KR102125246B1 - 건축 구조물 부식 측정 센서 어셈블리 및 이를 이용한 부식 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 종래에 비해 높은 정확도로 건축 구조물 부식 측정 센서 및 이를 이용한 부식 측정 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명에서는, 절연체; 및 상기 절연체 외주를 둘러싸는 코일을 포함하여 이루어지는 와전류 센서를 포함하는 센서 어셈블리를 제공한다.
또 본 발명에서는 또한 아래와 같은 단계로 이루어지는 건축 구조물 부식 측정 방법을 제공한다.
센서 어셈블리를 건축 구조물 내부의 철근 옆에 철근과 나란히 인접시키는 단계; 상기 센서 어셈블리에 전압을 인가하는 단계; 상기 인접한 철근에 의한 와전류에 따른 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정을 일정 시간 간격으로 실시함으로써 전압의 변화를 측정하는 단계.
이를 위해 본 발명에서는, 절연체; 및 상기 절연체 외주를 둘러싸는 코일을 포함하여 이루어지는 와전류 센서를 포함하는 센서 어셈블리를 제공한다.
또 본 발명에서는 또한 아래와 같은 단계로 이루어지는 건축 구조물 부식 측정 방법을 제공한다.
센서 어셈블리를 건축 구조물 내부의 철근 옆에 철근과 나란히 인접시키는 단계; 상기 센서 어셈블리에 전압을 인가하는 단계; 상기 인접한 철근에 의한 와전류에 따른 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정을 일정 시간 간격으로 실시함으로써 전압의 변화를 측정하는 단계.
Description
본 발명은 건축 구조물의 부식을 측정하기 센서 어셈블리 및 이를 이용한 부식 측정 방법에 대한 것이며, 보다 구체적으로는 간단한 구성으로도 종래보다 높은 정확도와 신뢰도로 부식을 측정할 수 있는 센서 어셈블리 및 이를 이용한 부식 측정 방법에 대한 것이다.
건축 구조물의 내부 부식 정도를 파악하여 수명을 늘리는 것은 중요한 기술로 평가되어 연구되고 있다. 하지만, 실시간으로 건축 구조물의 수명을 판단하는 데에는 큰 어려움이 따른다. 건물을 파괴하지 않고서는 건축물 내부 철근의 부식정도를 파악하기 어렵기 때문에, 비파괴 검사와 같은 방법을 모니터링하는 방식이 요구되고 있다.
이를 위하여, 실제 건설 현장에서는 황산구리를 이용한 접촉형 전극을 사용하여 콘크리트 내부의 철근과의 전압을 비교 측정하는 방식을 사용하여 철근의 부식 정도를 파악하고 있다. 이 방식에서는 철근이 부식됨에 따라, 산화철이 형성되어 전기 전도도가 변하여 기준전극과의 전압 차이가 발생하게 된다. 따라서 이를 이용하여 외부에서 간접적으로 철근의 부식 여부를 파악하고 있다.
하지만 접촉형 전극의 경우 건축물 외부 콘크리트 표면에서 측정하기 때문에, 직접적인 측정이 불가능하고, 접촉시켜야 측정이 가능하기 때문에 그만큼 시간이 지연되므로 즉각적인 모니터링이 어렵다. 또한, 외부 온도 등의 상황에도 영향을 받을 수 있어 다양한 요소가 변수로 작용 할 수 있다.
본 발명은 종래에 비해 높은 정확도로 건축 구조물 부식 측정 센서 및 이를 이용한 부식 측정 방법을 제공한다.
또 본 발명은 사용 공간을 줄여 콘크리트 내부 공간 활용도를 높이고 건축 구조물의 안정성을 높일 수 있는 건축 구조물 부식 측정 센서 및 이를 이용한 부식 측정 방법을 제공한다.
또 본 발명은 하나의 센서가 오류를 나타내거나 고장이 났을 경우 다른 하나의 센서를 통해 오류를 판별하거나 보정하여 신뢰도를 높일 수 있는 건축 구조물 부식 측정 센서 및 이를 이용한 부식 측정 방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 아래와 같은 구성의 건축 구조물 부식 측정 센서 어셈블리를 제공한다.
절연체; 및
상기 절연체 외주를 둘러싸는 코일을 포함하여 이루어지는 와전류 센서를 포함하는 건축 구조물 부식 측정 센서 어셈블리.
상기 코일은 절연체 길이방향으로 밀착하여 감겨 있는 것이 바람직하다.
상기 절연체는 중공 절연체인 것이 바람직하다.
또 상기 중공 절연체에는 개방회로전압(OCP, Open Circuit Potential) 센서가 포함되는 것이 바람직하다.
상기 개방회로전압 센서는 상기 와전류 센서를 구성하는 중공 절연체의 중심부에 절연체 길이방향을 따라 배치되는 기준 전극으로서 형성된다.
센서 어셈블리는 철근 길이 방향으로 일정 간격을 두고 여러 개가 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 또한 아래와 같은 단계로 이루어지는 건축 구조물 부식 측정 방법을 제공한다.
