KR102256047B1 - 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법 및 강도신호 측정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수화반응물질로 이루어진 구조체의 일종인 콘크리트 구조물 등은 외부 요인에 의해 진동이 가해질 때 강도 및 탄성계수 등에 따라 물질의 내부에서 전달되는 속도가 다르고, 가진주파수에 따른 응답특성이 다르므로 이를 이용하여 구조물과 지반의 강도를 측정함으로써 구조체의 강도를 신뢰성 있게 모니터링할 수 있도록 하며, 소형화로 제작 가능하여 휴대성과 이동성을 확보함으로써 장소에 구애받지 않고 강도를 측정할 수 있는, 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법 및 강도신호 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명에 따르면, 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생 단계; 상기 발생된 교류전기신호를 일정 시간 동안 압전 소자에 인가하는 교류전기신호 인가 단계; 상기 교류전기신호 인가 단계에서 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출하는 주파수-임피던스 검출 단계; 및 상기 검출된 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 상기 압전 소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 강도신호로서 측정하는 압력 변화 측정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법가 제공된다.
Description
본 발명은 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법 및 강도신호 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수화반응물질로 이루어진 구조체의 일종인 콘크리트 구조물 등은 외부 요인에 의해 진동이 가해질 때 강도 및 탄성계수 등에 따라 물질의 내부에서 전달되는 속도가 다르고, 입력주파수에 따른 응답특성이 다르므로 이를 이용하여 구조물과 지반의 강도를 측정함으로써 구조체의 강도를 신뢰성 있게 모니터링할 수 있도록 하며, 소형화로 제작 가능하여 휴대성과 이동성을 확보함으로써 장소에 구애받지 않고 구조체의 강도를 측정할 수 있는, 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법 및 강도신호 측정 장치에 관한 것이다.
최근 들어 우리나라는 물론 세계 각국마다 경제 산업발전을 위한 사회기반시설의 확충으로 사회 공공핵심 구조들이 늘어나고 있으며, 이러한 건설 규모는 계속 대형화되고 있다.
건축생산에 있어 콘크리트는 가장 일반적이며 보편화된 주요 구조재로 폭넓게 사용되고 있으며, 성능의 향상 및 안정적인 품질관리에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
특히 콘크리트 구조물에 있어서 강도는 구조물의 안정성을 평가하는 기본적인 요소로서 소요의 강도를 확보하고 균질성을 유지하는 것은 구조물 자체의 안정성을 확보하는데 필수적이며 다른 여러 가지 성질을 평가할 수 있는 기본적인 기준이 된다.
이러한 콘크리트의 강도는 품질관리상 가장 중요하게 다루어지고 있으나, 콘크리트의 품질관리는 주로 표준양생한 재령 28일 강도를 기준으로 하고 있기 때문에 공사의 진행속도와 강도평가시기 사이에는 시간적 차이가 생기므로 이미 경화한 콘크리트의 품질시험 결과는 공사에 신속하게 반영할 수 없으며, 소요의 강도가 과부족일 경우 안전의 문제뿐만이 아니라 경제적·행정적 손실을 부담해야 하는 등 강도상의 문제가 발생할 때에는 처리가 곤란하게 된다.
콘크리트 양생 강도 추정 기법은 적산온도를 이용한 방법이나 슈미트 해머를 이용한 방법을 사용한다.
이는 콘크리트 구조물 내부를 직접적으로 측정하는 것이 아니라 정확한 강도 추정이 어렵고 실시간으로 강도 추정을 하기 어려운 문제점이 있으며, 계측 지점의 접근성이 어려운 경우 측정에 어려움이 있는 다른 문제점이 있다.
또한, 적산온도를 이용하는 방법 이외에도, 기존 현장 타설 콘크리트의 발현 강도 평가와 관련한 대부분의 연구는 전기 화학적 촉진법, 그리고 각종 비파괴 시험법 등을 대상으로 하고 있다.
또한, 수학적인 모델링에 의해 제안된 이론식 뿐만 아니라, 실제 실험을 수행하거나 경험에 근거한 식의 형태로도 제안되고 있는데, 이러한 평가방법은 고가의 장비가 필요하거나 제안된 식 자체가 복잡하여 실무에서 크게 활용되지 못하는 실정이다.
다시 말해서, DCM 등의 공법에 의해 개량된 지반과 레미콘 타설에 의해 시공되는 콘크리트 구조물은 그 구성물인 시멘트의 수화반응에 의해 강도가 서서히 발현된다. 즉, 시간에 따라 강도값이 변하므로 샘플을 취하지 않고서는 정확히 그 강도를 알 수 없는 한계가 있다.
레미콘 타설 등 시공 당시 공시체를 제작하고, 강도시험을 함으로써 간접적으로 구조물의 강도를 추정할 수 있으나, 해당 구조물의 직접적인 강도를 알 수는 없고, 이에 따라 구조물의 강도는 힘과 변형의 관계곡선으로부터 선형변형의 한계치를 구함으로써 측정하게 되므로, 실제 구조물의 경우, 변형을 주지 않은 상태에서 강도를 알아낸다는 것이 쉽지 않은 한계가 있다. 따라서, 초음파 또는 탄성파를 이용하거나, GPR 등 비파괴 방법에 의해 구조물 등의 강도, 탄성계수 등의 물리적 특징을 추정할 수 있으나, 수화반응 초기의 저강도 상태에서는 이들 방법을 적용하기 어려운 실정이다.
이에 따라 현장 타설 콘크리트 구조물의 강도발현 평가를 고려한 효율적인 실시간 상시 계측 모니터링을 통하여 이상 거동을 감지하고, 적절한 조치를 취함으로써 시설물 붕괴를 미연에 방지할 필요가 있다.
