KR20130005199U - 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 내부결함 비파괴 검사장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 내부결함 비파괴 검사장치에 관한 것이다. 본 고안의 주요 구성은, 콘크리트 말뚝(1)의 튜브(4) 내에 투입되는 송수신프로브(2,3)와, 송,수신프로브(2,3)와 케이블(6)로 연결되는 도르레장치(40)와, 도르레장치(40)와 연결되는 드럼(30)과, 드럼(30)의 신호를 받는 본체(20)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 도르레장치(40)는, 케이블(6)을 지지하여 회전하는 롤러(41)와, 레모컨트롤러(44)를 포함하며, 상기 케이블(6)은 도르레장치(40)와 송수신프로브(2,3)와 연결하는 송,수신케이블(42,43)을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 드럼(30)은 드럼컨트롤러(31)를 포함하여 수신된 데이터를 본체(20)와 지그비 무선 통신하는 것을 특징으로 하며, 상기 본체(20)는 토모(TOMO)그래프로 화면을 디스플레이하는 것을 특징으로 하며, 상기 본체(20)는 메인보드(arm-300MHz), 파워보드, 인터페이스보드, 지그비 RF 무선보드를 포함하는 메인 콘트롤러를 갖추고 있으며, 드럼(30)과 레모 콘트롤러(44)를 제어 및 데이터를 확인하도록 구성되며, 콘크리트 말둑(1)의 정보를 3 차원 화면으로 디스플레이하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 내부결함 비파괴 검사장치{Nondestructive inspecting apparatus of inner defect of concret structure using ultrasonic}

본 고안은 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 내부결함 비파괴 검사장치에 관한 것이다.

예를들어, 송수신 브로브를 사용하여 약 100미터 정도 되는 말뚝의 내부 콘크리트 내의 균질성에 결함이 있는지 여부를 검사하는 비파괴 결함 검사 장치에 관한 것이다. 콘크리트의 결함여부 및 강도는 초음파 속도로써 측정할 수 있는데, 초음파를 대상물에 입사시켜 그 반사파의 세기 및 위치 등을 측정하여 손상 유무와 치수 등을 탐지하는 방법이다.

[문헌1] 특허등록 10-0478105 호(2005. 03. 11)

[문헌2] 특허등록 10-0439334 호(2004. 06. 28)

[문헌3] 특허등록 10-0685178 호(2007. 02. 14)

[문헌4] 특허등록 10-0769627 호(2007. 10. 17)

초음파를 이용한 비파괴 검사는 초음파를 대상물에 입사시켜 그 반사파의 세기 및 위치 등을 측정하여 손상유무와 치수 등을 탐지하는 방법으로 각종 교량과 토목 구조물의 건설 및 유지보수의 정밀 진단뿐 아니라 모든 산업설비, 교량, 터널, 항만, 수리시설 토목 건축구조물 부품 소재 등에 까지 광범위하게 적용된다.

예를들어, 현장 타설 말뚝, 케이선의 격벽, 또는 덩어리 콘크리트체의 시공 상태와 콘크리트 내부 결함 및 건전도, 위치별 콘크리트의 강도를 초음파로 측정 가능하다.

본 고안은 콘크리트 내의 초음파는 90KHz의 주파수에서 약 3,500-4,000m/sec의 전파속도를 가지는 것을 응용하여 콘크리트 내의 이질적 재료 예컨대 진흙, 모래, 슬라임, 재료분리, 공극 등을 찾아내는 콘크리트 비파괴 장치이다.

결함 없는 균일 콘크리트 내에서는 매설된 튜브의 간격이 파악되면 초음파의 정확한 속도는 튜브 간격을 전달시간으로 나눔으로써 구할 수 있다. 이는 콘크리트를 통과한 초음파의 속도들에 대한 비교개념으로 유용하게 쓰일 수 있다. 또한 이러한 자료들은 콘크리트의 탄성력과 밀도를 알 수 있는 중요한 자료가 되며 이 자료로써 콘크리트의 균질성을 유용하게 측정할 수 있는 것이다.

