JP2008504542A - 高周波に基づいた材料強度測定のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、高周波送信器（２４）によりギガヘルツ周波数帯域の測定信号（２８）を検査すべき建築資材（１０）に少なくとも一回侵入させ、高周波受信器（３８）により検出するようにした建築資材侵入性の材料強度測定の方法、とりわけ、壁、天井、および床の厚さを測定する方法に関する。
本発明によれば、高周波送信器（２４）および／または高周波受信器（３４）の異なる位置（２０，２２）で測定された測定信号の少なくとも２つの伝播時間から建築資材（１０）の材料強度（ｄ）が求められる。
さらに、本発明は上記の方法を実行する装置システム（１２，４０，１４０，２４０，３４０）にも関している。

Description

本発明は、建築資材侵入性の材料強度測定のための方法および装置、とりわけ、壁、天井および床の厚さを測定する方法および装置に関する。

従来技術
ＵＳ５，４３４，５００から、位置指示器を備えた検出器とともに磁界発生器が公知である。この磁界発生器は送信ユニットとして機能し、壁の第１の面の位置同定されるべき箇所に掛けられ、この箇所で磁界を発生させる。付属の検出器は受信ユニットとして機能し、送信ユニットとは逆側の壁表面上を動かされる。受信ユニットは、磁界の相対的な強さを測定するそれぞれ２つの検出器から成る２つの対を有している。個々の検出器のそれぞれについてこの磁界の相対的な強さを測定することにより、磁界発生器の位置または磁界発生器とは逆側の壁面へのこの位置の射影を同定することが可能になる。ＵＳ５，４３４，５００の装置では、検出された磁界の強さは光学式ディスプレイによって視覚化される。検出された磁界の強さが４つの検出器素子のすべてにとって同じならば、受信ユニットは送信ユニットに対してまっすぐに配置されている。しかしながら、ＵＳ５，４３４，５００の装置では壁強度の定量的な測定は行われない。

ＤＥ ３４ ４６ ３９２ Ａ１からは、壁の一方の面にある検査位置を壁の他方の面において同定する方法が公知である。特にタンクの金属壁において使用されるこの方法では、検査位置の同定を速くするとともに、位置同定の信頼性を高めるために、壁の検査位置に磁極が置かれ、この磁極とは逆側の他方の壁面において、壁を貫通する磁極の磁界が検出される。ＤＥ ３４ ４６ ３９２ Ａ１の方法では、磁界を検出するために、有利にはホール効果素子が使用される。

従来技術の公知の装置は、とりわけ、例えば、壁、天井または床のような建築資材の中にある金属部材、例えば、スチール製の梁や補強用鉄筋などが検出を強く妨害し、時には検出を不可能にしてしまうことさえあるという欠点を有している。その上、この種の装置の位置測定精度はむしろ低いと言える。

本発明の課題は、材料強度の迅速、確実かつ精確な測定を可能にする方法および装置を提供することである。

上記課題は請求項１に記載された特徴を備えた方法によって解決される。さらに、上記課題は請求項９に記載された特徴を備えた装置によって解決される。

発明の利点
本発明による建築資材侵入性の材料強度測定のための方法、とりわけ、壁、天井および床の厚さを測定するためのこのような方法では、検査すべき材料内にギガヘルツ周波数帯域の測定信号を放射する高周波送信器が使用されているため、材料に侵入した測定信号を高周波受信器によって検出することができる。建築資材の材料強度は、高周波送信器および／または高周波受信器の位置を変えて測定信号の伝播時間を少なくとも２回測定することにより求められる。

材料強度測定のためのこの評価プロセスによれば、壁の強度に関する情報、および／または、例えば壁材料の誘電率などの壁の材料特性に関する情報がなくても、壁の強度を求めることが可能になる。

高周波方式を使用しているため、壁の強度は高い信頼性をもって求められる。というのも、位置測定精度は使用する周波数帯域によって高めることができるからである。その際、例えばスチール製の梁や補強用鉄筋のような壁の中の異物は、壁の強度測定にとって何ら障害にならない。

