KR101381460B1

KR101381460B1 - 고체의 압축 강도의 비-파괴 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101381460B1
Application number: KR1020107006121A
Authority: KR
Inventors: 마르코 브란데스티니
Original assignee: 마르코 브란데스티니
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2014-04-04
Also published as: PL2191252T3; US8261620B2; EP2191252B1; JP5162666B2; KR20100061694A; CN101802585A; JP2010539495A; CN101802585B; EP2191252A1; US20100307258A1; WO2009036578A1

Abstract

리바운드에 의해서 고체의 압축 강도를 결정하는 장치 및 방법이 기재되어 있다. 본 방법 및 장치는, 에러 원인, 즉 중력, 내부 마찰 및 조작자 방해(본 기구의 안정적이지 않은 유지)에 대한 감도를 감소시킨다. 이러한 개선은 충격 직전 및 직후에 기록된 리바운드 및 인바운드 속도의 비율의 비접촉 측정애 의해서 달성된다. 맬릿(3)의 질량을 플런저(5)에 매칭시킴은 더욱 높은 효율성, 충격 에너지의 적은 각도 변화 및 더 가벼운 중량을 산출한다. 본 발명의 유리점은:연장된 측정 범위 및 단순해진 기계적 조정, 보정 및 보수이다.

Description

고체의 압축 강도의 비-파괴 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE NON-DESTRUCTIVE MEASUREMENT OF THE COMPRESSIVE STRENGTH OF A SOLID}

본 발명은, 고체, 특히 콘크리트의 압축 강도의 비-파괴 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.

50년대부터, 시험될 표면상에 충격을 주기 위한 지정된 팁(defined tip)을 구비한 장치를 사용하여 콘크리트의 압축 강도를 평가하기 위해서 여러 방법들이 사용되었다.

가장 잘 알려진 방법은, 스프링을 연장시키고 그것이 맬릿(mallet)을 구동시키도록 함으로써 규정된 충격 에너지를 발생시키는 소위 슈미트 해머(Schmidt hammer)이다. 이어서, 이러한 맬릿은 충격을 시험될 표면에 전달하는 플런저(plunger)상에 충돌한다.

충격시, 콘크리트는 압축되며, 에너지의 일부는 소성 변형(deformation)에 의해서 흡수된다. 잔여 에너지는 귀환되며 플런저가 리바운드(rebound)되도록 한 다. 이어서, 이러한 리바운드는 맬릿으로 다시 전달된다. 이어서, 맬릿은 맬릿의 운동 에너지가 스프링의 변형 에너지로 완전히 변환될 때까지 스프링을 압축시킨다. 스프링의 이러한 최대 압축 지점은 드래그 포인터(drag pointer)에 의해서 기록된다. 그것의 위치는 기구의 외부로부터 판독할 수 있다. 이러한 기구의 판독치는, 맬릿의 최대 리바운드 이동거리(travel)를 뜻하는 R-수치(R-value)로서 표현된다. 전형적으로, R-수치는 R=20 내지 R=55의 범위를 갖는다.

도 3은 맬릿의 리바운드 수치가 어떻게 압축 강도의 표지로 변환될 수 있는지를 도시한다. 3개의 곡선으로 표시된 바와 같이, 유닛이 작동하는 각도의 실질적인 영향이 있는 것을 주목하라. 경사진 표면을 측정할 때, 상기 각도가 추정되어야 하며, 그 수치는 곡선 세트(curve set)로부터 내삽(interpolation)되어야 한다.

본 발명에서, 관심있는 신호는 수많은 오차 요인에 의해서 왜곡된다. 전형적으로, 이들은 전체적으로 측정된 수치의 15% 또는 심지어 20%에 달한다. 리바운드 에너지가 작아질수록, 퍼센트 에러 기여도는 더욱 커진다. 특히, 리바운드 수치가 20 이하일 경우, 중력 및 마찰에 의해서 흡수된 에너지는 리바운드 에너지에 근접할 수 있다[독일 강화 콘크리트 협회 논문 제154권의 카. 괴데 박사(Dr. K. Gaede)가 저술한 논문(article Dr. K. Gaede, volume 154 Schriften des Deutschen Ausschusses fuer Stahlbeton)].

마찰의 영향을 최소한으로 유지하기 위해서, 상기 장치는 주의깊게 조정되고, 세척되고, 자주 점검되어야 한다 - 모든 요인은 장치의 비용을 상승시키고 리바운드 방법의 제한된 허용으로 이어진다.

디지털 전자장치 및 LCD 디스플레이의 출현에 따라서, 많은 기업들이 그들의 장비를 "디지털화(digitized)" 하였다. 기계적인 드래그 포인터의 위치를 읽어야 하는 것 대신에, 이러한 유닛은 수치적 표시(numeric display)를 특징으로 한다. 이러한 위치까지, 상기 기구는 접촉 수단 또는 비접촉 수단[광학적, 홀 센서(Hall sensor) 등] 중 어느 하나에 의해서 드래그 포인터의 최종 위치를 전기적 수치로 간단하게 변환시킨다. 표시기 전자장치는 별도의 박스(box)이거나 또는 기구에 직접 장착될 수 있다. 상기 유닛은 10년이 넘게 시장에 존재해 왔다.