근래 해상 및 육상 구조물이 점차 대형화됨에 따라 구조물 기초의 깊이와 규모는 더욱 커지고 있는 추세로 이들을 지탱해 주는 말뚝들의 재하능력을 충족시키기 위하여는 구조물의 설계에서부터 대구경 현장타설 말뚝을 도입하고 있는 실정이다.

또한 지하 매립 콘트리트 말뚝일 경우, 콘크리트 말뚝 높이가 지상에서 2미터 이상 차이가 날 수 있어 사다리를 이용할 경우가 많아 현장검사가 어렵고 통신선인 케이블로 인해 불편하다.

또한 현장 여건상 사용되는 케이블의 열화 및 끊어짐으로 인한 초음파로 측정된 데이터 등의 자료들에 있어 불량이 발생하며, 현장 검사시 3 명 이상 인력이 필요한 단점이 있다.

또한 종래 초음파 비파괴 측정장비는 메인보드 등의 시스템이 외부 교류 전원이 필요하고 이로 인해 별도의 전원을 끌어 오거나 발전기가 필요하였으며, 또한 AC전원의 인터페이스 케이블로 부터 유입되는 외부노이즈 및 누전으로 인해 측정된 값이 노이즈가 유입될 여지가 있다.

또한 측정 장비인 본체 사이즈가 크고 무겁고, 통신케이블 및 개당 약 20키로그램 정도 케이블드럼 5 개 등 주변 장비의 대형으로 인해 현장으로의 운반 및 측정이동이 불편하다.

또한 종래 경우, 현장 측정의 결과를 아날로그 열사프린터로 출력하여 검수하고 단순저장하는 기능만 있어 재생 및 시뮬레이선의 어려움이 있다.

또한 종래 경우, 측정된 데이터는 단순화상처리만 하므로 콘크리트 건전성 평가하고 그 원인 분석하는데 상당한 어려움과 불편함이 뒤따랐다.

본 고안은 상기한 점을 감안하여 고안한 것으로, 시스템의 데이터 통신을 RF화 하여 무선화하여 인터페이스 케이블을 제거하고 전체적으로 소요되는 장비를 소형 저전력화 및 디지털화하였다.

본 고안에서는 본체와의 통신을 무선 통신으로 이루어지게 하되, 지그비(ZIGBEE)를 써서 무선화하였다.

참고로 와이파이는 통신데이타는 멀리 보내나 노이즈가 심한 단점이 있고 기지국이 필요한 단점이 있어 본 고안에 적용하기 어렵고, 불루투스는 직진성은 좋으나 멀리 가지 못하는 단점이 있다.

따라서 본 고안에서는 지그비를 무선통신수단으로 하였다. 지그비 통신방식은 와이파이 통신 방식에 비해 저전력이며 시스템 구성이 간단하고 방향성 범위는 좋으나 직진성이 약하다. 그러나 근거리에서는 직진성에 문제가 없는 바 이러한 점을 활용하였다. 지그비 통신은 노이즈가 적고 무난하며 대용량 데이터 통신이 가능하다.

한편 불루투스 방식은 수미터 내외 근거리 통신에 촛점을 맞추어져 있지만 본 고안의 장비의 특성상 불루투스보다 먼 거리 전송이 가능해야 하는 상황에 적합하지 않다. 또한 지그비 방식은 각 모듈들은 16비트 크기의 노드(node)로 연결할 수 있도록 노드간 통신전환과 채널 변경이 용의하고 그 전환 및 변환시간도 빨라서 지그비의 사용이 가장 적합한 것으로 판단되었다.

본 고안에서는 지그비 통신에 의한 시그널을 토머(그래프)로 변환토록 하되, 노이즈가 없어 깨끗한 그림을 그릴 수 도록 하였다. 참고로 와이파이통신을 사용하면 노이즈가 심해 그림을 그릴 수 없다.

