M¨atningarna f¨or det torra blocket visas i tabell 4. Skillnaden i RSSI mellan referensm¨atningen i luft med taggen 53 cm ifr˚an l¨asaren och m¨atningen genom betong 30 cm fr˚an l¨asaren ¨ar 12 dB. Fiberm¨angden i blocket ¨ar ok¨ant, men det n¨armaste simulerade blocket har vattenhalt 4 % och fiberm¨angd 20 kg/m3. De genomsnittliga signalf¨orusterna i detta block visas i figur 11 och uppg˚ar till ca. 12 dB. Eftersom RSSI ¨ar ett m˚att p˚a effekten som reflekterats av taggen som kommer till l¨asaren (se ekvation 9), medan simulationen avg¨or f¨orlusten vid taggen, ¨ar den simulerade signalf¨orlusten betydligt h¨ogre ¨an den verkliga signalf¨orlusten i detta fall. F¨orlusterna fr˚an den analytiska metoden, ekvationer 7 och 8 uppg˚ar f¨or samma fall till 2.7 dB med samma material, och i den homogena simulationen uppg˚ar signalf¨orlusterna till 7.2 dB.
Tabell 4: M¨atningar av RSSI f¨or ˚aterkommande signal f¨or det torra fiberbetongblocket
M¨atning RSSI [dBm]
Luft, 53 cm -52
Luft, 79 cm -57
Betongbit, 30 cm -64
I tabell 5 redovisas m¨atdata f¨or RSSI fr˚an f¨orsta dagen efter att de nya betongblocken gjutits. Uppst¨allningen visas i figur 5. F¨or denna m¨atning visas en stor p˚averkan p˚a signalstyrkan fr˚an fiberm¨angden, speciellt mellan blocket utan fibrer och blocken med fibrer.
Tabell 5: M¨atv¨arden f¨or de nygjutna blocken Fiberm¨angd [kg/m3] RSSI [dBm]
0 -37
30 -54
45 -58,5
60 -62
M¨atningarna som redovisas i tabell 6 ¨ar tagna fyra dagar efter att betongen gjutits och f¨oljer uppst¨allningen som visas i figur 6. RSSI och den l¨agsta effekten som uppn˚adde kommunikation med 30 cm avst˚and till taggen uppm¨attes med och utan betong. F¨or referensm¨atningen i luft uppm¨attes RSSI till -39 dBm och den minsta effekten till 21 dBm. Betongblocket vrids f¨or att uppn˚a olika slumpm¨assiga fiberdistributioner och orienteringar. Kontakt mellan l¨asare och tagg uppstod endast
f¨or 0 kg/m3 och 30kg/m3. I denna m¨atning verkar fibrerna ha mindre p˚averkan ¨an ovan. En viss variation mellan m¨atningarna p˚a samma block finns, men upptr¨ader ¨aven f¨or det fiberfria blocket. Skillnaden i l¨agsta effekt och RSSI mellan blocken ¨ar ungef¨ar lika stora, vilket inte st¨odjer skillnaden som f¨orutsp˚as i ekvationer 10 och 9. Den l¨agsta effekten f¨or betongen med 30kg/m3subtraherat med l¨agsta effekten f¨or referensm¨atningen i luft ger ∆L = 6.7 dB. Detta resultat ligger i n¨arheten av det som f˚as i 4.1 trots skillnaderna i fiberm¨angd och vattenhalt.
Tabell 6: M¨atv¨arden f¨or olika orientering av betongen f¨or uppst¨allning i figur 6
Fiberm¨angd: 0kg/m3 30kg/m3
Orientering RSSI [dBm] L¨agsta effekt [dBm] RSSI [dBm] L¨agsta effekt [dBm]
0◦ -59 23 -62 26
90◦ -60,5 24 -62,5 28
180◦ -56,5 22 -67 29
Genomsnitt -58,7 ±2, 0 23 ±1 -63,8 ±2, 8 27,7 ±1, 5
5 Diskussion
J¨amf¨orelsen mellan den analytiska metoden och CST simulationen p˚a homogeniserad betong visade p˚a en liten skillnad. Den inhomogena simulationen visade dock p˚a en stor os¨akerhet i signalstyrkan. Denna os¨akerhet presenteras i figur 8 samt i Appendix: Figurer. Om en s˚adan stor os¨akerhet finns ¨
aven i det verkliga fallet ¨ar RFID inte l¨ampat som metod f¨or tjockleksm¨atning. Dock unders¨oks det elektriska f¨altet endast i en punkt och om effekten ¨ar mycket lokal kan signalstyrkan ¨over hela taggen ha en mindre os¨akerhet. I m¨atningarna fr˚an tabell 6 verkar os¨akerheten vara betydligt mindre ¨an i CST. Att m¨ata signalstyrkan f¨or en punkt verkar d¨arf¨or inte vara en bra metod.