센서 어셈블리를 건축 구조물 내부의 철근 옆에 철근과 나란히 인접시키는 단계;
상기 센서 어셈블리에 전압을 인가하는 단계;
상기 인접한 철근에 의한 와전류에 따른 전압을 측정하는 단계; 및
상기 측정을 일정 시간 간격으로 실시함으로써 전압의 변화를 측정하는 단계를 포함하는 건축 구조물 부식 측정 방법.
이때 센서 어셈블리는 와전류 센서이고, 개방회로전압 센서를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 외부에서 철근과 수직인 방향으로 부식을 측정하는 기존의 방식과는 달리 센서를 콘크리트 내부 철근 옆에 수평하게 위치시킨다. 그리고 센서 양단에 특정 주파수와 교류전압을 인가하고, 부식이 진행됨에 따라 변하는 철근의 조성에 의해 달라지는 와전류에 의한 전압 변화를 측정하는 방식으로 부식을 측정한다.
이때 와전류를 통해 변하는 전압과 개방회로를 통해 변하는 전압 두 가지를 측정하는 것이 더욱 바람직하며 이를 통해 철근의 부식 정도를 수치화할 수 있다.
한편 건축 구조물의 종류나 위치한 환경, 그리고 구조물에 사용되는 철근의 특성에 따라 센서 어셈블리에 사용되는 코일의 길이, 감은 수 등의 형태가 달라지며, 그에 맞춰서 센서의 규격을 달리한다.
코일에서 발생하는 자기장의 범위는 제한적이고 본 발명은 코일 측면의 와전류를 이용하는 것이기 때문에 철근과 코일의 거리는 가까울수록 유리하다.
환경에 맞춰진 센서는, 철근 부식이 진행됨에 따라 철근의 성분이 달라질 때 그에 따라 변하는 와전류와 전압을 측정한다.
또한 본 발명에서는 와전류 센서와 개방회로전압 센서를 결합하여 부식 측정의 정확도를 높일 수 있다. 또 하나의 센서가 오류를 범하더라도 다른 하나의 센서를 통해 측정값을 확보할 수 있어 안정된 측정을 유지할 수 있다.
또한 와전류 센서와 개방전압센서로 측정한 전압값을 조합하여 측정값의 신뢰도를 높일 수도 있다. 예를 들어 와전류 센서로 측정한 전압과 개방전압센서로 측정한 전압을 평균하여 최종 측정값으로 할 수도 있다. 또는 와전류 센서로 측정한 전압과 개방전압센서로 측정한 전압 중 어느 하나에 가중치를 부여하고 평균을 산출할 수도 있다.
한편 본 발명에서는 무선 네트워크를 사용하는 휴대기기 등의 장비를 센서 어셈블리와 통합하여 측정할 수 있어 이용의 확장성을 기대할 수 있다.
본 발명에 따르면 센서를 건축 구조물 내부에 위치시킴으로써, 전극을 통해 외부에서 측정하는 종래 방식보다 가까운 거리에서 부식을 측정하기 때문에 정확도가 높아진다.
또한 코일을 철근과 평행한 방향으로 위치시킴에 따라 수직 방향으로 위치시키는 것보다 사용 공간 규모를 크게 줄여 콘크리트 내부 공간 활용도와 건축 구조물의 안정성을 높일 수 있다.
또한 와전류를 통한 측정과 개방회로를 통한 측정 두 가지가 같이 이루어짐에 따라 측정의 정확도를 높일 수 있고, 하나의 센서가 오류를 나타내거나 고장이 났을 경우에도 작동이 보장됨에 따라 측정의 신뢰도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 센서 어셈블리가 건축 구조물 내에 배치된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 센서 어셈블리가 건축 구조물 내에 배치된 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에서 시간 변화에 따른 철근의 부식 상태를 보여주는 사진으로서, (a)는 29일째, (b)는 66일째 상태를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에서 시간에 따른 철근의 전압 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에서 철근과 센서와의 거리에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에서 함수 발생기에서 발생되는 주파수에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에서 코일을 2겹으로 감은 경우에 대해, 철근과의 거리에 따른 측정 전압을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에서 코일을 2겹으로 감은 경우에 대해, 주파수에 따른 측정 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 도 1의 센서 어셈블리가 건축 구조물 내에 배치된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 센서 어셈블리가 건축 구조물 내에 배치된 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에서 시간 변화에 따른 철근의 부식 상태를 보여주는 사진으로서, (a)는 29일째, (b)는 66일째 상태를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에서 시간에 따른 철근의 전압 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에서 철근과 센서와의 거리에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에서 함수 발생기에서 발생되는 주파수에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에서 코일을 2겹으로 감은 경우에 대해, 철근과의 거리에 따른 측정 전압을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에서 코일을 2겹으로 감은 경우에 대해, 주파수에 따른 측정 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 어셈블리를 나타내는 도면이다.
센서 어셈블리(100)는 절연체(110)와 코일(120)로 이루어지는 와전류 센서이다.
코일(120)은 중공 절연체(110) 외부에 감기어 있다. 코일(120)은 절연체 길이방향으로 밀착하여 촘촘히 감겨 있다.