도 1은 드래그 포인터(2)의 위치를 커넥터를 통해서 외부 표시기 유닛으로 전달되는 전기적 수치로 변환시키기 위한 선형 포텐쇼미터(linear potentiometer)(1)를 구비하는 전형적인 슈미트 해머(Schmidt hammer)의 단면도이다. 모든 다른 기계적 부품들은 원래의, 기계적인 슈미트 해머와 100% 동일하다. 우리는 가이드 로드(4) 상을 이동하며 충격 스프링(6)에 의해서 당겨지는 플런저(5)를 타격하는 맬릿(mallet)(3)에 주목한다. 하우징(7) 및 해제(release)/재장전(reload) 매커니즘(8)은 완전성을 위해서 언급되었다.

수치적 판독치(numeric readout)를 갖는 "통합된(integrated)" 모델은 드래그 포인터를 위한 감지 회로(sensing circuitry)를 구비하는 표준 기계적 유닛에 기초한다.

모든 이러한 해결책은 기계적인 드래그 포인터 표시기에 고유한 문제를 겪는다:

1) 리바운드 수치는 피시험 표면의 기울기에 의존한다(맬릿에 대한 중력의 효과).

2) 판독치는 장치의 내부 마찰에 의존한다(가이드 로드상에서 이동하는 맬릿은 드래그 포인터의 마찰을 더한다.)

3) 맬릿과 플런저 사이의 운동 에너지의 전달 효율은 2개의 질량의 부정합(mismatch)에 의해서 일정하지 않다.

4) 충격 에너지(스프링의 길이) 및 각각의 도구의 영 위치(zero position)는 수동으로 조정되어야 하며, 그것은 비용 및 조정 불량(maladjustment)의 가능성을 증가시킨다.

5) 충격 에너지는 중력에 의해 입사 각도에 의존한다.

6) 판독치는 조작자가 장치를 작동시키는 방법에 의존한다 - 강하게 또는 강하지 않게(고정된 좌표계에 대한 하우징의 속도).

미국 특허 공보 US 5,176,026[리브(Leeb), 브루너(Brunnner)](도 2)은 그것의 전체 길이에 걸쳐 불투명한 물질로 충진되는 홈(8)을 특징으로 하는 맬릿(3) 및 반사형 광 검출기(reflective optical detector)(7a)로 구성되는 변환기(transducer)에 의해서 맬릿의 리바운드 이동거리를 측정하는 장치를 개시한다. 이러한 접근 방법은 드래그 포인터와 그것의 마찰을 제거하나, 다른 에러 원인(맬릿에 대한 중력의 효과, 가이드 로드에 대한 맬릿의 마찰, 스프링의 영 위치)은 여전히 결과에 영향을 준다. 또한, 반사형 센서 기구(reflective sensor scheme)는 먼지 및 지문에 대한 그것의 민감성으로 인해서 부족하다. 이러한 유형의 장치는 상업적 성공이 제한적이었다. 도 1에 도시된 기구는, 비록 그것의 구성면에서 "조악함(cruder)"에도 불구하고 종래 기술로 남아있다.

슈미트 해머에 금속의 경도(hardness)를 평가하는 데 사용되는 기술을 적용하고자 하는 시도(US 4,034,603)가 있어 왔다 - 지금까지 이러한 노력들은 실패하였다.

이러한 기술에서 - 작업장의 사용에 의도된 - 맬릿은 시료(sample)에 직접적으로 작용하며, 충격 장치의 하우징은 피시험 표면에 놓인다.

다음을 주목하라:

a) 슈미트 해머는 주로 옥외 조건 하에서 사용되며, 먼지 및 습기에 대해서 밀폐되어야 하고, 따라서 맬릿은 피시험 표면에 직접적으로 충돌할 수 없으며, 반드시 그것의 에너지를 플런저(5)를 통해서 전달해야 한다. 이러한 구성은 이동가능한 플런저(5)와 기구 하우징(7) 사이의 밀봉부(9)를 가능하게 한다.

b) 슈미트 해머의 부하 및 트리거(trigger) 매커니즘은, 상기 유닛이 기구의 하우징이 아니라 플런저에 놓이도록 하는 것이다.

따라서, 피시험 고체의 압축 강도를 표시하는 더욱 정확한 파라미터를 측정하는 상기 유형의 장치를 제공하는 것이 본 발명의 일반적인 목적이다.

이러한 목적은 독립항의 방법 및 장치에 의해서 달성된다.

따라서, 본 장치는 맬릿이 리바운드 운동을 하는 동안의 상이한 시점에서 그것의 최소한 2개의 리바운드 속도를 측정하는 센서를 구비한다. 최소한 2개의 측정된 속도를 이용해서, 이어서 장치의 제어 유닛은 고체의 압축 강도를 나타내는 파라미터(parameter)를 계산한다.

