JP4461299B2 - 埋設深さ測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、埋設深さ測定装置に係り、特に、コンクリート構造物の鉄筋のかぶり深さを非破壊検査により効率的に測定することができる埋設深さ測定装置に関する。

従来、コンクリート構造物の鉄筋かぶり深さなど、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。

第１の電磁波レーダ法は、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、かぶり深さを測定する方法であるが、かぶり深さを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または推定する必要がある。電磁波の伝播速度の推定は、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。すなわち、送受信アンテナが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、かぶり深さの測定値にも誤差を生じる欠点がある。

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かぶり深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にかぶり深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、やはりかぶり深さの充分な測定精度が得られない。しかも、「電磁波レーダ法」と同様に、超音波の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。

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、鉄筋のかぶり深さを測定する方法である。一般的に、鉄筋径が既知の場合にかぶり深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、鉄筋径とかぶり深さとの双方を推定する必要が生じ、かぶり深さの充分な測定精度が得られなくなる欠点がある。

さらに、Ｘ線透過撮影法は、Ｘ線源を移動させて複数の方向から対象物を撮像し、得られた透過映像を元に幾何学的関係から鉄筋のかぶり深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、かぶり深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かぶり深さ方向の分解能は高くならない。

そこで、本願出願人は、送信アンテナに対して距離を異ならせて２つの受信アンテナを配置し、これら２つの受信アンテナが受信した反射波に基づいて、鉄筋コンクリート中における電磁波の伝播速度を推定することなく鉄筋のかぶり深さを測定できる装置を開発した（特許文献１）。
特開２００４−１３２７４４号公報

しかし、特許文献１に記載の装置は、１つの送信アンテナが送信した電波を配置距離の異なる２つの受信アンテナによって受信するため、送信アンテナと２つの受信アンテナとを一体に移動させて走査させたとしても、２つの受信アンテナ間における実質的な走査（移動）距離が異なり、別々の演算処理を必要とし、演算が２度手間となる。また、２つの受信アンテナの受信した反射波に基づく画像を同一の画面において上下に表示した場合に、実質的な走査距離が異なるため、同一の鉄筋からの反射波に基づく像の位置が走査方向において異なる位置に表示される。このため、同一の鉄筋からの反射波による２つの像を上下に配置して表示した場合に、測定者が異なったものであると勘違いしやすく、また鉄筋が比較的密に配置されている場合や、鉄筋の近くに電磁波の反射体が存在する場合、２つの受信アンテナが受信した反射波による像が同一の鉄筋によるものであるか否かの判別が困難になることがある。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、演算の２度手間を避けられるようにすることを目的としている。

また、本発明は、２つの受信アンテナが受信した同一の埋設物からの反射波による像を、同じ走査距離の位置に表示できるようにすることなどを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る埋設深さ測定装置は、送信波を送信する第１送信部と反射波を受信する第１受信部とからなる第１送受信ユニットと、送信波を送信する第２送信部と反射波を受信する第２受信部とからなり、前記第２送信部と前記第２受信部との間隔が前記第１送信部と前記第１受信部との間隔と異なり、中心を前記第１送受信ユニットの中心と一致させた第２送受信ユニットと、前記第１送受信ユニットと前記第２送受信ユニットとを一体に移動させるユニット支持部と、前記第１送受信ユニットと前記第２送受信ユニットとを切り替えて送受信を行なわせる切替え部と、前記各受信部の出力信号に基づいて、前記各送信部の送信した送信波に対応する前記受信部の受信した反射波を求める信号処理部と、前記信号処理部が求めた前記各受信部が受信した反射波の強さに基づいて、埋設物の深さおよび検査媒体中の前記送信波の伝播速度を求める演算部と、前記演算部の演算結果を表示する表示部と、を有することを特徴としている。

前記演算部は、前記第１送信部が送信した前記送信波の反射波を受信して前記第１受信部が出力する信号列と、前記第２送信部が送信した前記送信波の反射波を受信して前記第２受信部が出力する信号列とに基づいて、埋設物頂部のかぶり深さを求めるようにできる。