그리고 본 고안에서 사용하는 지그비 통신에서는 송수신하는 데이타들이 많지 않고 무선 입장에서는 저속 통신이어서 확인신호를 이용하여, 송수신 확인 작업을 거쳐 데이타 손실이 발생시 다음 전송시 전송하는 시스템을 채택하였다.

본 고안의 주요 구성은, 콘크리트 말뚝(1)의 튜브(4) 내에 투입되는 송수신프로브(2,3)와, 송,수신프로브(2,3)와 케이블(6)로 연결되는 도르레장치(40)와, 도르레장치(40)와 연결되는 드럼(30)과, 드럼(30)의 신호를 받는 본체(20)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 도르레장치(40)는, 케이블(6)을 지지하여 회전하는 롤러(41)와, 레모컨트롤러(44)를 포함하며, 상기 케이블(6)은 도르레장치(40)와 송수신프로브(2,3)와 연결하는 송,수신케이블(42,43)을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 드럼(30)은 드럼컨트롤러(31)를 포함하여 수신된 데이터를 본체(20)와 지그비 무선 통신하는 것을 특징으로 하며, 상기 본체(20)는 토모(TOMO)그래프로 화면을 디스플레이하는 것을 특징으로 하며, 상기 본체(20)는 메인보드(arm-300MHz), 파워보드, 인터페이스보드, 지그비 RF 무선보드를 포함하는 메인 콘트롤러를 갖추고 있으며, 드럼(30)과 레모 콘트롤러(44)를 제어 및 데이터를 확인하도록 구성되며, 콘크리트 말둑(1)의 정보를 3 차원 화면으로 디스플레이하는 것을 특징으로 으로 하며, 상기 드럼콘트롤러(31)는 취득한 데이타를 본체(20)에 무선으로 전송토록 하되, 확인신호를 이용하여 송수신을 확인하여, 테이터 손실이 발생시 다음 전송시 재전송하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

본 고안에 의하면, 대형 콘크리트 구조물 비파괴 검사시, 디지털화로 인해 건설구조물의 안전 진단 정량화 할 수 있어 안전 향상에 기여할 수 있다.

또한 종래 유선검사 시스템은 설치 및 검사가 어려우나 본 고안은 본체와의 통신을 무선화로 인해, 검사시간을 30% 단축가능하고, 현장 검사 인력을 3 명에서 2 명으로 줄일 수 있어, 현장 인건비 및 재하시험 비용을 현저히 절감하여 생산성 향상에 기여할 수 있다.

또한 본 고안에 의하면, 측정된 데이터의 본체 화면의 선명도가 높고 노이즈가 거의 없으며, 디지털화로 인해, 종래의 아날로그 열전사 프린터가 불필요하고 터치스크린을 통한 디지털 서명 가능하고, 측정 자료의 저장 및 재사용이 가능하다.

또한 종래 경우 본체에서 디스플레이되는 화면은 단순 화상처리만되므로 콘크리트 건전성을 평가하고 그 원인 분석하는데 어려움과 불편함이 뒤따랐으나, 본 고안에 의하면, 취득된 모든 자료들을 데인터 베이스화하여 정량적이고 정교하게 분석하여 결함 유무 손상 정도 등 다양한 자료들을 제공하고 판단할 수 있다.

또한 본 고안은 전원을 AC에서 DC로 변환 가능하여 저전력 설계가 가능하여 장비들의 부피와 무게를 줄이고 소형화할 수 있어 이동의 편의성과 사용의 편의성을 높였다.

또한 본 고안에 의하면 송,수신선을 위한 드럼을 제외하고, 나머지 시그널드럼 및 이를 위한 케이블을 제거 가능하다.