이러한 기술은, 리바운드 속도가 리바운드 운동의 더욱 이른 단계에서 측정될 수 있고 따라서 중력 및 마찰에 의한 오류의 경향이 더욱 낮기 때문에, 충격 직후의 속도의 측정이 종래의 리바운드 높이의 측정보다 정확하다는 이해에 기초한다. 또한, 리바운드 속도의 단 한 번의 측정은 기구가 리바운드되는 동안에 받는 강한 기계적 교란(disturbance)에 의해서 오류를 겪을 것이라는 이해에 기초한다. 이러한 교란은 주로 맬릿과 플런저 사이 및 플런저와 고체 사이의 충격의 영향에 기인한다. 그러나, 기계적 교란은 측정에 단지 일시적인 이상(결함)만을 야기하기 때문에, 2개 또는 그 이상의 속도의 검출이 생각될 수 있으며 그리고/또는 그들의 영향을 효율적으로 제거할 수 있다.

유리하게는, 상기 장치는 추가적으로 최소한 하나의, 특히 최소한 2개의, 플런저에 대한 맬릿의 충격 전의 맬릿의 인바운드 속도(inbound velocity)를 측정하도록 구성된다. 인바운드 속도의 정보는 중력, 마찰 및 스프링 피로(spring fatigue)와 같은 충격 전의 오류를 설명할 수 있기 때문에, 인바운드 속도 또는 인바운드 속도들은 추가적으로 측정된 파라미터를 수정하는데 사용될 수 있다.

유리하게는, 본 장치는 추가적으로, 맬릿과 하우징 사이의 상대적으로 동일한 장소에서 측정되는 리바운드 속도 대 인바운드 속도의 비율을 계산하도록 구성된다.

유리하게는, 플런저는 맬릿의 질량과 실질적으로 동일한 질량을 갖는다. 이러한 측정의 유리점은 둘로 나뉜다. 한편으로는, 이러한 질량의 동일성은 맬릿과 플런저 사이의 전체 에너지 전달을 보장하며, 따라서 기구의 정확도를 증가시킨다. 특히, 충격은 맬릿의 전체 운동 에너지가 플런저로 전달되는 동안 그것이 실질적으로 멈추도록 한다. 맬릿이 실질적으로 멈추는 동안, 플런저는 고체를 타격하고 그것의 모든 잔여 에너지가 다시 플런저로 전달되도록 되튄다. 이에 반하여, 종래 기술의 기구에서는 일반적으로 맬릿이 플런저보다 훨씬 무겁다. 따라서, 플런저로의 에너지 전달이 더욱 작으며, 맬릿은 충격 이후 멈추지 않고 플런저를 여러 번 타격하는 경향이 있으며, 따라서 측정을 예측할 수 없게 한다. 또한, 플런저의 에너지의 단지 일부만이 맬릿으로 돌아오고, 그로 인해서 장치의 감도(sensitivity)를 감소시킨다. 마지막으로, 종래 기술의 기구보다 가벼운 맬릿을 사용하는 것은 더욱 높은 속도로 그것을 가속시키는 것을 가능하게 하며, 그로 인해서 그것의 운동에 영향을 주는 중력을 받는 시간 길이를 감소시키고, 기구의 정확도를 증가시킨다. 충격 속도/에너지의 감소된 변동은, 충격 에너지가 국가 표준(national standard)에 의해서 특정된 허용 오차 범위 내에 있도록 한다. 또한, 본 기구는 전체적인 질량이 더욱 작다.

특히, 본 발명은 콘크리트 압축 강도의 측정에 적합하다.

본 발명은, 장치뿐만 아니라 방법에도 관한 것이다. 특히, 장치에 관한 청구항의 특징에 관련된 임의의 방법이 방법에 관한 청구항으로서 제시될 수 있으며, 그 역도 성립한다.

본 발명에 따라서, 피시험 고체의 압축 강도를 표시하는 더욱 정확한 파라미터를 측정하는, 고체의 압축 강도의 비-파괴 측정 방법 및 장치가 달성된다.

하기의 본 발명의 상세한 설명을 고려할 때, 본 발명은 더욱 우수하게 이해될 것이며, 상기와 다른 목적이 명백해질 것이다. 상기 설명은 첨부된 도면을 참조로 하며,
도 1은 선형 포텐쇼미터를 구비하는 제1 종래 기술의 기구를 도시하며,
도 2는 그것의 전체 길이에 걸쳐서 반사적인 패턴을 갖는 맬릿을 구비하는 제2 종래 기술의 기구를 도시하며,
도 3은 종래 기술의 슈미트 해머를 위한 변환 곡선을 도시하는 그래프이며,
도 4는 본 장치의 바람직한 실시 형태의 주요 구성 부품의 사시도이며,
도 5는 광 검출기로부터의 신호를 처리하기 위한 회로를 도시하며,
도 6은 장치의 분해도이며,
도 7은 센서에 의해서 검출된 표본 파형이며,
도 8은 압축 강도에 관한 "Q" 인자(factor)의 변환을 도시한 그래프이다.