本発明による方法およびこの方法を実行するための装置システムの有利な発展形態は、従属請求項において実施されている特徴から明らかになる。

有利には、測定の際、高周波送信器と高周波受信器は検査すべき建築資材の共通の第１の面に配置されており、材料に侵入した高周波送信器の測定信号は、部材の第２の面に配置された能動的または受動的な反射手段によって高周波受信器へはね返される。

本発明による方法の特に有利な実施形態では、高周波送信器と高周波受信器は共通の装置内で、とりわけ、手持ち式の高周波測定装置内で動作する。

本発明による方法の１つの実施形態では、高周波測定装置は、少なくとも２回の伝播時間測定を行うために、検査すべき材料の表面上を移動させられる。その際、測定装置が移動した経路は経路センサ系により検出され、評価ユニットにおいて使用される。

有利には、測定信号を送り返す反射手段は少なくとも１つのトランスポンダを含んでいる。このトランスポンダは建築資材に侵入した高周波信号を受信し、相応する信号を高周波受信器に送り返す。

有利には、建築資材に侵入する測定信号はギガヘルツ周波数帯域内にパルスレーダー方式により形成され、続いて材料内に放射される。その際、１ギガヘルツから５ギガヘルツまでの区間内に、有利には、１．５ＧＨｚから３．５ＧＨｚまでの区間内に、１つまたは複数の測定周波数が存在する。

本発明による方法を実行するための装置システムは、有利には、建築資材の表面に配置可能なすくなくとも１つの高周波測定装置を有しており、この高周波測定装置は少なくとも１つの高周波送信器と高周波受信器、ならびにこの高周波測定装置に対して相対的に動くトランスポンダを備えている。パルス反射計として動作する高周波測定装置は、ギガヘルツ領域の周波数を有する測定信号を測定すべき建築資材の中へ送信する。これらの測定信号はトランスポンダによって検出され、場合よってはさらに処理される。トランスポンダは相応する信号を高周波測定装置の高周波受信器に送り返す。トランスポンダによって「反射された」この測定信号はその伝播時間に関して評価される。建築資材の２つの箇所で行われる少なくとも２回の異なる伝播時間測定から、有利には、材料特性を知らなくても、とりわけ誘電率を知らなくても、壁の材料強度が求められる。このために、高周波測定装置によって求められる測定信号の伝播時間に加えて、少なくとも２回の伝播時間測定の少なくとも２つの位置の間の高周波測定装置の移動経路が検出され、評価される。

有利には、高周波測定装置はこうした理由から経路センサ系を介して２つの測定位置の間における測定装置の移動経路を検出し、測定装置の評価および制御ユニットに転送する。このような経路センサ系は、例えば測定装置のハウジングの相応する滑車や車輪を介して、走行経路を記録することができる。信号評価プロセスでは、パルス反射計とトランスポンダとの間の測定信号の伝播時間を介して、検査すべき建築資材の少なくとも２つの異なる位置において壁の厚さを測定するために、パルス反射計が２つの測定箇所の間で走破した移動区間が利用される。

本発明による方法および本方法を実行するための本発明による装置はこのように、有利には、壁の強度に関する情報がなくても、とりわけ、壁の材料特性を知らなくても、壁の強度を求めることができる。そのために、装置として、高周波測定装置、例えばパルス反射計に基づいた壁測位装置と、トランスポンダまたは類似の反射手段が必要である。

本発明による方法および本発明による装置の別の利点は、以下の図面とそれに付属する有利な実施例の説明とから知ることができる。

図面
図面には、建築資材侵入性の材料強度測定のための本発明による方法および装置システムの実施形態が示されており、これらの実施形態は以下の説明においてより詳細に解説される。図面の個々の図、その説明、ならびに請求項には、数多くの特徴の組合せが含まれている。当業者であれば、これらの特徴を個別に考察することも、別の有効な組合せにまとめることもできよう。ただし、これらの有効な組合せも本明細書で開示されているものと見なされなければならない。