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 수화반응물질로 이루어진 구조체의 일종인 콘크리트 구조물 등은 외부 요인에 의해 진동이 가해질 때 강도 및 탄성계수 등에 따라 물질의 내부에서 전달되는 속도가 다르고, 가진주파수에 따른 응답특성이 다르므로 이를 이용하여 구조물과 지반의 강도를 측정함으로써 구조체의 강도를 신뢰성 있게 모니터링할 수 있도록 하는, 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 소형화로 제작 가능하여 휴대성과 이동성을 확보함으로써 장소에 구애받지 않고 강도를 측정할 수 있는, 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 수화반응물질로 이루어지는 구조체에 설치된 압전소자에 연결되어 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하기 위한 강도신호를 생성하고 측정하는 강도신호 측정 장치를 통해 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하기 위한 방법으로서, 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생 단계; 상기 발생된 교류전기신호를 일정 시간 동안 압전 소자에 인가하는 교류전기신호 인가 단계; 상기 교류전기신호 인가 단계에서 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출하는 주파수-임피던스 검출 단계; 및 상기 검출된 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 상기 압전 소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 강도신호로서 측정하는 압력 변화 측정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법가 제공된다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 교류전기신호 발생 단계는 소정의 주파수 대역을 갖는 사인파(Sine Wave) 형태의 교류전기신호를 일정시간 순차적으로 발생시키는 것으로 이루어지며, 상기 교류전기신호의 주파수 대역과 발생 시간은 상기 압전소자의 주파수 특성에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 압력 변화 검출 단계는, 상기 교류전기신호의 주파수에 따른 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호를 증폭시킨 후, 증폭된 전기신호를 검출하도록 이루어지며, 상기 압력 변화 측정 단계는, 저역 필터를 통해 상기 교류전기신호 발생부에서 발생된 교류전기신호는 제거되고, 상기 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만이 통과된 전기신호를 측정하도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 주파수-임피던스 검출 단계에서 압전소자에서 발생하는 공진주파수와 임피던스의 검출 시, 임피던스 주변의 온도를 검출하여 측정된 공진주파수와 임피던스를 보정하여 측정 오차를 최소화하는 보정 단계;를 더 포함하며, 상기 보정 단계는, 아래의 식 1 및 식 2를 통해 보정된 공진주파수와 보정된 임피던스를 구할 수 있다.
f = f1 + A * (Tc-Tref) + B (식 1)
z = z1 + C * (Tc-Tref) + B (식 2)
(여기에서, f : 보정된 공진주파수, z : 보정된 임피던스, f1 : 측정된 공진주파수, z1: 측정된 임피던스, A : 압전소자의 온도특성계수 1, C : 압전소자의 온도특성계수 3, B : 압전소자의 온도특성계수 2, D : 압전소자의 온도특성계수 4, Tc: 측정된 현재 온도, Tref: 기준온도, A, B, C, D 및 Tref는 압전소자에 대한 온도특성실험을 통해 얻은 상수값)
본 발명의 다른 관점에 따르면, 수화반응물질로 이루어지는 구조체에 설치된 압전소자에 연결되어 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하기 위한 강도신호를 생성하고 측정하는 강도신호 측정 장치로서, 압전 소자에 상기 제어 모듈부가 전기적으로 접속되는 접속부를 구비하여 구성되는 장치 하우징; 상기 장치 하우징에 구비되고, 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생부; 상기 장치 하우징에 구비되고, 상기 교류전기신호 발생부에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 압전소자에 인가하며, 상기 압전소자로 인가된 교류전기신호에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하는 제어 모듈부; 및 상기 장치 하우징에 구비되며, 상기 제어 모듈부에 필요 전력을 공급하도록 구성되는 전원부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 상기 교류전기신호 발생부는 소정 주파수 대역을 갖는 사인파의 교류전기신호를 발생시키는 사인파 신호 발생부로 이루어지고, 상기 제어 모듈부는, 상기 사인파 신호 발생부에서 발생되는 교류전기신호를 제어하여 압전 소자로 인가되도록 하는 교류전기신호 제어부와, 상기 압전 소자로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출하는 주파수-임피던스 검출부, 및 상기 주파수-임피던스 검출부에서 검출된 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 압전 소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하는 압력변화 측정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 상기 제어 모듈부는, 상기 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호의 크기를 증폭시키기 위한 신호 증폭부; 상기 신호 증폭부로부터 출력되는 나오는 전기신호 중 상기 교류전기신호 발생부에서 발생한 교류전기신호는 제거하고, 상기 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만을 통과시키도록 이루어지는 저역 필터부; 및 상기 저역 필터부를 통해 필터링되어 출력되는 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 아날로그 전기신호를 디지털 신호로 변환시켜 출력하도록 이루어지는 아날로그-디지털 컨버터부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정한 압력변화 데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 상기 장치 하우징에 구비되는 유무선 통신 모듈부; 및 상기 장치 하우징에 구비되며, 상기 압전 소자의 위치 정보를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 구성되는 GPS 모듈부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 상기 제어 모듈부는 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정한 압력변화 데이터에 기초하여 강도를 계산하고 산출하는 강도 산출부를 더 포함하며, 상기 강도신호 측정 장치는, 상기 강도 산출부에서 산출된 강도 데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 구비되는 유무선 통신 모듈부와, 상기 강도 산출부에서 산출된 강도 데이터를 표시하는 디스플레이부, 및 상기 장치 하우징에 구비되며, 상기 압전 소자의 위치 정보를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 구성되는 GPS 모듈부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 상기 장치 하우징의 하단면에 설치되어 임피던스의 주변 온도를 검출하도록 구비되는 온도 센서, 및 상기 제어 모듈부를 구성하며, 상기 주파수-임피던스 검출부에서 압전소자의 공진주파수와 임피던스를 검출할 때, 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도에 기반하여 측정된 공진주파수와 임피던스 값을 보정하여 측정 오차를 최소화하는 주파수-임피던스 보정부;를 더 포함하며, 상기 주파수-임피던스 보정부는, 아래의 식 1 및 식 2를 통해 보정된 공진주파수와 보정된 임피던스를 얻을 수 있다.