도 4는 충격시의 장치의 유리한 실시 형태의 관련된 부품을 도시한다. 하우징은 단순화를 위해서 생략되었다(도 6은 완전한 해머 유닛을 도시함). 맬릿(3)이 충격 스프링(6)에 의해서 당겨지는 플런저(5)에 작용하고, 가이드 로드(4)의 축(A)을 따라서 이동하며, 이때 충격 스프링(6)을 플런저(5)에 대향되게 맬릿(3)을 구동시키기 위한 구동 매커니즘으로서 작용하는 것에 주목하도록 한다. 이러한 부품들은, 예를 들면 미국 특허 공보 US 5 176 026에 기술된 고전적인 실시 형태와 실질적으로 동일하다. 그러나, 맬릿(3)의 질량은 플런저의 질량과 매칭되게 감소되었다. 이것은 맬릿의 에너지가 플런저를 향해서 이동하고 플런저로부터 맬릿으로 돌아갈 때, 상기 맬릿의 에너지가 한 번의 타격(blow)으로 플런저에 전달되는 것을 보장한다. 고전적인 유닛에서, 에너지의 일부가 소실되는 임의의 수의 복수의 접촉들이 존재한다. 이러한 구성의 추가적인 유리점이 전술되어 있다.

충격 스프링(6)이 종래 기술의 기구와 동일한 것에 주목하라; 그것은 0.79 N/mm의 스프링 상수를 가지며, 75 mm 로 연장되어 E = 2.22 Nm 의 충격 에너지를 산출한다.

맬릿(3)은 단지 115 그램의 무게를 가지며, 따라서 그것은 더욱 높은 속도로 이동한다. V = sqrt ( 2 * E / m) = 6.21 m/s. 따라서 이동시간이 감소하고, 중력이 맬릿을 가속시키거나 감속시키는 효과도 마찬가지이다.

맬릿(3)의 속도를 측정하기 위해서, 그것은 그것의 원통형 외부 표면에 돌출부를 형성하는 사다리꼴 컷(trapezoidal cut)의 다수의 원주 리브(rib)(11)를 구비한다. 이러한 리브는 통과시 그들이 이중 광 배리어(dual light barrier)(12)의 빔을 차단하게 하도록 유지된다. 상기 빔은 맬릿(3)에 대해 접선방향으로 배향된다.

이중 광 배리어(12)는 적외선 광원(13) 및 2개의 1 mm²의 센서 영역을 갖는 이중 광 검출기(14)를 포함하며, 광 배리어(12)의 위치에서 맬릿의 리브(11) 및 맬릿(3)의 통과시 그들의 각각이 교대로 조명되거나 차광되도록 배치된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 2개의 센서 영역의 출력부는 차등 증폭기(differential amplifier)(TI INA321)(16)에 연결된다. 그것의 출력부는 상기 장치 내의 인쇄 회로 기판(17)에 배치된 제어 유닛(24)(TI MSP430G)의 A/D 포트에 연결된다.

인코더(encoder)의 정치 부분(stationary part), 즉 광 배리어(12)가 또한 회로 기판(17)에 어떻게 직접적으로 위치되는지 주목하라. 회로 기판(17)은 추가적으로 모든 다른 전자 구성 부품들을, 특히 그것의 컨트롤러(23)를 구비하는 도트 매트릭스 디스플레이(dot matrix display)(18), 배터리(22) 및 상기 유닛을 제어하기 위한 단일 버튼(19)을 구비한다.

2개의 축 가속도계(axis accelerometer)(20)도 또한 회로 기판(17)에 배치된다. 그것은 다중 역할을 수행한다. 그것은 측정 단계 동안의 하우징의 가속도를 모니터링하며, 그것의 운동의 보상(compensation)을 가능하게 한다. 그것은 또한 경사 각도를 검출하며, 측정된 파라미터를 미세하게 조절할 수 있다.

그것은 또한 디스플레이(18)에 표시된 텍스트 및 심볼을 스크롤(이동)하거나 교환하거나 배향시키기 위해서 커서 키 대신에 사용된다. 특히, 최고의 가독성(readability)을 위해서 장치의 측부가 올라가고 그것이 하강하며 이에 기초하여 디스플레이의 텍스트를 회전시키는 것이 검출될 수 있다. 그것은 또한 사용자가 디스플레이를 지정된 방향으로 경사시킬 때, 긴 텍스트나 텍스트 상에 표시된 이미지가 디스플레이를 따라서 스크롤되거나 이동될 수 있도록 한다.

USB 커넥터(21)가 배터리를 충전시키기 위해서, 그리고 상기 유닛을 외부 장치, 예를 들면 PC에 연결시키기 위해서 구비된다.

도 6은 본 구성이 어떻게 전체 유닛을, 그것을 먼지 및 습기로부터 완전히 밀폐시키는 하우징(7) 내에 캡슐화시키는지 도시한다.

도 7은 대략 맬릿과 플런저 사이의 충격의 순간이 라인 X에 의해서 표시되는, 제어 유닛(24)의 12 비트 A/D 변환기에 의해서 샘플링된 것과 같은 전형적인 신호를 도시한다.

도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 맬릿의 충격 전 및 리바운드 동안의 일련의 신호 진동이 검출된다. 이러한 진동의 주파수 또는 주기가 맬릿의 속도를 표시한다.