M¨atningar som togs i olika uppst¨allningar visar p˚a olika f¨or¨andringar i signalstyrkan, ¨aven fast uppst¨allningarna var menade att unders¨oka samma scenario. Resultat som framtas har begr¨ansad anv¨andbarhet om de inte ger detsamma som i den verkliga anv¨andningen. Det ¨ar d¨arf¨or viktigt att utveckla en m¨atmetod som st¨ammer v¨al ¨overens med det verkliga scenariot. N˚agra tillkortakomman-den som b¨or ˚atg¨ardas i eventuella framtida experiment ¨ar att taggens n¨armilj¨o inte var konsekvent och att blocken kan ha varit f¨or sm˚a. Optimalt vore troligtvis om taggen kunde f¨astas p˚a n˚agot som liknar en bergv¨agg och sedan gjutas in i betongen.
Det ¨ar utifr˚an de m¨atdata som finns tillg¨anglig sv˚art att validera n˚agon av ber¨akningsmetoderna. Tillg˚ang till torra betongprover i olika tjocklekar med given fiberm¨angd beh¨ovs f¨or att g¨ora en vali-dering. Vidare skulle en noggrannare unders¨okning av vattenhalten i betongen beh¨ova g¨oras. B˚ade simulationen och de tester som utf¨orts experimentellt tyder p˚a en kraftig signalf¨orlust. D¨arigenom verkar varken den analytiska l¨osningsmetoden eller den homogenisering av betongblandningen som utvecklats vara bra representationer av verkligheten.
Beroende p˚a hur fibrerna ¨ar orienterade i betongen f˚as olika signalstyrkor vid tjockleksm¨atningar. Detta inneb¨ar att ett flertal m¨atningar beh¨over tas i ett n¨aromr˚ade f¨or att d¨arigenom ber¨akna ett medelv¨arde av tjockleken. Vi har ingen grund f¨or hur m˚anga m¨atningar som kan kr¨avas s˚a det b¨or studeras i en framtida studie.
En viktig parameter som avg¨or hur v¨al modellerna anpassar verkligheten ¨ar vattenhalten i betongen. Bristen p˚a betongprover att m¨ata p˚a har d¨aremot inte fordrat n˚agon noggrannare unders¨okning av vattenhalten. F¨or torra betongprover kan vattenhalten ber¨aknas eftersom den byggfukt som torkar
ur betong efter gjutning g˚ar mot j¨amnvikt med den utomst˚aende luftfuktigheten.
En stor signalf¨orlust observerades f¨or betong med anisotropt orienterade fibrer i j¨amf¨orelse med isotropt orienterade fibrer. Det ¨ar d¨armed viktigt att veta hur fibrerna kommer orientera sig i betongen innan den gjuts. Vidare forskning b¨or g¨oras om fibrernas orientering eftersom det hade en stor p˚averkan p˚a signalstyrkan.
Att rotera ett kvadratiskt betongblock ¨ar en bra metod f¨or att testa olika orienteringar av st˚alfiber. Den ¨ar dock begr¨ansad till tv˚a l¨agen eftersom en 180◦ rotation b¨or motsvara det ursprungliga l¨aget p˚a grund av det spegelsymmetriska utseendet hos taggens str˚alningsm¨onster. Fler orienteringar av fibrerna skulle kunna uppn˚as genom att v¨anda blocket upp och ned eller genom att ha ett betydligt st¨orre block d¨ar taggen fritt kan flyttas omkring.