図１は、本発明による方法の基礎をなす測定装置の概略図であり、
図２は、第１の測定箇所に対して適用された本発明による方法の概略図であり、
図３は、本発明による方法のためのトランスポンダの基本的な電子部品の第１の実施例を示しており、
図４は、本発明による方法のためのトランスポンダの択一的な実施形態を示しており、
図５は、本発明による方法のためのトランスポンダのさらに別の実施形態を概略図で示したものである。

実施例の説明
図１は、本発明による方法の基礎をなす典型的な測定状況を示している。ここでは、例えば壁、床、または天井などの建築資材１０の材料強度または厚さｄを、例えば材料１０の誘電率など、材料特性に関する特別な情報を知らずに求めたい。

検査すべき部材の表面１４に配置され、パルス反射計として動作する高周波測定装置１２を用いて、検査すべき材料１０を通してギガヘルツ周波数帯域の測定信号を送信し、高周波測定装置１２とは逆側の検査すべき材料の表面１６に配置されたトランスポンダ１８により、後で説明する方法で測定信号を高周波測定装置１２の受信ユニットに送り返す。測定信号の伝播時間からは、移動した距離、ひいては材料強度を導き出すことができる。通常、このためには、材料内での測定信号の伝播速度に関する情報が必要である。一方で、伝播速度は材料特性に、とりわけ、材料の誘電率に依存する。

しかし、高周波測定装置の２つの異なる既知の場所２０および２２で少なくとも２回の異なる測定を実行し、高周波測定装置１２とトランスポンダ１８との間の信号伝播時間を測定し評価すれば、材料定数を知る必要なく、幾何学的関係から壁の厚さｄを求めることができる。

図２は、第１の測定箇所２０における測定状況に基づいて本発明による方法の基本的な方法ステップを描写している。高周波送信器２４と高周波受信器３８とから成る高周波測定装置１２の高周波ユニット３２は、例えばＦＭＣＷまたはパルスレーダー方式により、ギガヘルツ周波数帯域のマイクロ波を発生させる。ＨＦ送信器２４は、したがって、１つまたは複数の個々の周波数（ＦＭＣＷ方式）、または広帯域パルススペクトル（パルスレーダー）を発生させる。測定信号２８はギガヘルツ周波数帯域内にあり、一般に１ギガヘルツから５ギガヘルツまでの区間内の測定周波数を有している。有利には、本発明による方法では、１．５ＧＨｚから３．５ＧＨｚまでの周波数区間から１つまたは複数の測定周波数が使用される。

本発明による方法では、建築資材の一方の面において、高周波測定装置１２は材料の適当な表面１４に保持または固定される。高周波測定装置１２はアンテナ装置２６を備えた高周波送信器２４を有しており、アンテナ装置２６は有利には建築資材１０の方向を向いており、高周波測定信号２８を建築資材１０の中へ放射することができる。このようにして発生させられた測定信号２８を形成するマイクロ波信号は、少なくとも１つのアンテナを含んだアンテナ装置２６を介して放射される。高周波測定装置１２が、例えば、壁、天井、または床などの建築資材１０の一方の面１４の所定の位置２０に配置されると、マイクロ波は指向性高周波信号２８として壁に侵入し、反射手段１８の受信器３４によって材料１０の他方の面１６において検出される。

反射手段１８は内部伝播時間の分だけ遅延した戻り測定信号３６を再び壁を通して高周波測定装置１２に送り返す。

高周波測定装置１２は高周波送信器２４としても高周波受信器３８としても形成されており、反射器１８により送り返された戻り測定信号３６を受信アンテナで検出する。高周波測定装置１２の送信または受信アンテナとしては、相応の回路において単独の高周波アンテナ素子２６が使用される。しかし、本発明による方法の別の実施形態では、分離された送信アンテナと受信アンテナを高周波測定装置１２に設けてもよい。

高周波測定装置１２とは逆側の築資材１０の面１６には反射手段１８があり、この反射手段１８は、壁１０に侵入した測定信号２８を戻り測定信号２８として高周波測定装置１２の受信ユニットへ能動的にまたは受動的に送り返す。このような反射手段１８は、例えば受動的な反射器によって、例えばＳＡＷ素子（Surface Acoustic Wave)によって形成することができる。反射手段１８によって送り返された測定信号３６は同じ周波数帯域内にあってもよいし、往きの測定信号２８からシフトした周波数帯域内にあってもよい。