본 실시 형태에서, 절대 속도는 충격 전에 최소한 2번 및 리바운드 동안 최소한 2번 검출된다. 상기 속도는 신호의 제로 크로싱(zero crossing)을 산정하고 연속적인 상승(rising) 또는 하강(falling) 제로 크로싱 사이의 거리를 계산함으로써 측정된다.

도 7의 예에서, 상이한 시점의 최소한 제1 및 제2 평균 인바운드 속도가 최종의 2개의 하강 제로 크로싱 사이의 기간 I_N1 로부터, 및 최종의 2개의 상승 제로 크로싱 사이의 기간 I_P1 으로부터 충격 전에 계산된다. 유사하게, 상이한 시점의 제1 및 제2 평균 리바운드 속도는 제1의 2개의 상승 제로 크로싱 사이의 기간 R_P1 및 제1의 2개의 하강 제로 크로싱 사이의 기간 R_N1 로부터 리바운드 동안 계산된다.

도 7에 점으로 표시되어 있는, 증폭기(16)로부터의 신호의 표본추출 비율(sample rate)은 분석될 파형에 비해서 비교적 낮다. 충분한 분해능(resolution)을 달성하기 위해서, 제로 크로싱의 정확한 발생이 영점선(zero line) Z의 양측의 2개의 표본 사이의 선형 보간법(linear interpolation)에 의해서 획득된다.

본질적으로, 포토 인터럽터(photo interrupter)에 의해서 검출된 파형은 대칭적이다. 우측은 인바운드/리바운드 속도의 인자만큼 신장된다.

그러나, 주의깊은 관측은 마찰, 중력 및 스프링 복원력의 결과로서 충격의 시점 X로부터 추가적으로 이동되는 것에 따른 속도의 감소를 보여준다.

따라서, 유리하게는, 인바운드 속도에 대한 리바운드 속도의 비율인 "Q" 인자(factor)를 충격 시점에 아주 근접한 대응 주기의 쌍별 나눔(pair wise division)에 의해서 결정한다. 쌍별 나눔은 맬릿의 동일한 영역에서 측정된 리바운드 속도 및 충격 속도를 나누는 것에 의해서 가장 잘 수행된다. 즉, v_r1 및 v_i1 양자가 맬릿(3)의 동일한 리브(11)에서 측정되기 때문에, 제1 Q-인자 Q₁ = 100 * (I_N1 / R_P1)를 계산하기 위해서, 주기 R_P1 로부터 도출된 제1 리바운드 속도 v_r1 가 주기 I_N1 로부터 도출된 제1 인바운드 속도 v_i1로 나누어진다. 따라서, 먼지 또는 리브의 기계적인 결함에 의한 에러가 제거될 것이다. 유사하게, 제2 Q-인자 Q₂ = 100 * (I_P1 / R_N1)를 계산하기 위해서, 주기 R_N1 로부터 도출된 제2 리바운드 속도 v_r2 가 주기 I_P1 로부터 도출된 제2 인바운드 속도 v_i2로 나누어진다. 고체의 압축 강도를 계산하기 위해서 사용될 최종 Q-인자는 평균 Q = (Q₁ + Q₂) / 2 로서 계산된다.

더욱 많은 지수들이 통계 자료를 이용하여 평균화되거나 또는 처리될 수 있으나, 마찰, 중력 및 스프링력에 의하여 표본이 충격의 시점으로부터 멀어짐에 따라 속도가 변할 것임을 고려해야 한다.

다른 한편으로는, 리바운드 속도의 감소가 평가될 수 있고, 시스템의 초과 마찰의 존재를 사용자에게 경고하기 위해서 사용될 수 있다.

"Q" 인자는, 상기 언급된 부작용(side effect)에 의해서 실질적으로 영향받지 않기 때문에 "진정한(true)" 리바운드 계수로서 간주될 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법은 콘크리트 압축 강도를 평가하기 위해서 새로운 기준을 설정하지 않고, 확대된 영역에 걸쳐서 더욱 신뢰성 있는 결과를 도출할 것이다.

인바운드 속도는 2.207 Nm ± 6%의 국제 표준(international standard)에 의해서 특정되는 충격 에너지를 확인하기 위해서 사용될 수 있다.

전형적으로 : E = 0.5 * 0.115 kg * (6.21 m/s)² = 2.22 Nm

맬릿의 질량이 균일하기 때문에, 충격 에너지를 모니터링 하는 것은 실질적으로 인바운드 속도를 인바운드 속도의 허용 가능 범위와 비교하는 것(또는 동등하게, I_N1 또는 I_P1 와 같은, 도 7의 인바운드 신호 궤적의 주기 중 어느 하나를 허용가능 시간 범위와 비교하는 것)에 대응한다. 인바운드 속도가 허용가능 범위 내에 속하지 않으면, 본 장치는 경고를 발할 수 있다. 가속도계의 출력을 읽음으로써, 본 장치는 인바운드 속도의 어떠한 부분이 중력에 의해서 및 구동 매커니즘에 의해서 야기되는지 식별할 수 있다.

