Dissertation/ Thesis
Real-time temperature-compensated atmospheric corrosion monitoring at low cost: the CORTEX system and a validated IoT framework for structural health monitoring
| Τίτλος: | Real-time temperature-compensated atmospheric corrosion monitoring at low cost: the CORTEX system and a validated IoT framework for structural health monitoring |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Komary, Mahyad |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Civil i Ambiental |
| Thesis Advisors: | Tošić, Nikola, Turmo Coderque, José |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 317 p. |
| Θεματικοί όροι: | Atmospheric corrosion monitoring, Electrical resistance probes, Temperature compensation algorithm, Structural health monitoring, Low-cost IoT instrumentation, Civil infrastructure, AISI 1010 carbon steel, Real-time firmware compensation, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil, 624 - Enginyeria civil i de la construcció en general |
| Περιγραφή: | Tesi amb continguts retallats per motius de confidencialitat |
| Description (Translated): | (English) Civil infrastructure forms the physical substrate of contemporary economic activity, yet the metallic components of its load-bearing skeleton are continuously deteriorating under atmospheric attack at an annual cost approaching 3 to 4 percent of gross domestic product in every industrialized economy. Despite this scale, approximately 98 percent of the global bridge inventory is currently assessed exclusively through periodic visual inspection rather than continuous instrumented monitoring. Electrical resistance (ER) measurement has been the proven standard for service-condition corrosion monitoring in the petroleum industry for decades, but its adaptation to civil infrastructure has been obstructed by the cost of the dedicated commercial data-acquisition systems required to interrogate the probes, priced between 1,800 and 11,700 US dollars per channel. This dissertation develops and validates a low-cost open-source alternative. The Low-cost Electrical Resistance Ohm analYzer (LEROY), developed in the early phase of the doctoral program, achieved 7 to 30 microohm practical resolution on Arduino-class hardware and was validated against gravimetric mass loss within 3.31 percent over a 125-day accelerated test. The LEROY testing program also quantified why basic Arduino-class hardware cannot handle the temperature dependence of resistance under continuous field conditions and confined such hardware to static readings. Virtually every commercial ACM instrument addresses the temperature problem in hardware, by adding a coated reference probe. The strategy is structurally fragile because the reference probe's thermal mass and surface heat-transfer characteristics differ from those of the exposed active probe, producing phase-dependent compensation errors precisely when temperature is changing most rapidly. The central scientific decision was to address the temperature problem algorithmically: to eliminate the reference probe entirely and reformulate compensation as a real-time firmware operation grounded in the solid-state physics of metallic resistivity. This led to the CORrosion Temperature EXpert (CORTEX) system, the central technical contribution of the dissertation and the subject of European Patent Application EP25382628. CORTEX integrates an 18-bit delta-sigma ADC co-designed with a 156.23 mA precision current source so that one least significant bit corresponds to 0.1 milliohm, a four-wire Kelvin signal path, and an SHT35 digital temperature sensor co-located with the probe. A 12-stage autonomous firmware pipeline executes a real-time temperature compensation algorithm derived from first principles and validated across a 30-test program spanning laboratory, field, and isothermal regimes. The temperature coefficient was confirmed as a stable AISI 1010 material property (mean 0.448 plus or minus 0.007 percent per degree Celsius); the thermal lag was shown to be environment-dependent. Allan deviation analysis per IEEE Std 952-1997 established a field detection limit of 0.038 ± 0.009 μm (3σ). The platform completed 22.4 days of autonomous IoT-enabled field deployment in Barcelona with energy neutrality maintained by a 100 W solar panel. The dissertation closes with an accelerated wet-and-dry cycling campaign per ASTM G44 over 11 days, in which AISI 1010 probes