도 1 은 본 고안에 따른 장치의 시스템을 설명하기 위한 도면
도 2 는 본 고안의 장치들 구성을 설명하기 위한 도면
도 3 은 본 고안에서 사용되는 기본적인 장비를 예시하는 도면
도 4 는 본체에서 보여주는 측정결과에 대한 토모그래프를 예시하는 도면
도 5 는 초음파로 측정된 결과를 본체에서 3차원적으로 보여주는 화면을 예시하는 도면
도 6 은 종래의 장치에 의해 측정된 초음파를 화면으로 예시하는 도면
도 7 은 본 고안에 따른 본체에서 보여주는 초음파 측정 결과를 보여주는 측정화면으로, 노이즈가 없고 화면이 선명한 상태를 보여 주고 있는 도면이다
도 8 은 도 1 의 송,수신프로브에 대한 다른 실시 예

근거리 무선통신 방법 중 블루투스는 거리가 짧고, 와이파이는 대역폭은 넓으나 헤비하다. 와이파이는 전파나 적외선 전송 방식을 이용하는 근거리 통신망으로 보통 '무선 랜(LAN)'이라고 한다. 그러나 무선통신은 노이즈에 노출되어 노이즈 간섭이 문제가 되는 바, 와이파이는 노이즈에 취약하기 때문에 본 고안에서는 지그비를 사용하여 이러한 노이즈를 줄일 수 있도록 하였다.

지그비(zigbee)는 근거리 통신을 지원하는 IEEE 802.15.4 표준 중 하나를 말한다. 가정이나 사무실 등의 무선 네트워킹 분야에서 10∼20m 내외의 근거리 통신과 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 기술이다. 즉, 지그비는 휴대전화나 무선LAN의 개념으로, 기존의 기술과 다른 특징은 전력소모를 최소화하는 대신 소량의 정보를 소통시키는 개념으로, 지능형 홈네트워크, 빌딩 등의 근거리 통신 시장과 산업용기기 자동화, 물류, 환경 모니터링, 휴먼 인터페이스, 텔레매틱스, 군사 등에 활용된다. 작은 크기로 전력 소모량이 적고 값이 저렴하여 홈네트워크 등 유비쿼터스 구축 솔루션으로 최근 각광받고 있다.

본 고안에서는 이러한 지그비의 장점을 이용하여 지그비의 무선 시그널을 토머로 전환하여 토머그래프로 그려 낼 수 있도록 하였다. 무선에서 통신량이 많은 고용량 데이터를 전송할려면 토머로 전환함이 노이즈가 없는 깨끗한 토머(TOMO) 그래프로 출력해 내는데 유리하다.

이하, 본 고안을 첨부 도면에 의거 상술한다.

도 1 에서 보듯이, 콘크리트말뚝(1)을 예를들어, 암반 등으로 이루어지는 지면(10)에 박아 설치된 곳에서, 송,수신프로브(2,3)를 콘크리트 말뚝(1) 내에 설치한다. 이 경우, 콘크리트 말뚝(1) 제조시 내부에 미리 금속 재질의 튜브(4)가 심어진 상태로 제조된다.

프로브에 의한 측정시, 튜브(4)에 물을 채운 후, 케이블(6)이 연결된 송,수신프로브(2,3)를 투입한 후, 예를들어 1.25 내지 5 센치미터에 1 번씩 상승시키면서 측정한다.

튜브(4)는 가능한 직경을 작게, 예를들어 직경이 약 50mm 정도 제작한다. 초음파 신호를 발생하는 발신부 이를 감지하는 수신부로 구성되는 송수신 초음파 센서인 송,수신프로브(2,3)는 직경이 예를들어 약 30mm정도이다.

그리고 튜브(4) 내에 물을 채우는 이유는 노이즈를 없애고 통신 속도를 높이기 위한 것으로, 물 매질은 초음파 통과 속도가 빨라 전달에너지가 적게 소요되기 때문이다.