[이러한 점에서, 독자는, 반사형 광학적 기구가 사용되나, 맬릿의 리바운드 이동거리를 평가할 뿐, 인바운드 속도에 대한 리바운드 속도의 비율은 물론이고 맬릿의 속도도 평가하지 않는 종래 기술인 미국 특허 US 5,176,026 (리브, 브루너(Leeb, Brunner))와의 중요한 차이를 볼 수 있다.]

상기 Q-인자는 고체의 압축 강도를 나타내는 파라미터이다. 그것은 150 ×150 × 150 mm 치수의 입방체(cube)가 본 발명의 장치에 의해서 평가되고 이어서 프레스에 의해서 파쇄되는 수많은 실험 및 필드 테스트(field test)를 수행함을 통해서 N/mm² 과 같은 물리적 단위로 변환될 수 있다.

압축 강도와 "Q" 인자 사이의 관계를 나타내는 그래프가 도 8에 도시되어 있다. 피시험 표면의 모든 가능한 각도 배향을 위한 단지 하나의 변환 곡선(conversion curve)이 있음을 주목하라. 전술된 이유로, 곡선은 기계적인 슈미트 해머에 적용될 수 있는 것과 상이하지 않다. (설정할 수 있는 대강의 근사치에 따라서 : Q

R × 1.12). 상기 "Q" 스케일(scale)은 5 내지 150 N/mm² 및 그 이상의 넓은 범위의 압축 강도를 수용한다.

도 8의 곡선을 나타내는 보정 데이터(calibration data)는 본 장치의 제어 유닛에 저장될 수 있고, 따라서 측정된 "Q" 인자를 입방체의 압축 강도로 변환시킬 수 있다. 압축 강도로의 변환은 충분히 많은 수의 "Q" 인자의 평균을 산정한 후에 수행된다.

측정의 결과는 디스플레이(18)에 막대의 형태 및/또는 숫자로서 표시될 수 있다. 예를 들면, 본 결과는 도 8의 곡선에 의해서 획득된 바와 같은 입방체의 압축 강도인 "Q" 인자일 수 있고, 또는 측정된 재료의 강도를 기술하는 다른 적절한 수치일 수 있다.

도 4로부터 볼 수 있으며, 또한 도 7의 신호를 따른 바와 같이, 돌출부 또는 리브(11)는 충격시에 그들이 광 배리어(12)의 범위 내에 위치하도록 배치되며, 이것은 충격 직전 및 리바운드 운동 바로 시작시의 인바운드 및 리바운드 속도를 측정하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 측정된 속도는 충격 동안의 상황을 최적화된 방식으로 나타내며, 마찰, 중력 또는 맬릿(3)의 스프링(6)의 제동 작용(braking action)에 의해서 왜곡되지 않는다.

언급된 바와 같이, 가속도계(20)가 본 장치에 구비된다. 그것의 출력 신호는 측정된 파라미터를 보정하기 위해서 제어 유닛에 의해서 사용된다.

유리하게는, 가속도계(20)는 최소한 축 A를 따른 가속도를 측정할 수 있을 것이며, 그것은 중력 및 맬릿의 운동 중 장치의 하우징의 갑작스런 거동의 영향을 평가하게 하고 측정된 결과를 보정하게 한다.

특히, 가속도계(20)가 맬릿 운동의 측정 중(즉, 맬릿의 해제와 상기 실시예의 주기 I_P1 및 R_N1 사이의 시간 길이 동안) 축 A를 따른 균일한, 0이 아닌(non-zero) 가속도를 측정하면, 하우징이 측정 동안에 가속되지 않았으며 균일한 중력 성분이 맬릿(3)의 거동에 영향을 주고 있었음이 추정된다. 이러한 경우에, 인바운드 속도 v_i1 및 v_i2 뿐만 아니라 리바운드 속도 v_r1 및 v_r2 는 보정될 필요가 없다.

일정하지 않은, 상당한 가속도가 축 A를 따라서 측정되면, 이 가속도는 중력을 나타내는 일정한 기여분와 하우징의 가속도를 나타내는 일정하지 않은 기여분으로 분할된다. 일정한 가속도는 중력에 기인하며, 일정하지 않은 가속도 성분은 인바운드 속도 및 리바운드 속도의 측정시 하우징의 속도를 계산하기 위해서 적분될 수 있으며, 이에 상응하게 그것에 가산되거나 그것으로부터 차감될 수 있다:

k = 1...N 이며, N은 충격 전후의 속도 측정의 번호이고(상기 예에서 N = 2), v' 는 보정된 속도 측정치를 나타내며, t_rk 는 v_rk 의 측정과 맬릿의 해제 사이의 시간 길이이고, t_ik 는 v_ik 의 측정과 맬릿의 해제 사이의 시간 길이이며, a 는 축 A를 따라서 측정된 가속도이다.