f = f1 + A * (Tc-Tref) + B (식 1)
z = z1 + C * (Tc-Tref) + B (식 2)
(여기에서, f : 보정된 공진주파수, z : 보정된 임피던스, f1 : 측정된 공진주파수, z1: 측정된 임피던스, A : 압전소자의 온도특성계수 1, C : 압전소자의 온도특성계수 3, B : 압전소자의 온도특성계수 2, D : 압전소자의 온도특성계수 4, Tc: 측정된 현재 온도, Tref: 기준온도, A, B, C, D 및 Tref는 압전소자에 대한 온도특성실험을 통해 얻은 상수값)
본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법 및 강도신호 측정 장치에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 압전소자의 임피던스 특성을 이용하여 구조체의 강도를 신뢰성 있게 측정하고 지속적인 모니터링을 제공할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 소형으로 제작할 수 있어 휴대성과 이동성을 확보할 수 있고, 이에 따라 장소에 구애받지 않고 용이하게 강도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법에서, 압전소자에 아무런 압력이 가해지지 않은 상태에서 압전소자에 가해지는 교류전기신호의 주파수 변화에 따른 압전소자의 공진주파수 특성과 임피던스 특성에 대하여 저역 필터를 통해 출력된 신호를 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도 호 측정 방법에서, 압전소자에 일정한 압력이 가해진 상태에서 압전소자에 가해지는 교류전기신호의 주파수 변화에 따른 압전소자의 공진주파수 특성과 임피던스 특성에 대하여 저역 필터를 통해 출력된 신호를 측정한 그래프이다.
도 4는 온도와 공진주파수와 임피던스 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법의 보정 과정에 이용되는 그래프이다.
도 6은 도 5의 그래프1과 그래프2를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치의 구성을 블록화하여 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치를 구성하는 제어 모듈부의 구성을 블록화하여 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법에서, 압전소자에 아무런 압력이 가해지지 않은 상태에서 압전소자에 가해지는 교류전기신호의 주파수 변화에 따른 압전소자의 공진주파수 특성과 임피던스 특성에 대하여 저역 필터를 통해 출력된 신호를 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도 호 측정 방법에서, 압전소자에 일정한 압력이 가해진 상태에서 압전소자에 가해지는 교류전기신호의 주파수 변화에 따른 압전소자의 공진주파수 특성과 임피던스 특성에 대하여 저역 필터를 통해 출력된 신호를 측정한 그래프이다.
도 4는 온도와 공진주파수와 임피던스 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법의 보정 과정에 이용되는 그래프이다.
도 6은 도 5의 그래프1과 그래프2를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치의 구성을 블록화하여 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치를 구성하는 제어 모듈부의 구성을 블록화하여 개략적으로 나타내는 블록도이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법 및 강도신호 측정 장치에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법에 대하여 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법은, 수화반응물질로 이루어지는 구조체(예를 들면, 레미콘 타설에 의해 시공되는 콘크리트 구조물 또는 DCM 등의 공법으로 개량된 지반)에 설치된 압전소자에 연결되어 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하기 위한 강도신호를 생성하고 측정하는 강도신호 측정 장치를 통해 수화반응물질 구조체의 강도신호를 측정하기 위한 방법으로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 크게 교류전기신호 발생 단계(S100); 교류전기신호 인가 단계(S200); 주파수-임피던스 검출 단계(S300); 및 압력 변화 측정 단계(S400);를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법은, 수화반응물질로 이루어지는 구조체에 설치된 압전소자에 연결되어 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하기 위한 강도신호를 생성하고 측정하는 강도신호 측정 장치를 통해 수화반응물질 구조체의 강도신호를 측정하기 위한 방법으로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생 단계(S100); 상기 교류전기신호 발생 단계(S100)에서 발생된 교류전기신호를 일정 시간 동안 압전 소자에 인가하는 교류전기신호 인가 단계(S200); 상기 교류전기신호 인가 단계(S200)에서 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전소자의 공진주파수(고유 공진주파수)와 임피던스를 검출하는 주파수-임피던스 검출 단계(S300); 및 상기 주파수-임피던스 검출 단계(S300)에서 검출된 압전소자의 고유 공진주파수와 임피던스에 기반하여 압전 소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하는 압력 변화 측정 단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 교류전기신호 발생 단계(S100)는 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 단계로서, 낮은 주파수에서 높은 주파수의 주파수 대역을 갖는 사인파(Sine Wave) 형태의 교류전기신호를 일정시간 이내에 순차적으로 발생시키는 것으로 이루어진다.
상기 교류전기신호 발생 단계(S100)에서 발생되는 교류전기신호의 주파수와 발생 시간은 연계되는 압전소자의 주파수 특성에 따라 결정되게 된다. 예를 들면, 상기 교류전기신호 발생 단계(S100)는 5KHz에서 100KHz의 사인파를 1초 동안 발생시키는 것으로 이루어진다.
여기에서, 상기 교류전기신호 발생 단계(S100)는 강도신호 측정 장치에 구비되는 사인파 신호 발생부에 의해 발생되게 된다.
그리고 상기 교류전기신호 인가 단계(S200)는, 상기 교류전기신호 발생 단계(S100)에서 발생된 교류전기신호를 일정 시간 동안 압전 소자에 인가하는 것으로 이루어진다.
여기에서, 상기 교류전기신호 인가 단계(S200)는 강도신호 측정 장치에 구비되는 제어 모듈부를 통하여, 상기 사인파 신호 발생부에서 압전 소자의 주파수 특성에 따라 설정된 교류전기신호를 발생시키고 인가되도록 이루어진다.
계속해서, 상기 주파수-임피던스 검출 단계(S300)는, 상기 교류전기신호 인가 단계(S200)에서 가해지는 교류전기신호의 주파수에 의해 상기 압전소자에서 발생하는 공진주파수(고유 공진주파수)와 임피던스(공진주파수와 임피던스 값)를 검출하는 것으로 이루어진다.
그리고 상기 압력 변화 측정 단계(S400)는, 상기 주파수-임피던스 검출 단계(S300)에서 검출된 압전소자의 고유 공진주파수와 임피던스에 기반하여 압전 소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하도록 이루어진다.