송,수신프로브(2,3) 내에는 센서가 내장되며 상호 데이터를 서로 주고 받으며 일정 간격마다 상승시키면서 측정한다.

즉, 송신프로브(2)는 본체(20)의 신호를 받아 프로브 내부에 적층된 압전소자에서 90KHz의 초음파를 발생시켜 콘크리트 말뚝(1) 파일의 건전도를 테스트하는 발신용 프로브로, 예를들어 4 개의 수신 프로브(3)는 2 개의 송신프로브(2)로부터 출력되어 콘크리트 말둑(1) 내부에 통과한 초음파신호를 수신하여 수신된 신호를 증폭하여 본체(20)로 전송한다.

도 8 은 송,수신프로브(2,3)에 대한 다른 실시 예이다.

도시한 바와 같이, 본 실시 예에서는 송,수신프로브(2,3)가 튜브(4) 내에서 승하강 가능하게 구성된다.

송,수신프로브(2,3) 사방에 바퀴(50)를 달아 자체 승강 가능하게 하도록 하였다. 바퀴(50)가 자체 승하강하기 위하여는 송,수신프로브(2,3) 자체에 소형 모터와 구동장치가 갖추어야 함은 물론이다.

한편, 송,수신프로브(2,3)의 후단부는 케이블(6)에 의해 연결되어 도르레장치(40)를 경유하여 케이블 드럼(30)과 연결된다.

도르레장치(40)는 드럼(30)에 형성된 드럼보드와 무선 통신하도록 구성되어 있어서, 송,수신프로브(2,3)에 의하여 측정된 깊이 정보를 전달한다. 그 측정깊이 전달 방법은, 다음과 같다.

도르레장치(40)가 도 1 및 도 2 에서 보듯이, 송수신프로브(2,3)와 연결된 발,수신 케이블(42,43)을 당기면, 도 3 에서 보듯이, 2 개의 홈으로 이루어진 케이블을 가이드하는 도르레의 롤러(41)가 돌아가는데, 그 도르레의 롤러(41)가 돌아가는 것을 도르레 측면에 설치한 근접센서가 신호를 감지하여, 도 3 에 도시한 도르레장치(40)의 레모컨트롤러(44)로 전송한다. 레모컨트롤러(44)는 근접센서로부터 감지한 신호를 트리거 신호로 변환한 후 이를 드럼(30)에 장착된 드럼컨트롤러(31)로 전송하고 이를 최종 본체(20)에 무선으로 송신한다.

상기 도르레장치(40)는 전원보드, 도르레보드, MCU보드, RF보드를 포함하며, 드럼(30)은 드럼에 장착된 드럼콘트롤러(31)를 포함하며, 드럼콘트롤러(31)는 센서를 포함하여, 발신단에서 초음판 발생 및 수신단에서 수신하는 드럼보드, MCU 보드, RF 보드를 포함하여, 취득한 데이타를 본체(20)에 무선으로 전송한다.

이 경우 드럼(30)의 발신부에서 신호크기를 크게 하여 보낼 수 있다. 따라서 송수신을 멀리 보낼 수 있고 수신부에서 미약한 신호도 잡을 수 있다.

또한 1차로 본체(20)에 무선 데이터를 보냈으나 만약 본체(20)에서 받지 못하면 2 차로 데이터를 보낼 수 있다. 본체(20)에 수신된 데이터는 모니터에 도트로 토머 그래프로 그려내어질 수 있다.

본체(20)의 메인 콘트롤러는 메인보드(arm-300MHz), 파워보드, 인터페이스보드, 지그비 RF 무선보드를 포함하여, 드럼(30)과 레모 콘트롤러(44)를 제어 및 데이터를 확인한다.

도 3 은 본 고안에 따른 주요 장치들을 모아서 도시한 것으로, 레모콘크롤러(44)가 장착된 도르레장치(40)와, 이와 연결되며 드럼콘트롤러(31)를 갖춘 드럼(30)과, 본체(20)와, 그리고 또 다른 케이블 드럼(30)을 예시하고 있다.

