本開示の実施形態を指す。しかしながら、同じ又は他の状況下で、他の実施形態が好ましい場合もある。更に、１つ以上の好ましい実施形態の記載は、他の実施形態が有用ではなく、本開示の範囲から他の実施形態を除外することを意図するものではないことを示唆するものではない。

【0050】

本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される際、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、内容がそうでない旨を明確に指示しない限り、複数の指示対象を有する実施形態を包含する。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される際、「又は」という用語は、一般的に、内容がそうでない旨を明確に指示しない限り、「及び／又は」を含む意味で採用される。

【0051】

本明細書で使用される際、「有する（have）」、「有する（having）」、「含む（include）」、「含む（including）」、「備える（comprise）」、「備える（comprising）」などは、オープンエンドの意味で使用され、一般的に、「～を含むが、～に限定されない」ことを意味する。「～で本質的に構成されている」、「～で構成されている」などは、「備える（comprising）」などに包含されることが理解されるであろう。「及び／又は」という用語は、列挙された要素のうちの１つ若しくは全て、又は列挙された要素のうちの少なくとも２つの組み合わせを意味する。

【0052】

リストで用いられる「少なくとも１つの」、「～の少なくとも１つを備える」、及び「～の１つ以上」という語句は、リスト内の項目のうちのいずれか１つ、及びリスト内の２つ以上の項目の任意の組み合わせを指す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図8E】

【図9】