JP4086289B2 - 埋設深さ測定方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は埋設深さ測定方法および装置に係り、特に、コンクリート構造物の鉄筋の被り厚さを非破壊検査により効率的に測定することができる方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンクリート構造物の鉄筋被り厚さなど、埋設物の埋設深さを非破壊で測定する方法として、電磁波レーダ法や超音波法、電磁誘導法、Ｘ線透過撮影法などが知られている。
電磁波レーダ法は、コンクリート中に放射した電磁波が鉄筋から反射して戻ってくるまでの時間から、被り厚さを測定する方法であるが、精度良く測定するためには、コンクリート中での電波の伝播速度を別の方法で測定又は推定する方法が必要となる。伝播速度を推定するため、以下に示す反射パターンを利用する方法が一般的に用いられる。送受アンテナ一体のレーダを走査させた際、鉄筋からの反射映像である三日月状の反射パターンが得られるが、この反射パターンの形状（広がり状態）が伝播速度に依存していることを利用し、伝播速度を推定するものである。しかし、この反射パターンは鉄筋径にも依存していることから、鉄筋径に推定誤差を含む場合、被り厚さ測定値にも誤差を生じる欠点がある。
【０００３】
また、第２の超音波法は、コンクリート中に放射した弾性波が、鉄筋から反射して戻ってくるまでの時間から被り厚さを測定する方法である。一般に、コンクリート中では超音波の減衰が大きいことから、送信パルスとして２０ＫＨz〜２００ＫＨz程度の周波数帯を利用している場合が多い。しかし、数１０ＫＨz帯の送信パルスの場合は、波長が１０ｃｍ以上と長くなるため被り厚さを精度良く測定することができない。また、１００ＫＨz以上の送信パルスの場合は、コンクリート表面での音響インピーダンスの不整合が大きくバースト状の送信パルスとなるため、反射波形から伝播時間を精度良く評価することが難しく、やはり十分な被り厚さ測定精度が得られない。「電磁波レーダ法」同様、伝播速度を何らかの方法で測定あるいは推定する必要もある。
【０００４】
第３の電磁誘導法は次のような方法である。すなわち、コイルに交流電流を流すと交流磁場が生じる。これに鉄筋が近付いた際、電磁誘導現象で生じる磁場変化（電流変化）を測定することで、鉄筋の被り厚さや径を測定する方法である。一般的に、鉄筋径が既知の場合に被り厚さを測定する装置は存在するようである。しかし、鉄筋径が未知の場合は、鉄筋までの距離を変化させるなどして測定データ数を増やし、鉄筋径と被り厚さ双方を推定する必要が生じ、十分な被り厚さ測定精度が得られなくなる欠点がある。
【０００５】
更に、Ｘ線透過撮影法は、Ｘ線源を移動させ対象物を複数の方向から撮像し、得られた透過映像を元に幾何学的関係から鉄筋の被り厚さを計測する方法である。トモグラフィー計測のように対象物を空間的に取り囲むようにＸ線源を走査できる場合には、被り厚さを精度良く測定することができる。しかし、壁面のように平面的にしか線源を走査できない場合は、走査方向である水平方向の分解能は高まるものの、走査方向と直交する被り厚さ方向の分解能は高くならない。
なお、関連する公知文献については、不知である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、上述した従来方法により、コンクリート中の鉄筋被り厚さを測定する方法では、鉄筋径や波動の伝播速度が既知の場合あるいは透過計測など対象物を空間的に取り囲むような走査条件が得られるような場合を除いて、簡便にかつ精度良く計測することは困難であった。
【０００７】
本発明は、埋設物のサイズに影響を受けること無く、簡便なアンテナ走査により精度よく埋設深さを測定することができる方法と装置を提供することを目的とする。特に、鉄筋コンクリート中に埋設されている鉄筋の被り厚さを、手で持てる寸法の小型なアンテナを、コンクリート表面で鉄筋に垂直に走査させるだけで、一般に未知である鉄筋径に影響されず、簡便に精度良く測定する方法および装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る埋設深さ測定方法は、走査線上の端部の送信アンテナと、前記送信アンテナに対して近接配置された第１受信アンテナと、前記送信アンテナと離隔配置された第２受信アンテナとからなる送受信アンテナを同時に走査し、前記送信アンテナと前記第１受信アンテナの中心が鉄筋の真上にある第１受信データと、前記送信アンテナと前記第２受信アンテナの中心が鉄筋の真上にある第２受信データより仮の伝播速度を算出し、求めた前記仮の伝播速度により被り厚及び伝播速度を再評価し、前記被り厚及び伝播速度が収束するまで繰り返して埋設深さを測定するように構成した。
【０００９】
また、本発明に係る埋設深さ測定方法は、前記第１受信データと前記第２受信データを走査起点からの移動距離と関連付けするように構成することもできる。
【００１０】