このようになっている本発明は、送信部と受信部とからなる中心を一致させた送受信ユニットを複数組、例えば２組設け、これらを一体に移動させて走査することにより、各送受信ユニットの走査距離を同じにすることができる。したがって、各送受信ユニットにおいて受信した反射波に基づく埋設物の深さを求める演算を簡素に行なうことができる。また、各送受信ユニットから得られた反射波による像を上下方向に並べて表示した場合に、同じ埋設物からの反射波による像を、同じ走査距離の位置に表示することができ、測定者の判断を容易にし、複数の埋設物が近接して存在している場合であっても、個々の埋設物を容易に判別、認識することができる。また、埋設物頂部のかぶり深さを求めるようにすると、例えばコンクリート構造物の寿命を左右する鉄筋のかぶり深さを容易に求めることができる。

本発明に係る埋設深さ測定装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。なお、以下の実施形態においては、コンクリート構造物の鉄筋のかぶり深さの測定を例にして説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る埋設深さ測定装置の説明図である。この深さ測定装置１０は、コンクリート構造物１２の表面を走査させる送受信部１４と、送受信部１４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１６と、レーダ回路部１６を制御するとともに、反射波に基づいて鉄筋（埋設物）１８の深さ、すなわちかぶり深さを求める演算制御部２０と、演算制御部２０の求めた埋設深さを表示する表示部２２とを有している。

前記送受信部１４は、２組の送受信ユニットから構成してあり、４素子のアンテナが矢印によって示した走査方向２４に沿って直線状に配設してある。すなわち、送受信部１４は、走査方向２４に沿った中央部に、第１送受信ユニット２６が配置してある。第１送受信ユニット２６は、第１送信部である第１送信アンテナ２８Ａと、第１受信部である第１受信アンテナ２８Ｂとからなり、これらが相互に接するように近接配置してある。

一方、第２送受信ユニット３０は、第２送信部である第２送信アンテナ３２Ａと第２受信部である第２受信アンテナ３２Ｂとからなっていて、第１送受信ユニット２６を挟むように構成してある。すなわち、第２送受信ユニット３０は、第２送信アンテナ３２Ａが図１において第１送信アンテナ２８Ａの左側に、第２受信アンテナ３２Ｂが第１受信アンテナ２８Ｂの右側に配置してある。そして、実施形態の場合、第２送信アンテナ３２Ａと第１送信アンテナ２８Ａとの距離と、第１受信アンテナ２８Ｂと第２受信アンテナ３２Ｂとの距離が等しくなっている。このため、第１送受信ユニット２６と第２送受信ユニット３０との中心が一致している。

これらの第１送受信ユニット２６と第２送受信ユニット３０とは、走行台車からなるユニット支持部３４に取り付けてある。ユニット支持部３４は、距離センサ３６が設けてある。距離センサ３６は、送受信部１４を図示しない基準点から走査線に沿って走行させた距離を検出し、演算制御部２０に入力する。

レーダ回路部１６には、図１に示しているように、送信機３８、受信機４０、切替え部４２が設けてある。切替え部４２は、一対のアンテナ切替え器４４、４６から構成してある。一方のアンテナ切替え器４４は、第１送信アンテナ２８Ａ、第２送信アンテナ３２Ａと送信機３８との間に設けてあり、第１送信アンテナ２８Ａと第２送信アンテナ３２Ａとを切り替えて送信機３８に接続する。他方のアンテナ切替え器４６は、受信機４０と第１受信アンテナ２８Ｂ、第２受信アンテナ３２Ｂとの間に設けてあり、第１受信アンテナ２８Ｂと第２受信アンテナ３２Ｂとを切り替えて受信機４０に接続する。送信機３８は、電波からなる送信波を生成してアンテナ切替え器４４を介して送信アンテナ２８Ａ、３２Ａに供給する。受信機４０は、受信アンテナ２８Ｂ、３２Ｂで受信した鉄筋１８からの反射波（エコー）を復調する。

演算制御部２０は、レーダ制御部４８、信号処理部５０、演算部５２、メモリ５４を備えている。レーダ制御部４８は、所定時間ごとに送信機３８を駆動して送信波を出力させるとともに、切替え部４２を切り替え制御して、第１送信アンテナ２８Ａと第２送信アンテナ３２Ａとを切り替えて送信機３８に接続するとともに、これに同期して第１受信アンテナ２８Ｂと第２受信アンテナ３２Ｂとを切り替えて受信機４０に接続する。このレーダ制御部４８が出力する送信機３８の駆動信号、切替え部４２の切替え制御信号は、信号処理部５０にも与えられる。