反射手段１８として、有利には、いわゆるトランスポンダ４０が使用される。このトランスポンダ４０は、建築資材１０に侵入した測定信号２８を検出および処理し、内部遅延時間を経た後に、検出された元の測定信号２８に相関した応答信号３６を再び材料１０を通して送り返す。

図３は、このようなトランスポンダの、本発明による方法向けの可能な第１の実施形態を示している。測定装置１２によって形成された高周波交流磁界は、例えば検査すべき壁などの建築資材１０に侵入する。測定装置１２とは逆側の壁面にはトランスポンダ１４０があり、このトランスポンダ１４０が測定装置によって形成された信号の位置同定および検出を行い、後で説明する方法で測定装置に送り返す。

このようなトランスポンダは、所定の、したがって既知の、内部伝播時間が経過した後に、新たな信号を形成する。この信号は固有のアンテナを介して例えばＩＳＭ帯域において２．４５ＧＨｚの周波数で放射される。この新たに発生させられた信号は壁に侵入し、測定装置１２の高周波受信器２４によって検出される。

このように、パルス反射計を形成する測定装置１２を用いることにより、トランスポンダの新たな送信信号の伝播時間の最小値を求めることができ、また壁の相応する箇所に例えばマークを付けることができる。マーキングユニットは測定装置１２にあってもよいし、トランスポンダ１４０にあってもよい。反射計、すなわち、測定装置１２と、トランスポンダ１４０との間の伝播時間の評価に基づいて、さらには壁の厚さの測定を行うこともできる。

以下では、このようなトランスポンダの基本構造を説明する。トランスポンダ内の受信器としては、例えば、測定装置１２の特徴的な測定信号の電力レベルを評価する電力検出器、または、測定装置１２の磁界の典型的な変化を検出することのできるパルス検出器のような、さまざまなタイプの高周波受信器が適している。

図３は、このようなトランスポンダ１４０の考えられる構造をブロック回路図で示したものである。アンテナ装置１２６を介してトランスポンダ１４０により受信された信号は、カプラ１４２またはサーキュレータを介して受信増幅器１４４へ導かれる。増幅後、この信号は零入力状態に切り換えられたＨＦスイッチ１４６を介してパルス検出器１４８に達する。パルス検出器１４８は入力電力に比例する出力電圧を渡す。パルス検出器１４８の電圧はＮＦ増幅器１５０において増幅される。後続のコンパレータ１５２においては、アナログ電圧信号から再びディジタル信号が生成される。モノフロップ１５４では、比較的短いコンパレータ信号を所定の長さにする。この信号は遅延素子１５６および１５８により受信段のブランキングと送信パルス生成とに用いられる。送信パルス発生器１６０により生成された信号はカプラ１４２またはサーキュレータを介して再びアンテナ装置１２６に供給され、検査される壁を通して測定装置１２へ送り返される。

図４は、トランスポンダ２４０の択一的な実施形態を示している。ここでは、走査器が使用される。走査器の出力側に最大の電圧が現れるように、走査器を制御するクロックがマイクロコントローラ１６４を介して調整される。この出力信号の最大値に達すると、マイクロコントローラのクロックと測定装置１２のクロックは互いに同期するが、測定信号の伝播時間の分だけずれている。このようにして、測定信号の侵入箇所を同定し、壁厚測定を行うことが可能である。走査器を制御する信号は直接送信されるので、トランスポンダの応答は最小の遅延で行われる。

図５には、本発明による方法のためのトランスポンダの基本構造の別の択一的形態が簡略的に示されている。図５に示されているコンセプトでは、受信された測定信号はトランスポンダ３４０内で増幅器１７０により増幅され、伝播時間素子１７２を介して実現される所定の時間遅延の後に、リング形増幅器のように、再びカプラ１４２とアンテナ装置１２６を介して送出される。