本発明に係る埋設深さ測定装置は、走査線上の端部の送信アンテナと、前記送信アンテナに対して近接配置された第１受信アンテナと、前記送信アンテナと離隔配置された第２受信アンテナとからなるアンテナ部と、前記送信アンテナに送信波を供給し受信アンテナを切り替えながら反射波を受信するレーダ回路部と、走査起点からの前記送信アンテナ及び前記第１受信アンテナ並びに前記第２受信アンテナの走査位置データを測定する距離センサと、前記送信アンテナと前記第１受信アンテナの中心が鉄筋の真上にある第１受信データと、前記送信アンテナと前記第２受信アンテナの中心が鉄筋の真上にある第２受信データとを前記走査位置データと関連付けして、仮の伝播速度を算出し、求めた前記仮の伝播速度により被り厚及び伝播速度を再評価し、前記被り厚及び伝播速度が収束するまで繰り返して埋設物の埋設深さを算定する信号処理部と、から構成されたことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る埋設深さ測定方法および装置をコンクリート鉄筋被り厚さ測定に適用した具体的実施の形態を、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
図１は実施形態に係る埋設深さ測定装置の構成図である。この測定装置は、コンクリート構造物１０の表面を走査させるアンテナ部１２と、当該アンテナ部１２に送信波を供給すると共に、反射波を受信するレーダ回路部１４と、反射波に基づいて埋設鉄筋１６の深さ、すなわち被り厚さを算定する信号処理部１８とから構成されている。
【００１３】
まず、前記アンテナ部１２は３素子構成の送受信アンテナであり、このアンテナ部１２には、エレメントとして１ユニットの送信アンテナ２０と、第１、第２の２つのユニットの受信アンテナ２２、２４とから構成されている。送信アンテナ２０と第１受信アンテナ２２は送信アンテナ２０に近接配置し、第２受信アンテナ２４は鉄筋１６からの反射波が受信できる範囲で極力送信アンテナ２０から離れた位置に配置する。また、アンテナ部１２には、距離センサ２６が取付けられており、走査線上の計測位置を信号処理部１８で記録可能なものとする。中心周波数３ＧＨzのアンテナの場合エレメント長は５cm程度となるため、アンテナ部寸法は１０ｃｍ×３０ｃｍ程度までにすることができる。
【００１４】
レーダ回路部１４には、図１に示しているように、送信器２８、アンテナ切替器３０、受信器３２が設けられている。送信器２８では、送信波が生成され送信アンテナ２０に供給される。受信器３２では、受信アンテナ２２、２４で受信した鉄筋１６からの反射波を復調する。受信器３２の前段にはアンテナ切替器３０があり、これを切り替えることで、走査線上各位置における第１受信アンテナ２２と第２受信アンテナ２４の受信信号が得られるものとする。
【００１５】
信号処理部１８には、レーダコントローラ３４、データ処理部３６、表示器３８があり、受信データの保存、データ処理、被り厚さなど計測結果の表示処理を行う。この信号処理部１８における鉄筋被り厚さ測定処理は次のように行う。
最初に鉄筋の水平位置を求める手段について記す。アンテナ部１２を鉄筋１６軸線と垂直にコンクリート表面で走査させる。そして、走査線上各位置における第１受信アンテナ２２と第２受信アンテナ２４の受信データを連続的に信号処理部１８に収集する。第１受信アンテナ２２の受信データをＢモード表示させると、図２に示すように、鉄筋１６からの三日月状の反射映像４０が得られる。この反射映像４０において、反射波が最も浅く表示される、すなわち三日月パターンの頂点位置Ｐのデータが得られた時のアンテナ位置が鉄筋１６の真上となることから、鉄筋１６の水平位置が特定できる。これは距離センサ２６により走査起点Ｓ（図参照）から移動距離をカウントしておくことにより、走査起点Ｓからの距離Ｌとして算出すればよい。
【００１６】
次に被り厚さ評価に必要な２つの受信信号を抽出する手段について記す。第１受信アンテナ２２と第２受信アンテナ２４の受信データの中には、送信アンテナ２０と第１受信アンテナ２２の中心が鉄筋の真上にある場合の受信データＡと、送信アンテナ２０と第２受信アンテナ２４の中心が鉄筋の真上にある場合の受信データＢが含まれているが、鉄筋１６の水平位置が上述した方法でわかることから、走査線上の各位置における受信データの中から、図３に示すような、ＡＢ両データを抽出することができる。
【００１７】
最後に抽出した２つの受信データから被り厚さを算定するには次のように行う。受信データＡを元に、送信アンテナ２０から放射された電波が鉄筋１６で反射した後、第１受信アンテナ２２へ戻ってくるまでの時間ｔａを求める。同様に、受信データＢを元に、送信アンテナ２０から放射された電波が鉄筋１６で反射した後、第２受信アンテナ２４へ戻ってくるまでの時間ｔbを求める。両計測時間から、図４に示すフロー図に従い収束計算を行うことで鉄筋被り厚さを算定する。
【００１８】
これは、まず、仮の伝播速度ｖを次式により算出する（ステップ１００）。
【数１】