Eftersom f˚a m¨atningar tas ¨ar det inte m¨ojligt att unders¨oka hur mycket taggen sj¨alv p˚averkas av materialet. Det verkar dock vara tydligt att anledningen till att ingen kommunikation sker ¨ar att taggen inte f˚ar tillr¨ackligt mycket effekt f¨or att aktiveras och modulera en reflektion. Om RFID-teknik ska anv¨andas f¨or kommunikation genom en betongv¨agg kr¨avs d¨arf¨or en tagg som ¨ar b¨attre l¨ampad ¨an den som testades. Det kan vara intressant att unders¨oka hur detta skulle uppn˚as. N˚agra f¨orslag som tagits upp tidigare i texten ¨ar olika designmetoder som kan kombineras. F¨or att minska motst˚andet fr˚an betongen och g¨ora taggen mindre k¨anslig mot sin omgivning kan en fysiskt st¨orre inkapsling vara anv¨andbar. Antennen kan sedan ¨aven konjugatmatchas och anpassas f¨or att befinna sig i betong, ist¨allet f¨or att anv¨anda en tagg som designats f¨or att anv¨andas ˚atminstone delvis kring luft. Ut¨over detta ¨ar ett s¨att att ut¨oka kommunikationsm¨ojligheterna att anv¨anda aktiva eller semiaktiva taggar, det vill s¨aga taggar som har en integrerad energik¨alla och inte beh¨over drivas av den inkommande signalen. F¨or att f¨orlusterna relaterade till den minskade reflektiviteten och missanpassningen ska kunna fastst¨allas kr¨avs, oavsett om en tagg designas eller ej, m¨atningar i en realistisk milj¨o f¨or taggen i fr˚aga. Eftersom denna term inte kunnat kvantifierats utifr˚an den m¨atdatan som finns tillg¨anglig ¨ar f¨orlusten som ber¨aknas i simulationen inte direkt j¨amf¨orbar med m¨atdatan.
Det figurerna 11, 12 och 13 visar ¨ar att fiberorienteringen utger en stor del av signalstyrkans f¨orluster. Detta gav en standardavvikelse p˚a 25 mm mellan tjockleken som den linj¨ara anpassningen angav gentemot den egentliga tjockleken. F¨or att f˚a den ¨onskade noggrannheten p˚a 5 mm inneb¨ar det att ett flertal m¨atningar beh¨over tas i ett n¨aromr˚ade med flera taggar f¨or att d¨arigenom ber¨akna ett medelv¨arde av tjockleken. Vi har ingen grund f¨or hur m˚anga m¨atningar som kan kr¨avas s˚a det b¨or studeras i en framtida studie. Vidare b¨or avst˚andet som kr¨avs mellan taggar f¨or att undvika interferens unders¨okas om ett flertal m¨atningar ¨onskas g¨oras i ett n¨aromr˚ade.
6 Slutsats
De ber¨akningsmetoder som studerats i projektet har inte validerats som tillv¨agag˚angss¨att f¨or att med hj¨alp av UHF RFID m¨ata tjockleken av st˚alfiberarmerad betong. Os¨akerheten i den ickehomogena simulationen motsvarar en otillfredsst¨allande os¨akerhet i v¨aggens tjocklek, vilket visas i figur 13. En viss os¨akerhet finns i de experimentella resultaten, men f¨or att veta vilken os¨akerhet i tjocklek detta leder till kr¨avs m¨atningar p˚a fler block av olika tjocklek. Om fler experiment genomf¨ors med l¨ampligare uppst¨allningar kan en tydligare slutsats om huruvida n˚agon av metoderna och RFID l¨ampar sig till att m¨ata tjockleken av fiberarmerad betong.
simulationer, homogenisering och experiment. Fibrernas orientering verkar spela stor roll f¨or kom-munikation och kr¨aver fortsatt unders¨okning.
Eftersom taggens prestation inte var tillfredsst¨allande ¨ar ett intressant omr˚ade att unders¨oka hur en antenn skulle kunna designas. I texten f¨oresl˚as metoder f¨or att minska f¨orlusterna kopplade till taggens interaktion med betongen och skapa en mer l¨amplig tagg f¨or ¨andam˚alet. Detta kan ¨aven vara ett underlag f¨or att v¨alja en mer l¨amplig tagg som redan finns tillg¨anglig p˚a marknaden, vilket troligtvis ¨ar betydligt billigare.
Referenser
[1] Balayssac JP, Garnier V. Non-destructive Testing and Evaluation of Civil Engineering Structu-res. ISTE Press; 2018.
[2] Nelligan T. An Introduction to Ultrasonic Thickness Gaging;. Available
from:
https://www.olympus-ims.com/en/applications-and-solutions/introductory-ultrasonics/introduction-thickness-gaging/.
[3] Dobkin DM. The RF in RFID: Passive UHF RFID in Practice. Elsevier Inc; 2008.