上に説明した本発明による方法のためのトランスポンダの構造および動作に加えて、さらに例えばＡＣセンサ（５０Ｈｚセンサ）および／または誘導センサによるトランスポンダの拡張が可能である。トランスポンダのこのような追加機能により、ユーザは、例えば測定装置１２とは逆側の壁面においても、例えば給電線の損傷を回避することができるようになる。

情報の評価は有利には高周波測位装置１２によって行われる。高周波測位装置１２は、適切なソフトウェアまたはハードウェア回路によって受信モードに切り換えることができ、したがって例えばボーリングの位置や壁強度を示すことができる。

本発明による方法のための高周波測位装置として、有利には、例えば出願人による出願ＤＥ １０２ ０７ ４２４ Ａ１に記載されているような、高周波に基づいた測位装置が使用される。

第１の測定箇所２０を求めるために、高周波測定装置１２とトランスポンダとの間の伝播時間が評価される。なお、トランスポンダは例えば上に示した形態４０，１４０，２４０，３４０で形成されている。測定装置１２またはトランスポンダは、測定装置１２からトランスポンダに達して再び測定装置１２に戻るまでの伝播時間の最小値が得られるまで、建築資材の表面上を走らされる。このように、パルス反射計を形成する測定装置１２を用いることにより、測定信号の伝播時間の最小値を求めることができ、また壁の相応する箇所に例えばマークを付けることができる。建築資材１０の材料の誘電率は既知ではないため、この検出された最小の伝播時間から直に建築資材１０の厚さｄを推測することはできず、離れた測定箇所２２で第２の測定が行われる。

本発明の方法による材料強度ｄの測定の際、高周波測定装置１２は、図１に示されているように、例えば壁などの建築資材１０の表面上を走らされる。高周波測定装置１２は経路センサ系５０を有しており、経路センサ系５０は測定装置が移動した経路ｓを経路センサを介して測定装置の制御および評価ユニットに転送する高周波測定装置１２はそのために転動体を有している。この転動体は、例えば車輪５２として形成されており、高周波測定装置１２が壁表面上で移動した距離ｓを測定する経路センサを構成している。

本発明による方法では、第１の測定箇所２０から距離ｓだけ離れた位置にある第２の測定箇所２２において、第２の測定が行われる。第２の測定では、測定信号２８が再び建築資材１０を通して送信され、トランスポンダにより検出され、戻り測定信号３６として送り返され、測定装置１２によって再び検出および分析される。測定箇所２０および２２におけるこれら少なくとも２つの測定に関して、パルス反射計として使用される高周波測定装置とトランスポンダとの間の測定信号の伝播時間が評価されれば、以下に手短に示されるように、壁の厚さｄを推測することができる。建築資材１０の厚さｄに関しては、数学的関係（式１参照）が成り立つ：
ｄ＝ｓ／ｔａｎα （１）
ここで、ｓは２つの測定箇所の間の距離であり、αは２つの測定箇所と建築資材の反対側の面１６に配置されたトランスポンダとの間の角度である。

さらに、２つの測定箇所２０，２２とトランスポンダの位置によって形成される直角三角形に関しては：
ｄ’＝ｓ／ｓｉｎαおよびｃｏｓα＝ｄ／ｄ’ （２），（３）
高周波測定装置１２とトランスポンダの間の測定信号２８の伝播時間ｔ_Lは誘電率ε_rと測定信号が走破した距離Ｌとに依存するため、下式が成り立つ：

ここで、ｃは光速を表している。材料１０における誘電損は無視してよい。なぜならば、誘電損は信号を減衰するだけであり、信号の伝播速度

に影響を与えないからである。

本発明による方法では、壁の厚さｄも建築資材１０の誘電率ε_rも知られていないため、以下のアプローチをとる。２つの異なる測定箇所２０および２２での測定によって得られた建築資材１０を通る２つの異なる経路を考察すれば、それぞれの測定信号に関して、通った経路と誘電率とに依存して２つの異なる伝播時間が得られる。なお、誘電率は両測定において一定であるか、または一定と見なされる。したがって、次が成り立つ：