【００１９】
次いで、算出した伝播速度ｖを用いて鉄筋被り厚さｄを、次式に基づいて演算する（ステップ１０２）。
【数２】

【００２０】
更に、今求めた被り厚さｄを用いて伝播速度ｖを次式により再評価する（ステップ１０４）。
【数３】

【００２１】
この結果を受けて、ｄ、ｖが収束条件、例えば、
【数４】

を満たさなければ、ステップ１０２に戻って再評価を繰り返すのである。収束条件が満たされれば、被り厚さｄ、および伝播速度ｖ、あるいは比誘電率εを決定する（ステップ１０６）。
【００２２】
上記のような演算処理を行うに際してデータ収集は、単純に1つの送信アンテナ２０と、これに近接された第１受信アンテナ２２、および離隔配置された第２受信アンテナ２４のユニットを、図５に示すように、コンクリート構造物１０の表面で移動走査することで実現できる。図５（１）に示すように、走査起点Ｓにアンテナ部１２を置き、鉄筋１６を横切るように移動する。このとき、レーダ回路部１４により送信アンテナ２０から順次送信波をコンクリート構造物１０内部に向けて送信し、アンテナ切替器３０で受信アンテナを切り替えつつ、反射波を受信する。アンテナ部１２が移動することによって、同図（２）に示されるように、送信アンテナ２０と第２受信アンテナ２４の中心が鉄筋１６の直上部に到達したときのデータと、同図（３）に示されるように、送信アンテナ２０と第１受信アンテナ２２の中心が鉄筋１６の直上部に到達したときのデータとが収集される。そして、アンテナ部１２が完全に鉄筋１６を通過した状態で測定作業を終了する。この測定作業中には距離センサ２６により走査位置データが取込まれ、走査位置と収集受信データとが関連付けされる。
【００２３】
その後は、収集されたデータの中から、送信アンテナ２０と第１受信アンテナ２２の対から三日月状反射映像４０が取得され、三日月パターンの頂点位置Ｐのデータが得られた時のアンテナ位置が鉄筋１６の真上であるとして鉄筋１６の水平位置が走査起点Ｓからの距離Ｌとして特定される。そして、この距離Ｌ位置において送信アンテナ２０と第１受信アンテナ２２との中心が一致するとき（図５（３））の受信データ、送信アンテナ２０と第２受信アンテナ２４との中心が一致するとき（図５（２））の受信データが特定できる。このデータにより、図３に示した原理に基づき、図４のデータ処理を信号処理部１８で行って演算して被り厚さｄを算出すればよい。この算出作業のためのデータ収集は、単にアンテナ部１２を一度鉄筋１６を横切るように走査するだけでよいため、極めて簡便に鉄筋１６の被り厚さを求めることができるのである。
【００２４】
被り厚さ測定に用いる受信データを測定しているときのアンテナ位置条件は、送信アンテナ２０と受信アンテナ２２、２４の中央が鉄筋位置と同じ水平位置にある時である。この時の鉄筋１６での電波の反射点は鉄筋１６の頂点位置Ｐと考えることが可能で、したがって、本実施形態によれば、被り厚さ評価に鉄筋径をいれる必要がない。一方、「従来の技術」の「電磁誘導法」「電磁波レーダ法」で示した方法では、被り厚さ測定値が一般に未知数である鉄筋径に依存しているため、鉄筋径の推定誤差が被り厚さ測定誤差となって表れる欠点がある。本発明では、被り厚さ評価において鉄筋径は影響を及ぼさない利点がある。
なお、上記実施形態では鉄筋１６の被り厚さについて説明したが、埋設パイプなど各種の埋設物の埋設深さの測定に応用できる。
【００２５】
また、上記実施形態では、送信アンテナ２０と第１受信アンテナ２２とを送信アンテナ２０に近接配置し、第２受信アンテナ２４を鉄筋１６からの反射波が受信できる範囲で極力送信アンテナ２０から離れた位置に配置する形態について説明したが、これは送信アンテナと受信アンテナを入れ替えた構成でもよい。すなわち、単一の受信アンテナに対し、第１の送信アンテナを近接配置し、第２の送信アンテナを鉄筋１６からの反射波が受信できる範囲で極力受信アンテナから離れた位置に配置する形態とすることもできるのである。切替器は当然ながら送信アンテナを切り替えるように接続する。
【００２６】
以上説明したように、本発明は、走査線上の端部の送信アンテナと、前記送信アンテナに対して近接配置された第１受信アンテナと、前記送信アンテナと離隔配置された第２受信アンテナとからなる送受信アンテナを同時に走査し、前記送信アンテナと前記第１受信アンテナの中心が鉄筋の真上にある第１受信データと、前記送信アンテナと前記第２受信アンテナの中心が鉄筋の真上にある第２受信データより仮の伝播速度を算出し、求めた前記仮の伝播速度により被り厚及び伝播速度を再評価し、前記被り厚及び伝播速度が収束するまで繰り返して埋設深さを測定するようにしたので、埋設物のサイズに影響を受けること無く、簡便なアンテナ走査により精度よく埋設深さを測定することができる。特に、鉄筋の被り厚さの測定に対しては、手で持てる寸法の小型なアンテナを、コンクリート表面で鉄筋に垂直に走査させるだけで、一般に未知である鉄筋径に影響されず、簡便に精度良く測定することができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態に係る埋設深さ測定装置の構成図である。
【図２】 送受信アンテナによるＢモード表示の説明図である。
【図３】 実施形態に係る測定方法の原理の説明図である。
【図４】 鉄筋被り厚さの算出フローチャートである。
【図５】 アンテナ部の走査説明図である。
【符号の説明】
１０………コンクリート構造物、１２………アンテナ部、１４………レーダ回路部、１６………鉄筋、１８………信号処理部、２０………送信アンテナ、２２………第１受信アンテナ、２４………第２受信アンテナ、２６………距離センサ、２８………送信器、３０………アンテナ切替器、３２………受信器、３４………レーダコントローラ、３６………データ処理部、３８………表示器、４０………三日月状反射映像。