[4] Miodrag B, Simplot-Ryl D, Ivad S. RFID systems: research trends and challenges. Wiley; 2010. [5] Rad MF, Shafai L. Embedded microstrip patch antenna for structural health monitoring
ap-plications. IEEE; 2008. p. 1–4.
[6] Abdelnour A, Lazaro A, Villarino R, Kaddour D, Tedjini S, Girbau D. Passive Harmonic RFID System for Buried Assets Localization. Sensors (Basel, Switzerland). 2018;18(11):3635. [7] Zhang J, Tian GY, Marindra AMJ, Sunny AI, Zhao AB. A Review of Passive RFID Tag
Antenna-Based Sensors and Systems for Structural Health Monitoring Applications. MDPI; 2017. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5335955/.
[8] Lazaro A, Girbau D, Salinas D. Radio Link Budgets for UHF RFID on Multipath Environments. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION. 2009 Apr;57(4):1241–1251. [9] Griffin JD, Durgin GD, Haldi A, Kippelen B. RF Tag Antenna Performance on Various Materials Using Radio Link Budgets. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2006;5:247–250.
[10] ERC reccomendations 70-03. 2019;p. 35.
[11] Jin X, Ali M. Simple empirical formulas to estimate the dielectric constant and conductivity of concrete. Microwave and Optical Technology Letters. 2019;61(2):386–390.
[12] Van Damme S, Franchois A, De Zutter D, Taerwe L. Nondestructive determination of the steel fiber content in concrete slabs with an open-ended coaxial probe. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2004;42(11):2511–2521.
[13] Van Damme S, Franchois A. A Full-Wave Homogenization Technique for Steel Fiber Reinforced Concrete. Electromagnetics. 2006;26(3-4):301–314.
[14] Uvarov NF. Estimation of composites conductivity using a general mixing rule. Solid State Ionics. 2000;136(1-2):1267–1272.
[15] Giddens H. hgiddenss/CST App;. Available from: https://www.github.com/hgiddenss/CST App. [16] Lall´ech´ere S. Efficient 3-D electromagnetic modeling procedure of composite materials in
microwave frequency range: application to EMC characterization of complex media by statistical means. Advanced Electromagnetics. 2017 May;6(2):46–51.
Appendix: MATLAB-kod
Ickehomogena betongskivan
1 tic 2 3 f = [700e6 1000e6]; 4 %Fiberdata 5 radius = 0.32; 6 length = 50;7 maxR = sqrt(radiusˆ2 + lengthˆ2/4); 8 rho = 7.8e3; 9 10 11 %Betongdata 12 concreteWidth = 4*length; 13 concreteThickness = 150; 14 massPerm3 = 50; 15 0; 16 h = 5;
17 %Skapa en datafil f r homogeniserat material
18 file = fopen('homogen.txt','wt'); 19 f vec = linspace(f(1), f(2), 40); 20 for i = f vec
21 [reps ieps] = epsilon(massPerm3/rho, h, i); 22 fprintf(file, '%f;%f;%f;\n', i/1e6, reps, ieps); 23 end
24
25 %Skapa en datafil f r homogeniserat material
26 file = fopen('inhomogen.txt','wt'); 27 for i = f vec
28 [reps ieps] = epsilon(0, h, i);
29 fprintf(file, '%f;%f;%f;\n', i/1e6, reps, ieps); 30 end
31
32 nFiber = round(((concreteWidth−2*maxR)*1e−3)ˆ2*((concreteThickness−maxR)*1e−3)* ...
massPerm3/(pi*(radius*1e−3)ˆ2*length*1e−3*rho)); 33 34 if nFiber < 2500 35 36 R = rand(nFiber,3); 37 rotationAngles = 180*rand(nFiber,3,1); 38
39 CST = CST MicrowaveStudio('D:\CST\Sims','Inhomogen shotcrete.cst'); 40
41 R(:,1:2) = R(:,1:2)*(concreteWidth−2*maxR) − (concreteWidth/2−maxR); 42 R(:,3) = R(:,3)*(concreteThickness−2*maxR) + maxR;
43
44 for i = 1:nFiber
45 fiberName = ['fiber',num2str(i)]; 46 fiberComponent = ['fibers']; 47 fiberMaterial = ['PEC'];