were subjected to alternating immersion in 3.5 weight-percent NaCl electrolyte. The corrosion-progression measurement obtained from the temperature compensation algorithm, after correction for partial-immersion geometry and time-of-wetness scaling, reconciled with the independent ASTM G1 gravimetric mass-loss measurement to within 2.0 percent under ISO 9223 Category CX exposure. The work supports the central claim that a low-cost open-source framework can deliver commercial-grade quantitative atmospheric corrosion monitoring of metallic civil infrastructure. (Català) La infraestructura civil constitueix el substrat físic de l'activitat econòmica contemporània, però els components metàl·lics del seu esquelet resistent es deterioren contínuament sota atac atmosfèric, amb un cost anual que s'aproxima al 3 o 4 per cent del producte interior brut en qualsevol economia industrialitzada. Tot i aquesta magnitud, aproximadament el 98 per cent de l'inventari mundial de ponts s'avalua exclusivament mitjançant inspecció visual periòdica en lloc de monitoratge instrumentat continu. La mesura de la resistència elèctrica (ER) ha estat l'estàndard reconegut per al monitoratge de corrosió en servei a la indústria del petroli durant dècades, però la seva adaptació a la infraestructura civil s'ha vist obstaculitzada pel cost dels sistemes comercials dedicats d'adquisició de dades necessaris per interrogar les sondes, amb preus entre 1.800 i 11.700 dòlars americans per canal. Aquesta tesi desenvolupa i valida una alternativa de baix cost i codi obert. El sistema Low-cost Electrical Resistance Ohm analYzer (LEROY), desenvolupat en la fase inicial del programa doctoral, va assolir una resolució pràctica de 7 a 30 microohms en maquinari tipus Arduino i es va validar contra la pèrdua de massa gravimètrica amb un marge del 3,31 per cent al llarg d'un assaig accelerat de 125 dies. El programa LEROY també va quantificar les raons per les quals el maquinari Arduino bàsic no pot gestionar la dependència amb la temperatura de la resistència sota condicions contínues de camp, la qual cosa restringeix aquest maquinari a lectures estàtiques. Pràcticament tots els instruments comercials ACM aborden el problema de la temperatura per maquinari, afegint una sonda de referència recoberta. L'estratègia és estructuralment fràgil perquè la massa tèrmica i les característiques de transferència de calor superficial de la sonda de referència difereixen de les de la sonda activa exposada, produint errors de compensació dependents de la fase precisament quan la temperatura canvia amb major rapidesa. La decisió científica central va ser abordar el problema de la temperatura algorítmicament: eliminar completament la sonda de referència i reformular la compensació com una operació firmware en temps real fonamentada en la física de l'estat sòlid de la resistivitat metàl·lica. D'aquí sorgeix el sistema CORrosion Temperature EXpert (CORTEX), contribució tècnica central de la tesi i objecte de la sol·licitud de patent europea EP25382628. CORTEX integra un ADC delta-sigma de 18 bits codissenyat amb una font de corrent de precisió de 156,23 mA, de manera que el bit menys significatiu correspon a 0,1 mil·liohms, un canal Kelvin de quatre fils, i un sensor digital de temperatura SHT35 col·locat al costat de la sonda. Un pipeline firmware autònom de 12 etapes executa un algoritme de compensació de temperatura en temps real derivat de primers principis i validat en un programa de 30 assajos. El coeficient de temperatura es va confirmar com a propietat material estable de l'AISI 1010 (mitjana 0,448 ± 0,007 per cent per grau Celsius); el retard tèrmic va resultar dependent de l'entorn. L'anàlisi d'Allan segons IEEE Std 952-1997 va establir un límit de detecció en camp de 0,038 ± 0,009 μm (3σ). La plataforma va completar 22,4 dies de desplegament autònom IoT a Barcelona amb neutralitat energètica mitjançant un panell solar de 100 W. La tesi conclou amb una campanya accelerada de cicles humit i sec segons ASTM G44 durant 11 dies, en la qual sondes AISI 1010 van ser sotmeses a immersió alternada en electròlit NaCl al 3,5 per cent en pes. La mesura de la progressió de la corrosió obtinguda amb l'algoritme, després de la correcció de la geometria d'immersió parcial i un escalat de temps d'humectació, es va reconciliar amb la mesura gravimètrica ASTM G1 amb un marge del 2,0 per cent sota exposició ISO 9223 