信号処理部５０は、受信機４０の出力信号に基づいて、反射波の強度に応じた信号を演算部５２に入力する。演算部５２は、送受信部１４に設けた距離センサ３６の出力信号が入力するようになっていて、距離センサ３６と信号処理部５０の出力信号とを対応させてメモリ５４に書き込むとともに、詳細を後述するように、鉄筋１８からの反射波による像を生成し、また鉄筋１８のかぶり深さを演算して表示部２２に出力して表示し、メモリ５４に書き込む。

このようになっている深さ測定装置１０による鉄筋１８のかぶり深さの測定は次のように行う。
最初に鉄筋１８の水平位置を求める手段について記す。コンクリート構造物１２の表面を鉄筋１８の軸線と直交させて送受信部１４を走査させる。そして、走査線上の各位置におけて、第１送信アンテナ２８Ａ、第２送信アンテナ３２Ａを切り替えて送信機３８に接続し、これに同期して第１受信アンテナ２８Ｂ、第２受信アンテナ３２Ｂを切り替えて受信機４０に接続し、第１受信アンテナ２８Ｂと第２受信アンテナ３２Ｂとの受信データを、演算制御部２０の信号処理部５０において連続的に収集し、演算部５２に送出する。演算部５２は、信号処理部５０の出力する受信データを距離センサ３６の出力する走査基点からの走査距離信号とともにメモリ５４に書き込む。さらに、演算部５２は、信号処理部５０と距離センサ３６とから入力したデータに基づいて、コンクリート構造物１２のＢモードの像（垂直断面像）を生成し、表示部２２に表示するとともに、メモリ５４に書き込む。

第１受信アンテナ２８Ｂの受信した鉄筋１８からの反射波によるＢモードの像は、図２に示すように、三日月状（逆双曲線パターン）の反射像５６として表示される。同様に、第２受信アンテナ３２Ｂの受信した鉄筋１８からの反射波によるＢモードの像は、図３に示すように、三日月状の反射像５８として表示される。表示部２２は、実施形態の場合、第１送受信ユニット２６により得られた反射像５６と、第２送受信ユニット３０により得られた反射像５８とを上下に並べて表示するようになっている。第１送受信ユニット２６の第１受信アンテナ２８Ｂの受信データによる反射像５６と、第２送受信ユニット３０の第２受信アンテナ３２Ｂの受信データによる反射像５８とは、それぞれに対応して送信アンテナ２８Ａ、３２Ａが設けられて一体に移動させられるため、各送信アンテナ２８Ａ、３２Ａの送信波６０、６２の同一の鉄筋１８からの反射像５６、５８が同じ走行（走査）距離Ｌｘの位置に表示される。

これらの反射像５６、５８において、鉄筋１８の頂部からの反射波６４、６６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（Ｐ１、Ｐ２）のデータが得られたときが、送信アンテナ、受信アンテナの中間点が鉄筋１８の真上となることから、鉄筋１８の水平位置が特定できる。これは距離センサ３６により走査起点から移動距離（走査距離）をカウントしておくことにより、走査起点からの距離Ｌｘとして算出すればよい。鉄筋１８からの反射波の波形データ（Ａモード）６８は、図４に示したようになる。したがって、演算部５２は、鉄筋１８の頂部Ｐからの反射波がアンテナの回り込み波を除けば最大となるので、信号処理部５０から入力する反射強度（エコー強度）の受信データを比較することにより、鉄筋頂部Ｐからの反射時間（送信アンテナが送信波を送信してから受信アンテナが反射を受信するまでの時間）を容易に自動計算することができる。この結果、図５に示したような判定結果の図が得られる。

演算部５２は、上記のようにして第１送受信ユニット２６による鉄筋頂部による反射時間２ｔ_aと、第２送受信ユニット３０による鉄筋頂部による反射時間２ｔ_bを求めると、次のようにして鉄筋１８の頂部Ｐの深さ（鉄筋かぶり深さ）ｄが求まる。