48 CST.addCylinder(radius,0,'z',R(i,1),R(i,2),[R(i,3)−length/2 ...
R(i,3)+length/2],fiberName,fiberComponent,fiberMaterial); 49 CST.rotateObject(fiberComponent,fiberName,rotationAngles(i,:),[R(i,1) R(i,2) ... R(i,3)]); 50 end 51 52 CST.mergeCommonSolids(fiberComponent); 53 54 %Skapa betongblocket
55
56 concreteName = 'concreteBlock'; 57 concreteComponent = 'concrete'; 58 concreteMaterial = 'Vacuum';
59 CST.addBrick([−concreteWidth/2 concreteWidth/2], [−concreteWidth/2 ...
concreteWidth/2], [−2000
60 concreteThickness], concreteName, concreteComponent, concreteMaterial) 61
62 %CST.insertObject('fiber1','concreteBlock');
63
64 % L g g a till simuleringsverktyg och anpassa simuleringen
65 CST.defineUnits('Frequency', 'MHz', 'Geometry', 'mm', 'Time', 'ns') 66 CST.setFreq(700, 1000)
67 CST.setSolver('t')
68 CST.setBoundaryCondition('Xmin', 'Periodic','Xmax', 'Periodic','Ymin', ...
'Periodic','Ymax', 'Periodic','Zmin', 'open (add space)','Zmax', 'open (add ...
space)') 69 CST.addFieldMonitor('Efield', 866.5) 70 71 toc 72 73 CST.save 74 75 76 77 end
Ber¨akning av permittivitet f¨or homogeniserat material
1 function [reps, ieps] = epsilon(f v , h, f) 2 %¬¬¬¬¬¬¬¬Fiberbetongdata¬¬¬¬¬¬¬¬¬ 3 l = 6e−2; 4 d = 62e−4; 5 V = pi*dˆ2/4*l; 6 7 E rh = (0.33357*(f*10ˆ−9)ˆ2 − 0.71799*(f*10ˆ−9) + 0.63382)*h + 4.5;
8 sigma = (2.242150e−4*hˆ2 + 0.0023307*h + 0.015064)*(f*10ˆ−9) + 1.00965e−4*hˆ2 + ...
4.96889e−4*h + 1.29118e−4; 9 %¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬S f r o i d¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬ 10 a1 = l/2; 11 a2 = sqrt(3*V/4/pi/a1); 12 %¬¬¬¬¬¬¬¬¬Homogenisering¬¬¬¬¬¬¬¬¬ 13 %Permittivitet 14 e = sqrt(1−(a2/a1)ˆ2); 15 N1 = (1−eˆ2)/(2*eˆ3)*(log((1+e)/(1−e))−2*e); 16 N23 = (1−N1)/2; 17 E r eff = E rh*(1+f v/3/(1−f v)*(1/N1+2/N23)); 18 19 %Konduktivitet 20 sigmaHom = sigma*(1+3*f v);
21 eps im = sigmaHom/(8.854e−12*2*pi*f); 22 %¬¬¬¬¬¬¬¬¬Permittivitet¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬
23 E s = E r eff − i*eps im; 24 ieps = eps im;
Appendix: Figurer
Fiberm¨angdens p˚averkan p˚a signalstyrkan
I figurerna ¨ar de streckade linjerna enskilda m¨atningar och den heldragna svarta linjen genomsnittet av de fem m¨atningarna. Endast fiberm¨angden varieras och m¨angden fritt vatten ¨ar 4 %. Tjockleken ¨
ar 75 mm.
Figur 14: Simulationer med 1 kg/m3.
Figur 16: Simulationer med 35 kg/m3.
Figur 17: Simulationer med 50 kg/m3.
Tjocklekens p˚averkan p˚a signalstyrkan
I figurerna ar de streckade linjerna enskilda m¨atningar och den heldragna svarta linjen genomsnittet av de fem matningarna. I alla m¨atningar anv¨ands fiberm¨angden 20kg/m3, 4% fritt vatten, och tjockleken varieras.
Figur 18: Simulationer f¨or 75 mm tjock betong.
Figur 20: Simulationer f¨or 175 mm tjock betong.
Fiberm¨angdens p˚averkan f¨or anisotropt betongblock
I figurerna ar de streckade linjerna enskilda atningar och den heldragna svarta linjen genomsnittetav de fem matningarna. Fiberm¨angden varieras. L¨os andel vatten ¨ar 4 % och blockets tjocklek ¨ar 75mm.
Figur 22: Simulationer f¨or anisotropt betongblock med fiberm¨angd 35 kg/m3.