Categoria CX. (Español) La infraestructura civil constituye el sustrato físico de la actividad económica contemporánea, pero los componentes metálicos de su esqueleto resistente se deterioran continuamente bajo ataque atmosférico, con un coste anual que se aproxima al 3 o 4 por ciento del producto interior bruto en cualquier economía industrializada. A pesar de esta magnitud, aproximadamente el 98 por ciento del inventario mundial de puentes se evalúa exclusivamente mediante inspección visual periódica en lugar de monitorización instrumentada continua. La medida de la resistencia eléctrica (ER) ha sido el estándar reconocido para la monitorización de corrosión en servicio en la industria del petróleo durante décadas, pero su adaptación a la infraestructura civil se ha visto obstaculizada por el coste de los sistemas comerciales dedicados de adquisición de datos requeridos para interrogar las sondas, con precios entre 1.800 y 11.700 dólares americanos por canal. Esta tesis desarrolla y valida una alternativa de bajo coste y código abierto. El sistema Low-cost Electrical Resistance Ohm analYzer (LEROY), desarrollado en la fase inicial del programa doctoral, alcanzó una resolución práctica de 7 a 30 microohmios sobre hardware tipo Arduino y se validó frente a la pérdida de masa gravimétrica con un margen del 3,31 por ciento a lo largo de un ensayo acelerado de 125 días. El programa LEROY también cuantificó las razones por las que el hardware Arduino básico no puede gestionar la dependencia con la temperatura de la resistencia bajo condiciones continuas de campo, lo que restringe ese hardware a lecturas estáticas. Prácticamente todos los instrumentos comerciales ACM abordan el problema de la temperatura por hardware, añadiendo una sonda de referencia recubierta. La estrategia es estructuralmente frágil porque la masa térmica y las características de transferencia de calor superficial de la sonda de referencia difieren de las de la sonda activa expuesta, produciendo errores de compensación dependientes de la fase precisamente cuando la temperatura cambia con mayor rapidez. La decisión científica central fue abordar el problema de la temperatura algorítmicamente: eliminar por completo la sonda de referencia y reformular la compensación como una operación firmware en tiempo real fundamentada en la física del estado sólido de la resistividad metálica. De ahí surge el sistema CORrosion Temperature EXpert (CORTEX), contribución técnica central de la tesis y objeto de la solicitud de patente europea EP25382628. CORTEX integra un ADC delta-sigma de 18 bits codiseñado con una fuente de corriente de precisión de 156,23 mA, de modo que el bit menos significativo corresponde a 0,1 miliohmios, un canal Kelvin de cuatro hilos, y un sensor digital de temperatura SHT35 colocado junto a la sonda. Un pipeline firmware autónomo de 12 etapas ejecuta un algoritmo de compensación de temperatura en tiempo real derivado de primeros principios y validado en un programa de 30 ensayos. El coeficiente de temperatura se confirmó como propiedad material estable del AISI 1010 (media 0,448 ± 0,007 por ciento por grado Celsius); el retardo térmico resultó dependiente del entorno. El análisis de Allan según IEEE Std 952-1997 estableció un límite de detección en campo de 0,038 ± 0,009 μm (3σ). La plataforma completó 22,4 días de despliegue autónomo IoT en Barcelona con neutralidad energética mediante un panel solar de 100 W. La tesis concluye con una campaña acelerada de ciclado húmedo y seco según ASTM G44 durante 11 días, en la que sondas AISI 1010 fueron sometidas a inmersión alternada en electrolito NaCl al 3,5 por ciento en peso. La medida de la progresión de la corrosión obtenida con el algoritmo, tras la corrección de la geometría de inmersión parcial y un escalado de tiempo de humectación, se reconcilió con la medida gravimétrica ASTM G1 con un margen del 2,0 por ciento bajo exposición ISO 9223 Categoría CX. DOCTORAT EN ENGINYERIA DE LA CONSTRUCCIÓ (Pla 2012) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-473052 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/698195 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-473052 |
| Rights: | ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. info:eu-repo/semantics/embargoedAccess |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.698195 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-473052 |
|---|