여기에서, 상기 압력 변화 측정 단계(S400)는, 압전소자에 가해지는 교류전기신호의 주파수의 변화에 따라 압전소자의 고유 공진주파수와 임피던스가 변화하고, 이 변화는 미세한 전기신호로 바뀌는데 이 미세 전기신호를 측정가능한 신호의 크기로 증폭시키기 위하여 신호 증폭부를 통해 신호의 크기를 증폭시키는 신호 증폭 과정을 포함한다.
또한, 상기 압력 변화 측정 단계(S400)에 있어, 상기 신호 증폭부를 통해 신호 증폭 과정을 거쳐 출력되는 신호는 사인파 신호 발생부에서 발생한 교류전기신호와 압전소자의 고유 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호가 함께 섞여 있으므로, 상기 압력 변화 측정 단계(S400)는, 강도신호 측정 장치에 구비되는 저역 필터(Low Pass Filter)를 통해 사인파 신호 발생부에서 발생되어 압전소자로부터 출력되는 교류전기신호는 제거하고, 순수한 압전소자의 공진주파수(고유 공진주파수)와 임피던스의 변화에 따른 전기신호만을 통과시키도록 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 압력 변화 측정 단계(S400)는, 상기 저역 필터를 통해 필터링되어 출력되는 압전소자의 공진주파수 및 임피던스의 변화에 따른 아날로그 전기신호를, 강도신호 측정 장치에 구비되는 아날로그-디지털 컨버터부를 통해 디지털 신호로 변환시켜 출력되도록 이루어진다.
또한, 상기 압력 변화 측정 단계(S400)는, 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 디지털 신호(공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 디지털 신호)에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하고, 강도신호 측정 장치에 구비되는 유무선 통신부를 통해 그 압력 변화 데이터를 외부의 상위 처리장치(예를 들면, 컴퓨터 또는 서버 등)로 전송하여 상위 처리장치에서 그 압력 변화 데이터에 기초하여 강도를 계산하도록 이루어지거나, 그 압력 변화 데이터에 기초하여 강도 계산부를 통해 계산된 강도를 유무선 통신부를 통해 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 이루어질 수 있다.
상기 압력 변화 측정 단계(S400)와 관련하여, 도 2 및 도 3을 참고하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법에서, 압전소자에 아무런 압력이 가해지지 않은 상태에서 압전소자에 가해지는 교류전기신호의 주파수 변화에 따른 압전소자의 공진주파수 특성과 임피던스 특성에 대하여 저역 필터를 통해 출력된 신호를 측정한 그래프이며, 도 3은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법에서, 압전소자에 일정한 압력이 가해진 상태에서 압전소자에 가해지는 교류전기신호의 주파수 변화에 따른 압전소자의 공진주파수 특성과 임피던스 특성에 대하여 저역 필터를 통해 출력된 신호를 측정한 그래프이다.
본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법에 있어서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 압전소자에 아무런 압력이 가해지지 않은 상태에서 압전소자에 가해지는 교류전기신호의 주파수 변화에 따른 압전소자의 공진주파수 특성과 임피던스 특성에 대하여 저역 필터(Low Pass Filter)를 통해 출력된 신호를 측정한 것으로, 빨간색 원과 같이 특정 주파수에 대하여 확연한 2개의 피크(Peak) 출력을 나타낸다.
그리고 도 3에 나타낸 바와 같이, 압전소자에 일정한 압력이 가해진 상태에서 압전소자에 가해지는 교류전기신호의 주파수 변화에 따른 압전소자의 공진주파수 특성과 임피던스 특성에 대하여 저역 필터를 통해 출력된 신호를 측정한 것으로, 압력이 가해지지 않은 상태와 동일하게 빨간색 원과 같이 특정 주파수에 대하여 확연한 2개의 피크 출력을 나타내지만, 압력이 가해지지 않은 상태에 비해 그 피크 출력의 주파수가 변화한다.
따라서, 압전소자에 가해진 압력은 피크 주파수의 변위차와 압전소자의 주파수 특성을 상관 관계로 하여 계산하고, 계산된 압전 소자의 압력변화 데이터를 강도 측정을 위한 측정 인자로서 활용하여 강도를 측정하고 산출하게 된다.
여기에서, 피크(Peak)가 되는 주파수를 찾기 위하여 Kalman필터를 통해 정형파 주파수 증가에 따른 압전소자의 임피던스 증가의 트렌드(우상향 선형성)를 제거하고, 트렌드 제거 후 프로파일 내에서 강도(intensity)가 최대(maximum) 및 최소(minimum)이 되는 점을 찾음으로써 이루어질 수 있다.
상기 외부의 상위 처리 장치에서 압력 변화 데이터에 기초하여 강도를 계산하도록 이루어지거나, 그 압력 변화 데이터에 기초하여 강도 계산부를 통해 계산된 강도를 유무선 통신부를 통해 외부의 상위 처리장치로 전송함에 있어, 압력 변화 데이터에 기초한 강도의 산출에 대하여 설명하면 다음과 같다.
강도 변화가 없는 상태에서 피크 주파수(공진 주파수)는 일정한 값을 갖는다. 물질의 강도가 변하게 되면 피크 주파수(공진 주파수) 값의 이동이 생기는데, 이 변동값은 재료(물질)마다 다르게 나타난다. 즉, 절대값을 이용하여 강도를 추출할 수는 없고, 초기에 구조물에서 추출한 샘플을 이용하여 강도시험을 수행하고, 같은 재령(age)에서의 파크 주파수(공진 주파수)를 해당 강도값과 1:1 대응하여 강도값과 주파수값의 관계식을 근거로, 추후 측정되는 피크 주파수(공진 주파수)의 변화에 따른 강도를 산출하게 된다. 다시 말해서, 기준(reference) 값을 근거로 같은 재료에 대한 강도를 측정할 수 있다.