式（５）から、式（３）は下式のようになる：
ｃｏｓα= ｔ_L20／ｔ_L22 （６）
したがって、求められた建築資材１０の材料強度ないし厚さｄは式（１）により下式のようになる：

このように、壁の強度ｄは、測定箇所２０と２２の間の高周波測定装置の移動経路ｓと、高周波測定装置とトランスポンダの間の信号ｔ_L20およびｔ_L22の伝播時間とから得られる。信号の伝播時間は信号処理によって壁１０を通る伝播時間とトランスポンダ内での内部伝播時間とから合成されるので、正確に求めることができる。トランスポンダ内での時間は回路技術的に決まるものであり、既知である。このように、壁１０を通る伝播時間ｔ_L20およびｔ_L22は本発明による装置によって測定された伝播時間から求めることができる。

有利には、本発明による方法は、高周波測定装置とトランスポンダの間の伝播時間の評価により壁厚測定を可能にする。ここで、トランスポンダは、非常に小さく且つ時間的に短い高周波パルスを検出し、同様のスペクトルを有する能動的に生成される「反射パルス」を再現可能な形で送出するための低コストの回路を有している。

本発明による方法ならびにこの方法を実行するための本発明による装置は、実施例において示された実施形態に限定されない。

本発明による方法の基礎をなす測定装置の概略図である。 第１の測定箇所に対して適用された本発明による方法の概略図である。 本発明による方法のためのトランスポンダの基本的な電子部品の第１の実施例を示す。 本発明による方法のためのトランスポンダの択一的な実施形態を示す。 本発明による方法のためのトランスポンダのさらに別の実施形態を概略図で示す。

Claims (10)

1. 建築資材侵入性の材料強度測定の方法、とりわけ、壁、天井、および床の厚さを測定する方法であって、高周波送信器（２４）によりギガヘルツ周波数帯域の測定信号（２８）を検査すべき建築資材（１０）に少なくとも一回侵入させ、高周波受信器（３８）により検出するようにした方法において、高周波送信器（２４）および／または高周波受信器（３４）の異なる位置（２０，２２）で測定された測定信号の少なくとも２つの伝播時間から建築資材（１０）の材料強度（ｄ）を求めることを特徴とする建築資材侵入性の材料強度測定の方法。
2. 高周波送信器（２４）と高周波受信器（３８）を建築資材（１０）の共通する第１の面（１４）の上で動作させ、高周波送信器（２４）の測定信号（２８）を反射手段（１８）により高周波受信器（３８）に送り返すようにした、請求項１記載の方法。
3. 反射手段（１８）はトランスポンダ（４０，１４０，２４０，３４０）を含んでいる、請求項２記載の方法。
4. 高周波送信器（２４）と高周波受信器（３８）を共通の装置、とりわけ、手持ち式の装置の中で動作させる、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 少なくとも２回の伝播時間測定を記録する測定装置（１２）を材料表面（１４）上で移動させる、請求項４記載の方法。
6. 測定装置（１２）の移動経路（ｓ）を検出する、請求項５記載の方法。
7. ギガヘルツ周波数帯域の測定信号（２８）をパルスレーダー方式で発生させ、建築資材（１０）に入力結合させる、請求項１記載の方法。
8. １０００ＭＨｚから５０００ＭＨｚまでの区間内の、有利には、１５００ＭＨｚから３５００ＭＨｚまでの区間内の１つまたは複数の測定周波数（２８）を使用する、請求項１または７記載の方法。
9. 建築資材（１０）の表面（１４）に配置可能な少なくとも１つの高周波測定装置（１２）を有しており、該高周波測定装置（１２）が少なくとも１つの高周波送信器（２４）および高周波受信器（３８）ならびにこの高周波測定装置に対して相対的に動くトランスポンダ（４０，１４０，２４０，３４０）を含んでいることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項記載の方法を実行するための装置システム。
10. 高周波測定装置（１２）が経路（ｓ）を記録するための経路センサ系（５０，５２）を使用する、請求項９記載のシステム。

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