第１送受信ユニット２６の第１送信アンテナ２８Ａと第１受信アンテナ２８Ｂとの中心間距離を２ｘ_a、第２送受信ユニット３０の第２送信アンテナ３２Ａと第２受信アンテナ３２Ｂとの中心間距離を２ｘ_bとする（図２、図３参照）。また、第１送受信ユニット２６の中心が鉄筋１８の真上にある場合、第１送信アンテナ２８Ａの中心と鉄筋１８の頂部Ｐとの距離をＳ_aとし、第２送受信ユニット３０の中心が鉄筋１８の真上にある場合、第２送信アンテナ３２Ａの中心と鉄筋１８の頂部Ｐとの距離をＳ_bとする。

このとき、送信アンテナが送信した送信波が鉄筋頂部で反射されて受信アンテナで受信されるまでの時間（反射時間）２ｔ_aとｘ_a、Ｓ_aとの間、および反射時間２ｔ_bとｘ_b、Ｓ_bとの間には、コンクリート構造物１２中の電波（送信波）の伝播速度をｖ、鉄筋１８の頂部Ｐの深さをｄとした場合、次の数式１、数式２の関係がある。

電波の伝播速度ｖは、媒質（コンクリート構造物１２）の比誘電率に依存する。しかし、コンクリート構造物１２の比誘電率は、コンクリート構造物１２を構成している骨材の種類や量、含水量などによって異なるため、一般に知ることができない。そこで、上記の数式１、数式２を連立方程式として解くことにより、深さ（鉄筋かぶり深さ）ｄを求める。この実施形態においては、図６に示した手順によって深さｄの近似値を求めるようにしている。

まず、数式１において、ｄ＝ｄ_０＝０と仮定し、電波のコンクリート構造物１２中における仮の伝播速度ｖ´を求める（ステップ１００）。すなわち、

を演算する。

次に、数式４として求めた仮の伝播速度ｖ´を数式２に代入して深さｄ（＝ｄ_n）を演算する（ステップ１０２）。

次に、数式８に示す収束条件を満足しているか否かを判断する（ステップ１０４）。この場合、ｄ_n−１＝ｄ_０＝０であり、ｄ_nは数式７によって求めた値である。また、δは、深さｄをどの程度の精度まで求めるかによって異なり、例えば深さｄをｍｍの精度まで求めたい場合、δ＝０．１ｍｍとする。

演算部５２は、ステップ１０４において収束条件を満足していない場合、数式１に数式７によって求めたｄ_nを代入し、再び伝播速度ｖ´を演算する（ステップ１０６）。

さらに、ステップ１０６からステップ１０２に戻り、数式９によって求めた伝播速度ｖ´を数式２に代入してｄ_nを算出し、ステップ１０４の収束条件を満足しているか否かを判断する。収束条件が満足されていない場合、ステップ１０２からステップ１０６までの処理が収束条件を満足するまで繰り返される。演算部５２は、上記のようにして収束条件が満足されると、鉄筋１８のかぶり深さｄ、コンクリート構造物１２中の電波の伝播速度ｖをメモリ５４に書き込むとともに、表示部２２に出力する（ステップ１０８）。

なお、演算部５２は、上記のようにして求めた電磁波の速度ｖを用いて、必要に応じてコンクリートの比誘電率εを求めて出力する。すなわち、媒質中の電磁波の伝播速度ｖは、

のように求めることができる。ただし、ｃは真空中における光の速度、ε_ｒはコンクリートの比誘電率、μ_ｒはコンクリートの比透磁率である。したがって、コンクリート構造物１２の比誘電率ε_ｒは、コンクリートの比透磁率μ_ｒがほぼ１であるので、

のように求めることができる。

このように、実施形態の深さ測定装置１０によれば、２組の送受信ユニット２６、３０を一体に移動させて走査することにより、２つのユニット間における走査距離に相違を生ずることがなく、演算の２度手間をなくすことができる。このため、表示部２２の表示画面に表示された反射像５６または反射像５８のいずれかに、マウスのポインタを合わせてクリックするだけで鉄筋１８のかぶり深さｄを求めることができる。しかも、２つの反射像５６、５８は、表示部２２に上下に並べて表示させた場合に、上下の対応した位置に表示されるため、電磁波を反射させるものが複数近接して存在していたとしても、測定者が対象となる鉄筋を容易に判別、認識することができる。