여기에서, 샘플에 대한 강도시험 방법으로는 만능재료시험기(UTM: Universal Testing Machine)를 이용한 압축강도시험, 마샬시험법, 초음파에 의한 비파괴시험법 등을 활용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법은, 상기 주파수-임피던스 검출 단계(S300)에서 압전소자에서 발생하는 공진주파수와 임피던스를 검출할 때, 임피던스 주변의 온도를 검출하고, 검출된 온도에 기반하여 압전소자의 온도특성보정알고리즘을 통해 측정된 공진주파수와 임피던스(측정된 공진주파수와 측정된 임피던스의 값)을 보정하여 측정 오차를 최소화 하는 보정 단계(S500);를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 압전소자는 온도에 따라 공진주파수와 임피던스가 미세하게 변화는 성질이 있는데, 수화열반응물질의 양생과정에서 발생하는 열이나, 양생이 완료된 이후에 외부기온 변화에 따른 수화열반응물질의 온도의 변화는 수화열반응물질의 압력과 무관하게 압전소자의 공진주파수와 임피던스가 변화를 발생시키게 된다. 이와 같은 수화열반응물질의 온도의 변화에 의해 발생되는 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화는 수화열반응물질의 압력의 변화로 잘못 인식될 수 있어, 수화열반응물잘의 압력측정에 있어서 측정 오차를 발생시킬 수 있으므로, 온도센서를 압전소자와 최대한 근접한 거리에 위치되도록 하고, 압전소자의 공진주파수와 임피던스를 측정할 때 압전소자 주변의 온도를 측정하여 압전소자의 온도특성보정알고리즘을 통하여, 상기 측정된 공진주파수와 임피던스의 값을 보정함으로써 측정 오차를 최소화 한 보정 공진주파수와 보정 임피던스의 값을 도출하는 것이다.
보다 구체적으로, 온도측정을 통하여 측정된 공진주파수와 임피던스의 값을 보정하는 보정 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 온도와 공진주파수와 임피던스 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 외부기온 변화에 따른 수화열반응물질의 온도의 변화는 수화열반응물질의 압력과 무관하게 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화를 발생시키게 된다. 따라서, 압전소자로부터 측정된 공진주파수는 측정된 온도와 함께 다음과 같은 방식으로 보정된다.
f = f1 + A * (Tc-Tref) + B (식 1)
z = z1 + C * (Tc-Tref) + B (식 2)
(f : 보정된 공진주파수, z : 보정된 임피던스, f1 : 측정된 공진주파수, z1: 측정된 임피던스, A : 압전소자의 온도특성계수 1, C : 압전소자의 온도특성계수 3, B : 압전소자의 온도특성계수 2, D : 압전소자의 온도특성계수 4, Tc: 측정된 현재 온도, Tref: 기준온도)
A, B, C, D 및 Tref는 사용하는 압전소자에 따라 상이함으로 압전소자에 대한 온도특성실험을 통해 얻을 수 있다.
본 발명은 상기한 보정 방법을 추가 보완하여 보정된 공진주파수와 임피던스의 값을 추가 보정할 수 있다.
추가 보정에 대한 일 실시 예를 설명한다.
수화반응에 따라 물질의 강도는 점차 증가하다가 상당한 기간이 지나 수화반응이 끝남과 동시에 일정한 강도로 수렴한다. 일반 콘크리트의 경우에는 다음과 같은 경험식으로 강도를 계산할 수 있다.
일반 콘크리트의 강도 = 28일 강도 × {21 + 61 × log(양생기간 동안의 양생온도의 평균값 × 양생기간)} (식 3)
따라서, 일 실시 예에 따른 추가 보정 방법은, 상기한 계산법(식 3)을 이용하여 상기한 식 1과 식 2를 통해 얻어진 보정 값(보정 공진주파수와 보정 임피던스의 값)을 보완하여 추가 보정할 수 있다.
계속해서, 추가 보정에 대한 다른 실시 예를 설명한다.
다른 실시 예에 따른 추가 보정 방법은, 실제 강도시험결과에 따른 보정 방법으로, 특정 시점에서의 강도시험결과를 반영하여 상기한 식 1과 식 2를 통해 얻어진 보정 값을 추가 보정할 수 있다.
또한, 추가 보정에 대한 또 다른 실시 예를 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법의 보정 과정에 이용되는 그래프로서, 그래프 1은 기본 주파수 패턴변화에 따른 경험식으로 시간흐름에 따른 강도계산을 한 그래프이며, 그래프 2는 강도시험 결과가 나오는 시점에서의 강도값을 시험결과값으로 확정하고, {시험결과값 - 계산값}의 차이를 그 해당 시점 이후에 누적시켜서 강도값을 계산한 그래프이며, 도 6은 도 5의 그래프1과 그래프2를 비교한 그래프이다.
또 다른 실시 예에 따른 추가 보정은, 그래프 1과 같이 강도값을 계산하다가, 양생시작 후 24시간이 지난 시점에 강도시험을 한 결과, 주파수에 의해 계산한 값보다 시험결과값이 다소 높게 나오는 경우, 강도시험결과값을 양생시작 후 24시간에서의 강도값으로 확정하고, 그 뒤의 강도계산에, {시험결과값 - 계산값} 만큼의 차이를 더해줌으로써 상기한 식 1과 식 2를 통해 얻어진 보정 값을 추가 보정할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치에 대하여 도 7 및 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치의 구성을 블록화하여 개략적으로 나타내는 블록도이며, 도 8은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치를 구성하는 제어 모듈부의 구성을 블록화하여 개략적으로 나타내는 블록도이다.