충격의 시점 뿐만 아니라 충격 동안의 맬릿의 에너지도 또한 플런저가 당시에 어디에 위치하는가에 의존한다. 특히, 작은 스프링[도 1의 종래 기술의 실시 형태에 도면 부호 10으로 표시된]이 충격 동안에 플런저(5)를 가이드 로드(4)로부터 커플링 해제시키기 위해서 가이드 로드(4)와 플런저(5) 사이에 배치되는 것을 주목해야 한다. 사용자가 상기 기구를 피시험 고체에 대고 얼마나 강하게 가압시키는지에 의존하여, 상기 스프링의 길이는 변화되며 따라서 [가이드 로드(4)는 하우징(7)에 고정되게 연결되므로] 플런저(5)의 충격 위치가 변화될 수 있다. 예를 들면, 사용자가 상기 장치를 고체에 대고 강하게 가압시키면, 플런저는 상기 기구 내에 더욱 깊게 놓일 것이며, 맬릿(3)을 가속시키기 위한 경로 길이는 사용자가 고체에 대고 상기 장치를 약하게 가압시키는 상황에 비하여 더욱 작을 것이다.

충격 동안의 플런저의 위치는 충격 X의 전후에 도 7의 신호의 최초 및 최종 진동의 위치로부터 도출된다. 도 7의 예에서, 충격 X 전의 최종 하강 부호 변경점과 충격 후의 최초 상승 부호 변경점 사이의 시간 간격 Δt 는 충격 동안의 플런저(5)의 위치에 의존한다. 이러한 시간 간격 Δt 는 충격 전에 리브(11)의 최종 에지가 센서(13)를 통과하는 시점과 리바운드 동안에 동일한 에지가 센서(13)를 통과하는 시점 간의 시간 길이에 대응한다. 리브 에지 대신에, 맬릿의 임의의 다른 검출가능한 마크가 이러한 측정에 사용될 수도 있다.

유리한 실시 형태에서, 상이한 플런저 위치에 대해 기준 측정(reference measurement)이 알려진 압축 강도의 표본에 대해서 기구로 수행된다. 각각의 측정을 위해서, 시각 간격 Δt 및 파라미터의 보정된 수치로부터의 측정된 파라미터의 편차가 기록된다. 이것은 시간 간격 Δt의 함수로서 측정된 파라미터의 수치를 어떻게 보정하는지 설명하는 발견적 보정 데이터(heuristic calibration data)를 형성하게 한다. 이러한 보정 데이터는 제어 유닛(24)에 저장된다.

설명된 장치는 수많은 유리점을 갖는다. 특히, 그것은 장치의 각도 기울기의 보정을 필요로 함이 없이 압축 강도를 나타내는 파라미터를 정확하게 기록한다. 그것은 비-접촉 방식으로 충격 직전 및 직후의 맬릿의 속도를 정확하게 측정하며, 이로써 리바운드 동안의 스프링(6)의 제동 작용뿐만 아니라 중력 및 마찰에 의해서 실질적으로 영향받지 않는 결과를 도출한다. 그것은 예를 들면 5 내지 150 N/mm² 의 현재 획득가능한 수치 이상 및 이하 양자의 압축 강도의 범위를 위한 신뢰성있는 결과를 산출한다. 그것은 유닛 상에 바로 사용자 친화적(user-friendly) 표시를 특징으로 하는 디스플레이를 제공한다. 또한, 본 장치는 조립, 보정 및 서비스가 용이하다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 형태가 도시되고 설명되었으나, 본 발명이 그에 제한되지 아니하고 다양하게 실시되며 하기의 청구항의 범주 내에서 실행될 수 있음을 명백하게 이해하여야 한다.

1 : 선형 포텐쇼미터
2 : 드래그 포인터
3 : 맬릿
4 : 가이드 로드
5 : 플런저
6 : 충격 스프링
7 : 하우징
7a : 반사형 광 검출기
8 : 해제/재장전 매커니즘
9 : 밀봉부
10 : 스프링
11 : 리브
12 : 광 배리어
13 : 센서
14 : 이중 광 검출기
16 : 증폭기
17 : 회로 기판
18 : 디스플레이
19 : 단일 버튼
20 : 가속도계
21 : USB 커넥터
22 : 배터리
23 : 컨트롤러
24 : 제어 유닛
[도면 번역]
도 3
Concrete Hammer: 콘크리트 해머
Compressive Strength: 압축 강도
Cube: 큐브
Rebound: 리바운드
Age of concrete: 콘크리트 연령
도 7
LEVEL: 레벨
Period: 기간
NUMBER OF SAMPLE: 샘플 수
도 8
Compressive Strength: 압축 강도
"Q" FACTOR: "Q" 인자