なお、前記実施形態においては、送信波として電磁波を用いた場合について説明したが、超音波を送信波に使用してもよい。また、前記実施形態においては、鉄筋１８の深さを測定する場合について説明したが、配管などの他の埋設物の深さを測定する場合にも適用することができる。そして、送信アンテナと受信アンテナとの距離を変えられるようにすることにより、送信アンテナから受信アンテナに直接回り込む電波やコンクリート構造物１２の表面で反射した電波の影響を小さくすることができ、種々の深さの埋設物を測定することができる。

さらに、前記実施形態においては、送受信部１４を構成している４素子のアンテナを走査方向２４に沿って直線状に配置した場合について説明したが、他の配置であってもよい。例えば、図７に示したように、第１送信アンテナ２８Ａ、第１受信アンテナ２８Ｂ、第２送信アンテナ３２Ａ、第２受信アンテナ３２Ｂを走査方向２４と直交させて配置してもよい。このようなアンテナの配置をとると、鉄筋１８の近傍に電波の反射体が存在していても、鉄筋１８を確実に検出することができる。また、図８に示したように各アンテナを配置してもよいし、十字形をなすように各アンテナを配置してもよい。

本発明の実施形態に係る埋設物深さ測定装置の説明図である。 実施形態に係る第１送受信ユニットによる反射像を説明する図である。 実施形態に係る第２送受信ユニットによる反射像を説明する図である。 実施形態の鉄筋の頂部からの反射時間を求める方法の説明図である。 実施形態に係る埋設物深さ測定装置による判定結果の図である。 実施形態の鉄筋頂部の深さを求める方法を説明するフローチャートである。 送受信部の他の実施形態を示したもので、各アンテナを走査方向に直交させて配置した例の説明図である。 送受信部のさらに他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１０………深さ測定装置、１２………コンクリート構造物、１４………送受信部、１６………レーダ回路部、１８………埋設物（鉄筋）、２０………演制御算部、２２………表示部、２６………第１送受信ユニット、２８Ａ………第１送信部（第１送信アンテナ）、２８Ｂ………第１受信部（第１受信アンテナ）、３０………第２送受信ユニット、３２Ａ………第２送信部（第２送信アンテナ）、３２Ｂ………第２受信部（第２受信アンテナ）、３４………ユニット支持部、３６………距離センサ、４２………切替え部、５０………信号処理部、５２………演算部、６０、６２………送信波、６４、６６………反射波。

Claims (2)

1. 送信波を送信する第１送信部と反射波を受信する第１受信部とからなる第１送受信ユニットと、
   送信波を送信する第２送信部と反射波を受信する第２受信部とからなり、前記第２送信部と前記第２受信部との間隔が前記第１送信部と前記第１受信部との間隔と異なり、中心を前記第１送受信ユニットの中心と一致させた第２送受信ユニットと、
   前記第１送受信ユニットと前記第２送受信ユニットとを一体に移動させるユニット支持部と、
   前記第１送受信ユニットと前記第２送受信ユニットとを切り替えて送受信を行なわせる切替え部と、
   前記各受信部の出力信号に基づいて、前記各送信部の送信した送信波に対応する前記受信部の受信した反射波を求める信号処理部と、
   前記信号処理部が求めた前記各受信部が受信した反射波の強さに基づいて、埋設物の深さおよび検査媒体中の前記送信波の伝播速度を求める演算部と、
   前記演算部の演算結果を表示する表示部と、
   を有することを特徴とする埋設深さ測定装置。
2. 請求項１に記載の埋設深さ測定装置において、
   前記演算部は、前記第１送信部が送信した前記送信波の反射波を受信して前記第１受信部が出力する信号列と、前記第２送信部が送信した前記送信波の反射波を受信して前記第２受信部が出力する信号列とに基づいて、埋設物頂部のかぶり深さ求めることを特徴とする埋設深さ測定装置。

Images