본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치는, 수화반응물질로 이루어지는 구조체(예를 들면, 레미콘 타설에 의해 시공되는 콘크리트 구조물 또는 DCM 등의 공법으로 개량된 지반)에 설치된 압전소자에 연결되어 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하기 위한 강도신호를 생성하고 측정하는 강도신호 측정 장치로서, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 크게 장치 하우징(100); 교류전기신호 발생부(200); 제어 모듈부(300); 및 전원부(400);를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치는, 수화반응물질로 이루어지는 구조체(예를 들면, 레미콘 타설에 의해 시공되는 콘크리트 구조물 또는 DCM 등의 공법으로 개량된 지반)에 설치된 압전소자에 연결되어 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하기 위한 강도신호를 생성하고 측정하는 강도신호 측정 장치로서, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 압전 소자에 전기적으로 접속되는 접속 포트 또는 접속 케이블의 접속부를 구비하여 구성되는 장치 하우징(100); 상기 장치 하우징(100)에 구비되고, 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생부(200); 상기 장치 하우징(100)에 구비되고, 상기 교류전기신호 발생부(200)에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 압전소자에 인가하며, 상기 압전소자로 인가된 교류전기신호에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하는 제어 모듈부(300); 및 상기 장치 하우징(100)에 구비되며, 상기 제어 모듈부(300)에 필요 전력을 공급하도록 구성되는 전원부(400);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 장치 하우징(100)는 내부에 상기한 구성부들이 장착되도록 이루어지고, 이동성과 휴대성을 위하여 손잡이부를 갖고 소형으로 제작될 수 있으며, 내부의 구성부들의 유지보수를 위하여 일부가 개폐되거나, 분할되어 구성될 수 있다.
상기 교류전기신호 발생부(200)는 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시킬 수 있는, 즉 낮은 주파수에서 높은 주파수의 주파수 대역을 갖는 사인파(Sine Wave) 형태의 교류전기신호를 일정시간 이내에 순차적으로 발생시킬 수 있는 사인파 신호 발생부로 이루어진다.
다음으로, 상기 제어 모듈부(300)는, 상기 교류전기신호 발생부(200)에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 압전소자에 인가하며, 상기 압전소자로 인가된 교류전기신호에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하도록 이루어지는 것으로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 크게 교류전기신호 제어부(310)와, 주파수-임피던스 검출부(320), 및 압력변화 측정부(330)를 포함한다.
구체적으로, 상기 제어 모듈부(300)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 교류전기신호 발생부(200)를 제어하여 소정 주파수(주파수 대역)와 발생 시간의 교류전기신호가 압전 소자로 인가되도록 하는 교류전기신호 제어부(310)와, 상기 압전 소자로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전소자의 공진주파수(고유 공진주파수)와 임피던스의 변화를 검출하는 주파수-임피던스 검출부(320), 및 상기 주파수-임피던스 검출부(320)에서 검출된 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 압전 소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하는 압력변화 측정부(330)를 포함한다.
상기 제어 모듈부(300)의 교류전기신호 제어부(310)에서 제어하는 교류전기신호 발생부의 주파수와 발생시간은, 상기 압전소자의 주파수 특성에 따라 결정되게 된다. 예를 들면, 상기 교류전기신호 제어부(310)는 교류전기신호 발생부(200)에서 5KHz에서 100KHz의 사인파가 1초 동안 발생되도록 제어할 수 있다.
상기 주파수-임피던스 검출부(320)는, 상기 교류전기신호 제어부(310)에서 제어되는 교류전기신호의 주파수에 의해 상기 압전소자에서 발생하는 고유 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출하도록 이루어진다.
그리고 상기 압력변화 측정부(330)는, 상기 주파수-임피던스 검출부(320)에서 검출된 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 압전 소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하도록 이루어진다.
여기에서, 상기 압력변화 측정부(330)는, 압전소자에 가해지는 교류전기신호의 주파수의 변화에 따라 압전소자의 공진주파수와 임피던스가 변화하고, 이 변화는 미세한 전기신호로 바뀌는데, 본 발명은 상기한 미세한 전기신호를 증폭시키기 위한 구성부를 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치의 제어 모듈부(300)는, 상기 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호의 크기를 증폭시키기 위한 신호 증폭부(340)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 신호 증폭부(340)를 통해 신호 증폭 과정을 거쳐 출력되는 신호는 교류전기신호 발생부(200)에서 발생한 교류전기신호와 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호가 함께 섞여 있으므로, 상기 교류전기신호 발생부(200)에서 발생한 교류전기신호는 제거하고, 상기 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만을 통과시키기 위한 구성부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치의 제어 모듈부(300)는, 상기 교류전기신호 발생부(200)에서 발생한 교류전기신호는 제거하고, 상기 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만을 통과시키도록 이루어지는 저역 필터부(Low Pass Filter part)(350)를 더 포함할 수 있다.
상기 압력변화 측정부(330)에 의한 압력 변화의 측정은 앞서 도 2 및 도 3을 참고하여 설명하였으므로 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 설명은 생략한다.
계속해서, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치의 제어 모듈부(300)는, 상기 저역 필터부(350)를 통해 필터링되어 출력되는 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 아날로그 전기신호를 디지털 신호로 변환시켜 출력하도록 이루어지는 아날로그-디지털 컨버터부(360)를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치는, 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정한 압력변화 데이터를 외부의 상위 처리장치(예를 들면, 컴퓨터 또는 서버 등)로 전송하도록 구성되는 유무선 통신 모듈부(500)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 상위 처리장치에서는 전송받은 압력변화 데이터에 기초하여 강도를 도출하게 된다.
여기에서, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치의 제어 모듈부(300)는, 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정한 압력변화 데이터에 기초하여 강도를 계산하고 산출하는 강도 산출부(370)를 더 포함하며, 상기 강도 산출부(370)에서 산출된 강도 데이터는 상기 유무선 통신 모듈부(500)를 통해 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 이루어질 수도 있다. 여기에서, 본 발명은 상기 강도 산출부(370)에서 산출된 강도 데이터를 표시하기 위하여 상기 장치 하우징(100)에 구비되며, 상기 제어 모듈부(300)와 연결되어 상기 강도 산출부(370)에서 산출된 강도 데이터를 표시하는 디스플레이부(600);를 더 포함할 수 있다.