도 4 는 본체(20)에서 디스플레이된 토모그래프를 예시하는 화면이다.

본체(20)에 수신된 데이터는 모니터에 도트로 토머 그래프로 그려내어질 수 있다.

도 5 는 본체(20)에서 콘크리트말둑(1)의 파일을 측정하여 삼차원적으로 분석한 화면을 예시적으로 보여주고 있다.

도 6 은 참고로 종래의 본체에서 디스플레이된 측정 화면을 예시하고 있으며, 도 7 은 본 고안에 의하여 본체(20)에서 디스플레이된 측정화면을 예시하고 있다.

도시한 바와 같이 종래 장치의 본체 화면에 도시한 화면 보다 본 고안에 따른 초음파 측정결과 화면이 노이즈가 없이 더욱 선명하게 나타내어졌다.

2,3 송,수신프로브 4 튜브
6 케이블 20 본체
30 드럼 31 드럼컨트롤러
40 도르레장치 41 롤러
42,43 발,수신케이블 44 레모콘트롤러
50 바퀴

Claims (1)

1. 콘크리트 말뚝(1)의 튜브(4) 내에 투입되는 송수신프로브(2,3)와,
   송,수신프로브(2,3)와 케이블(6)로 연결되는 도르레장치(40)와,
   도르레장치(40)와 연결되며, 드럼콘트롤러(31)를 포함하여 상기 송,수신프로브(2,3) 및 도르레장치(40)로 부터의 데이터를 수신하여 무선통신하는 드럼(30)과,
   상기 드럼(30)의 콘트롤러(31)로 부터 신호를 받으며 지그비 무선통신하는 본체(20)를 포함하되,
   상기 도르레장치(40)는, 케이블(6)을 지지하여 회전하는 롤러(41)와, 레모컨트롤러(44)를 포함하며, 상기 케이블(6)은 도르레장치(40)와 송수신프로브(2,3)와 연결하는 송,수신케이블(42,43)을 포함하며,
   상기 도르레장치(40)는 롤러(41)가 돌아가는 것을 도르레 장치 측면에 설치한 근접센서가 신호를 감지하여, 도르레장치(40)의 레모컨트롤러(44)로 전송하고, 레모컨트롤러(44)는 근접센서로부터 감지한 신호를 트리거 신호로 변환한 후 이를 드럼(30)에 장착된 드럼컨트롤러(31)로 전송하고 이를 최종 본체(20)에 무선으로 송신하도록 구성하며,
   상기 도르레장치(40)는 전원보드, 도르레보드, MCU보드, RF보드를 포함하며, 드럼(30)은 드럼에 장착된 드럼콘트롤러(31)를 포함하며, 드럼콘트롤러(31)는 센서를 포함하여 발신단에서 초음판 발생 및 수신단에서 수신하는 드럼보드, MCU 보드, RF 보드를 포함하여, 취득한 데이타를 본체(20)에 무선으로 전송토록 구성하며,
   상기 본체(20)는 무선 수신된 신호를 토머로 전환하여 토모(TOMO)그래프로 화면을 디스플레이 및 출력하도록 구성하며,
   상기 본체(20)는 메인보드(arm-300MHz), 파워보드, 인터페이스보드, 지그비 RF 무선보드를 포함하는 메인 콘트롤러를 갖추고 있으며, 드럼(30)과 레모 콘트롤러(44)를 제어 및 데이터를 확인하도록 구성되며, 콘크리트 말둑(1)의 정보를 3 차원 화면으로 디스플레이하도록 구성하며,
   상기 드럼콘트롤러(31)는 취득한 데이타를 본체(20)에 무선으로 전송토록 하되, 확인신호를 이용하여 송수신을 확인하여, 테이터 손실이 발생시 다음 전송시 재전송하도록 구성한 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 내부결함 비파괴 검사장치.

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