Claims

고체의 압축 강도의 비-파괴 측정 장치로서,
고체를 검사하기 위한 전면 단부를 구비하며 축(A)을 따라서 변위될 수 있는 플런저(5);
상기 플런저(5)를 타격하도록 상기 축(A)을 따라서 변위될 수 있는 맬릿(3);
상기 플런저(5)에 대향하여 상기 맬릿(3)을 구동시켜, 상기 플런저(5)가 상기 고체를 타격하도록 하고 상기 맬릿(3)의 리바운드를 발생시키도록 하는 구동 매커니즘(6);
상기 리바운드 동안 상이한 시점에서 상기 맬릿(3)의 최소한 2개의 리바운드 속도를 측정하는 센서(13);
상기 최소한 2개의 리바운드 속도에 의존하여 상기 고체의 압축 강도를 표시하는 파라미터를 계산하는 제어 유닛(24); 및
상기 맬릿(3)의 표면 상의 복수의 돌출부(11)를 포함하며, 상기 센서(13)는 상기 돌출부에 의해서 차단되는 최소한 하나의 광 빔을 생성시키는 광 배리어를 포함하는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서(13)는 상기 플런저(5)의 타격 전에 상기 맬릿(3)의 최소한 하나의 인바운드 속도를 측정하도록 또한 구성되며, 상기 제어 유닛(24)은 상기 최소한 하나의 인바운드 속도에 의존하여 상기 파라미터를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어 유닛(24)은 또한, 상기 인바운드 속도를 인바운드 속도의 허용가능 범위와 비교하고 상기 인바운드 속도가 상기 인바운드 속도의 허용가능 범위에 속하지 않으면 경고를 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제3항에 있어서,
상기 제어 유닛(24)은 상기 인바운드 속도와 최소한 하나의 상기 리바운드 속도 사이의 비율(Q)를 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서(13)는 또한 충격 전의 상이한 시점에서 상기 맬릿(3)의 최소한 2개의 인바운드 속도를 측정하도록 구성되며, 상기 제어 유닛(24)은 상기 최소한 2개의 인바운드 속도에 의존하여 상기 파라미터를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제5항에 있어서,
상기 센서(13)는 최소한 상기 플런저(5)의 제1 영역이 상기 센서(13)를 통과할 때의 제1 인바운드 속도 및 제1 리바운드 속도와, 상기 플런저(5)의 제2 영역이 상기 센서(13)를 통과할 때의 제2 인바운드 속도 및 제2 리바운드 속도를 측정하도록 구성되며, 상기 제어 유닛(24)은 최소한 제1 리바운드 속도와 충격 속도의 제1 비율(Q₁), 및 상기 제2 리바운드 속도와 충격 속도의 제2 비율(Q₂)를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제6항에 있어서,
상기 제어 유닛(24)은 상기 비율(Q₁, Q₂)의 평균을 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 플런저(5)는 상기 맬릿(3)의 질량과 동일한 질량을 갖는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제1항에 있어서,
최소한 하나의 가속도계(20)를 추가적으로 포함하며, 상기 제어 유닛(24)은 상기 가속도계에 의해서 발생된 신호에 의존하여 상기 파라미터를 보정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제9항에 있어서,
상기 가속도계(20)는 상기 축(A)을 따라 가속도를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서,
최소한 상기 파라미터를 표시하기 위한 디스플레이(18)를 추가적으로 포함하고, 상기 장치는 상기 가속도계(20)에 의해서 측정된 바와 같이 상기 장치의 배향에 의존하여, 표시된 텍스트를 배향, 이동, 또는 배향 및 이동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 유닛(24)은, 상기 플런저(5)에 대한 상기 맬릿(3)의 충격 위치를 측정하고 상기 파라미터를 계산할 때 상기 충격 위치를 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제12항에 있어서,
상기 센서(13)는 상기 플런저(5) 상의 제1 표시의 경로를 검출하도록 구성되며, 상기 제어 유닛(24)은 충격 전의 제1 표시의 경로와 리바운드 동안의 제1 표시의 경로 사이에 걸친 시간 간격(ΔT)으로부터 상기 충격 위치를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 센서(13)는 상기 맬릿(3)의 통과 중 상기 돌출부(11)에 의해서 후속하여 차단되는 최소한 2개의 광 검출기(14), 및 상기 2개의 광 검출기(14)로부터의 신호의 차이를 측정하는 증폭 회로(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제1항 또는 제15항에 있어서,
상기 돌출부(11)는 상기 맬릿(3)의 원통형 외측 표면 주위로 연장되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제1항 또는 제15항에 있어서,
상기 돌출부(11)는 충격시에 상기 광 배리어의 범위 내에 놓이도록 위치되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 장치.
제1항에 따른 비-파괴 측정 장치를 사용하는 고체의 압축 강도의 비-파괴 측정 방법에 있어서,
상기 방법은,
플런저(5)의 전면 단부를 고체에 대향하여 위치시키는 단계;
상기 플런저(5)를 타격하기 위해서 축(A)을 따라서 변위될 수 있는 맬릿(3)을 변위시켜, 상기 맬릿(3)의 리바운드를 발생시키는 단계;
상기 리바운드 동안의 상이한 시점에서 상기 맬릿(3)의 최소한 2개의 리바운드 속도를 측정하는 단계; 및
상기 최소한 2개의 리바운드 속도를 사용하여 상기 고체의 압축 강도를 나타내는 파라미터를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 방법.
제18항에 있어서,
상기 플런저(5)의 타격 전에 상기 맬릿(3)의 최소한 하나의 인바운드 속도가 측정되며, 상기 인바운드 속도는 상기 파라미터를 계산하기 위해서 사용되는 것을 특징으로 하는 비-파괴 측정 방법.