상기 상위 처리장치에서의 강도 산출 또는 상기 제어 모듈부(300)의 강도 산출부(370)에서의 강도 산출에 대하여 설명하면 다음과 같다.
강도 변화가 없는 상태에서 피크 주파수(공진 주파수)는 일정한 값을 갖는다. 물질의 강도가 변하게 되면 피크 주파수(공진 주파수) 값의 이동이 생기는데, 이 변동값은 재료(물질)마다 다르게 나타난다. 즉, 절대값을 이용하여 강도를 추출할 수는 없고, 초기에 구조물에서 추출한 샘플을 이용하여 강도시험을 수행하고, 같은 재령(age)에서의 파크 주파수(공진 주파수)를 해당 강도값과 1:1 대응하여 강도값과 주파수값의 관계식을 근거로, 추후 측정되는 피크 주파수(공진 주파수)의 변화에 따른 강도를 산출하게 된다. 다시 말해서, 기준(reference) 값을 근거로 같은 재료에 대한 강도를 측정할 수 있다. 여기에서, 샘플에 대한 강도시험 방법으로는 만능재료시험기(UTM: Universal Testing Machine)를 이용한 압축강도시험, 마샬시험법, 초음파에 의한 비파괴시험법 등을 활용할 수 있다.
다음으로, 상기 전원부(400)는 교체형 배터리 또는 충전형 배터리로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치는, 측정 지점의 위치 정보 또는 시공되는 위치 정보를 유무선 통신 모듈부(500)를 통해 상위의 처리장치로 전송하도록 이루어지는 GPS 모듈부(700);를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치는, 상기 장치 하우징(100)의 하단면에 설치되어 임피던스의 주변 온도를 검출하도록 구비되는 온도 센서(800), 및 상기 제어 모듈부(300)를 구성하며, 주파수-임피던스 검출부(320)에서 압전소자의 공진주파수와 임피던스를 검출할 때, 상기 온도 센서(800)에 의해 검출된 온도에 기반하여 압전소자의 온도특성보정알고리즘을 통해 측정된 공진주파수와 임피던스 값을 보정하여 측정 오차를 최소화하는 주파수-임피던스 보정부(380);를 더 포함할 수 있다.
상기 주파수-임피던스 보정부(380)는, 아래의 식 1 및 식 2를 통해 보정된 공진주파수와 보정된 임피던스를 얻을 수 있다.
f = f1 + A * (Tc-Tref) + B (식 1)
z = z1 + C * (Tc-Tref) + B (식 2)
(f : 보정된 공진주파수, z : 보정된 임피던스, f1 : 측정된 공진주파수, z1: 측정된 임피던스, A : 압전소자의 온도특성계수 1, C : 압전소자의 온도특성계수 3, B : 압전소자의 온도특성계수 2, D : 압전소자의 온도특성계수 4, Tc: 측정된 현재 온도, Tref: 기준온도)
A, B, C, D 및 Tref는 사용하는 압전소자에 따라 상이함으로 압전소자에 대한 온도특성실험을 통해 얻는 상수값이다.
이러한 공진주파수와 임피던스의 보정은, 외부기온 변화에 따른 수화열반응물질의 온도의 변화가 수화열반응물질의 압력과 무관하게 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화를 발생시키는 것에 기반하는 것이다.
또한, 상기한 공진주파수와 임피던스의 보정은, 앞서 설명한 추가 보정을 토해 보완될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법 및 강도신호 측정 장치에 의하면, 압전소자의 임피던스 특성을 이용하여 구조체의 강도를 신뢰성 있게 측정하고 지속적인 모니터링을 제공할 수 있으며, 소형으로 제작할 수 있어 휴대성과 이동성을 확보할 수 있고, 이에 따라 장소에 구애받지 않고 용이하게 강도를 측정할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100: 교류전기신호 발생 단계
S200: 교류전기신호 인가 단계
S300: 주파수-임피던스 검출 단계
S400: 압력 변화 측정 단계
S500: 보정 단계
100: 장치 하우징
200: 교류전기신호 발생부
300: 제어 모듈부
310: 교류전기신호 제어부
320: 주파수-임피던스 검출부
330: 압력변화 측정부
340: 신호 증폭부
350: 저역 필터부
360: 아날로그-디지털 컨버터부
370: 강도 산출부
380: 주파수-임피던스 보정부
400: 전원부
500: 유무선 통신 모듈부
600: 디스플레이부
700: GPS 모듈부
800: 온도 센서
S200: 교류전기신호 인가 단계
S300: 주파수-임피던스 검출 단계
S400: 압력 변화 측정 단계
S500: 보정 단계
100: 장치 하우징
200: 교류전기신호 발생부
300: 제어 모듈부
310: 교류전기신호 제어부
320: 주파수-임피던스 검출부
330: 압력변화 측정부
340: 신호 증폭부
350: 저역 필터부
360: 아날로그-디지털 컨버터부
370: 강도 산출부
380: 주파수-임피던스 보정부
400: 전원부
500: 유무선 통신 모듈부
600: 디스플레이부
700: GPS 모듈부
800: 온도 센서
Claims (10)
- 수화반응물질로 이루어지는 구조체에 설치된 압전소자에 연결되어 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하기 위한 강도신호를 생성하고 측정하는 강도신호 측정 장치를 통해 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하기 위한 방법으로서,
소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생 단계;
상기 발생된 교류전기신호를 일정 시간 동안 압전 소자에 인가하는 교류전기신호 인가 단계;
상기 교류전기신호 인가 단계에서 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출하는 주파수-임피던스 검출 단계; 및
상기 검출된 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 상기 압전 소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 강도신호로서 측정하는 압력 변화 측정 단계;를 포함하고,
상기 교류전기신호 발생 단계는 소정의 주파수 대역을 갖는 사인파(Sine Wave) 형태의 교류전기신호를 일정시간 순차적으로 발생시키는 것으로 이루어지고,
상기 교류전기신호의 주파수 대역과 발생 시간은 상기 압전소자의 주파수 특성에 따라 결정되도록 이루어지고,
상기 압력 변화 검출 단계는, 상기 교류전기신호의 주파수에 따른 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호를 증폭시킨 후, 증폭된 전기신호를 검출하도록 이루어지고,
상기 압력 변화 측정 단계는, 저역 필터를 통해 상기 교류전기신호는 제거되고, 상기 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만이 통과된 전기신호를 측정하도록 이루어지고,
상기 주파수-임피던스 검출 단계에서 압전소자에서 발생하는 공진주파수와 임피던스의 검출 시, 압전소자 주변의 온도를 검출하여 측정된 공진주파수와 임피던스를 보정하여 측정 오차를 최소화하는 보정 단계;를 더 포함하며,
상기 보정 단계는, 아래의 식 1 및 식 2를 통해 보정된 공진주파수와 보정된 임피던스를 구하는 것을 특징으로 하는
f = f1 + A * (Tc-Tref) + B (식 1)