Claims (3)

1. 走査線上の端部の送信アンテナと、前記送信アンテナに対して近接配置された第１受信アンテナと、前記送信アンテナと離隔配置された第２受信アンテナとからなる送受信アンテナを同時に走査し、前記送信アンテナと前記第１受信アンテナの中心が鉄筋の真上にある第１受信データと、前記送信アンテナと前記第２受信アンテナの中心が鉄筋の真上にある第２受信データより仮の伝播速度を算出し、求めた前記仮の伝播速度により被り厚及び伝播速度を再評価し、前記被り厚及び伝播速度が収束するまで繰り返して埋設深さを測定することを特徴とする埋設深さ測定方法。
2. 前記第１受信データと前記第２受信データを走査起点からの移動距離と関連付けすることを特徴とする請求項１記載の埋設深さ測定方法。
3. 走査線上の端部の送信アンテナと、前記送信アンテナに対して近接配置された第１受信アンテナと、前記送信アンテナと離隔配置された第２受信アンテナとからなるアンテナ部と、
   前記送信アンテナに送信波を供給し受信アンテナを切り替えながら反射波を受信するレーダ回路部と、
   走査起点からの前記送信アンテナ及び前記第１受信アンテナ並びに前記第２受信アンテナの走査位置データを測定する距離センサと、
   前記送信アンテナと前記第１受信アンテナの中心が鉄筋の真上にある第１受信データと、前記送信アンテナと前記第２受信アンテナの中心が鉄筋の真上にある第２受信データとを前記走査位置データと関連付けして、仮の伝播速度を算出し、求めた前記仮の伝播速度により被り厚及び伝播速度を再評価し、前記被り厚及び伝播速度が収束するまで繰り返して埋設物の埋設深さを算定する信号処理部と、
   から構成されたことを特徴とする埋設深さ測定装置。

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