z = z1 + C * (Tc-Tref) + B (식 2)
(여기에서, f : 보정된 공진주파수, z : 보정된 임피던스, f1 : 측정된 공진주파수, z1: 측정된 임피던스, A : 압전소자의 온도특성계수 1, C : 압전소자의 온도특성계수 3, B : 압전소자의 온도특성계수 2, D : 압전소자의 온도특성계수 4, Tc: 측정된 현재 온도, Tref: 기준온도, A, B, C, D 및 Tref는 압전소자에 대한 온도특성실험을 통해 얻은 상수값)
수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 수화반응물질로 이루어지는 구조체에 설치된 압전소자에 연결되어 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하기 위한 강도신호를 생성하고 측정하는 강도신호 측정 장치로서,
압전 소자에 하기 제어 모듈부가 전기적으로 접속되는 접속부를 구비하여 구성되는 장치 하우징;
상기 장치 하우징에 구비되고, 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생부;
상기 장치 하우징에 구비되고, 상기 교류전기신호 발생부에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 압전소자에 인가하며, 상기 압전소자로 인가된 교류전기신호에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하는 제어 모듈부; 및
상기 장치 하우징에 구비되며, 상기 제어 모듈부에 필요 전력을 공급하도록 구성되는 전원부;를 포함하고,
상기 교류전기신호 발생부는 소정 주파수 대역을 갖는 사인파의 교류전기신호를 발생시키는 사인파 신호 발생부로 이루어지고,
상기 제어 모듈부는, 상기 사인파 신호 발생부에서 발생되는 교류전기신호를 제어하여 압전 소자로 인가되도록 하는 교류전기신호 제어부와, 상기 압전 소자로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출하는 주파수-임피던스 검출부, 및 상기 주파수-임피던스 검출부에서 검출된 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 압전 소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하는 압력변화 측정부를 포함하고,
상기 장치 하우징의 하단면에 설치되어 임피던스의 주변 온도를 검출하도록 구비되는 온도 센서, 및 상기 제어 모듈부를 구성하며, 상기 주파수-임피던스 검출부에서 압전소자의 공진주파수와 임피던스를 검출할 때, 상기 온도 센서에 의해 검출된 온도에 기반하여 측정된 공진주파수와 임피던스 값을 보정하여 측정 오차를 최소화하는 주파수-임피던스 보정부;를 더 포함하며,
상기 주파수-임피던스 보정부는, 아래의 식 1 및 식 2를 통해 보정된 공진주파수와 보정된 임피던스를 얻는 것을 특징으로 하는
f = f1 + A * (Tc-Tref) + B (식 1)
z = z1 + C * (Tc-Tref) + B (식 2)
(여기에서, f : 보정된 공진주파수, z : 보정된 임피던스, f1 : 측정된 공진주파수, z1: 측정된 임피던스, A : 압전소자의 온도특성계수 1, C : 압전소자의 온도특성계수 3, B : 압전소자의 온도특성계수 2, D : 압전소자의 온도특성계수 4, Tc: 측정된 현재 온도, Tref: 기준온도, A, B, C, D 및 Tref는 압전소자에 대한 온도특성실험을 통해 얻은 상수값)
수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치.
- 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 제어 모듈부는,
상기 압전소자의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호의 크기를 증폭시키기 위한 신호 증폭부;
상기 신호 증폭부로부터 출력되는 나오는 전기신호 중 상기 교류전기신호 발생부에서 발생한 교류전기신호는 제거하고, 상기 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만을 통과시키도록 이루어지는 저역 필터부; 및
상기 저역 필터부를 통해 필터링되어 출력되는 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 아날로그 전기신호를 디지털 신호로 변환시켜 출력하도록 이루어지는 아날로그-디지털 컨버터부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치.
- 제7항에 있어서,
압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정한 압력변화 데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 상기 장치 하우징에 구비되는 유무선 통신 모듈부; 및
상기 장치 하우징에 구비되며, 상기 압전 소자의 위치 정보를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 구성되는 GPS 모듈부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치.
- 제7항에 있어서,
상기 제어 모듈부는 압전소자의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전소자에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정한 압력변화 데이터에 기초하여 강도를 계산하고 산출하는 강도 산출부를 더 포함하며,
상기 강도신호 측정 장치는, 상기 강도 산출부에서 산출된 강도 데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 구비되는 유무선 통신 모듈부와, 상기 강도 산출부에서 산출된 강도 데이터를 표시하는 디스플레이부, 및 상기 장치 하우징에 구비되며, 상기 압전 소자의 위치 정보를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 구성되는 GPS 모듈부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 장치.
- 삭제
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200125670A KR102256047B1 (ko) | 2020-09-28 | 2020-09-28 | 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링을 위한 강도신호 측정 방법 및 강도신호 측정 장치 |
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|---|---|---|---|---|
| KR102409861B1 (ko) * | 2021-11-11 | 2022-06-17 | 에코엔텍 주식회사 | 수화반응물질 구조체의 강도 모니터링 장치 및 이를 이용한 강도 모니터링 방법 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022065595A1 (ko) | 2022-03-31 |
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