중공 절연체(110)는 본 실시예에서 원통형이며 재질은 아크릴수지이다. 하지만 절연체로서 기능하는 것이면 재질이나 형상은 한정되지 않는다. 또 단면도 사각형일 수도 있다.
도 2는 도 1의 센서 어셈블리가 건축 구조물 내에 배치된 상태를 나타내는 도면이다.
센서 어셈블리(100)는 건축 구조물 내에서 철근(200)과 일정 간격을 두고 수평으로, 즉 나란하게 배치된다.
센서 어셈블리(100)는 철근(200)의 길이방향으로 적절한 개수로 배치될 수 있다. 각 센서 어셈블리(100)는 전선과 연결되어 있고 전선은 건축물 밖으로 인출된다.
한편 센서 어셈블리(100)는 도 3에 나타난 것처럼 와전류 센서(120)에 더해 개방회로전압 센서(130)를 포함하는 것이 바람직하다.
개방회로전압 센서(130)는 절연체(110) 내부 중앙에 위치되는 전극이다.
도 4는 도 3의 센서 어셈블리가 건축 구조물 내에 배치된 상태를 개념적으로 나타내는 도면이다.
이하 이러한 구성의 센서 어셈블리(100)를 이용한 건축 구조물의 부식 측정 방법에 대해 설명한다.
부식 측정은 실험실 내에서 철근을 수조에 담근 상태에서 일정 시간에 걸쳐 측정하는 방식으로 실제 상황을 시뮬레이션하여 측정하였다.
철근은 무게 86.55g, 직경 13mm, 길이 10cm 규격의 것을 대상으로 하였다.
와전류 센서를 구성하는 코일은 원형 중공 절연체 외주면(지름 15mm)에 굵기 0.32mm, 길이 8cm의 것을 2겹으로 감아서 실험하였다.
수조는 높이 4cm의 규격으로 하고 NaCl 3.5% 용액을 채워 넣었다. 용액은 농도 유지를 위해 실험 기간 중 1회 교체하였다.
이러한 조건에서 함수발생기(function generator)에서 1MHz, 10V의 신호를 발생시키고 DMM(Digital Multimeter)에 측정되는 전압 변화를 측정하여 철근의 부식 정도를 확인하였다. 실험은 66일에 걸쳐 수행하였다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에서 시간 변화에 따른 철근의 부식 상태를 보여주는 사진으로서, (a)는 29일째, (b)는 66일째 상태를 나타낸다.
29일째에서 철근과 코일에 스케일이 생성된 것을 확인할 수 있었으며, 66일째에서는 ①로 표시한 부분과 같이 시간이 지날수록 스케일들이 증가하여 바닥에 쌓이고 있는 것과, ②로 표시한 부분과 같이 철근과 가까운 부분의 중공 절연체인 아크릴 파이프에도 스케일 덩어리가 커지고 있는 것과, ③으로 표시한 것과 같이 코일에도 스케일이 붙는 면적이 점점 확장되고 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 6은 본 실시예에서 철근이 부식됨에 따른 와전류 측정 특성을 평가한 결과를 나타내는 그래프와 철근의 사진이다.
오른쪽 철근 사진에서 시간이 지남에 따라 부식에 의해 녹이 발생되어 용액의 색이 노랗게 변한 것을 확인할 수 있다.
또 왼쪽 그래프에서 시간이 지나면서 철근이 부식됨에 따라, 측정된 전압값이 지속적으로 감소하는 변화를 보여줌을 알 수 있다. 이를 통해, 본 실시예의 센서 어셈블리는 와전류를 사용하여 철근의 표면 부식여부를 검출하는데 효과적임을 확인할 수 있었다.
한편, 상기 그래프의 2018년 1월 17일 이후까지 기간을 연장하여 추가로 철근에 대한 부식 전압을 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.
| 측정날짜 | 경과시간 | 측정된 전압 | 전압 차이 |
| 17.12.19 | 0일 | 3.18673V | |
| 18.01.17 | 29일 | 3.84408V | 약 0.65V |
| 18.02.09 | 52일 | 3.88108V | 약 0.69V |
| 18.02.22 | 66일 | 3.88702V | 약 0.7V |
표 1에 나타난 바와 같이 약 두 달에 걸쳐 전체적으로 0.7V의 전압 차이가 발생되었다. 또 시일이 지날수록 전압 차이는 줄어들었는바, 이는 부식이 시작되고 부식층이 발생하여 용액과의 접촉 면적이 줄어들어 속도가 늦춰지기 때문으로 생각된다.
이와 같이 전압을 변화를 감지함으로써 철근의 부식 상황을 점검할 수 있다.
한편, 본 발명에서 센서 어셈블리는 철근과 일정 간격을 두고 나란히 배치되기 때문에, 철근과의 거리에 따라 측정 감도의 차이가 생길 수 있다. 이러한 관계를 확인하고자 센서 어셈블리와 철근과의 거리 변화에 따른 전압 변화를 실험하였다. 측정은 표 2에 나타난 바와 같이 센서 어셈블리와 철근이 서로 접한 상태 즉 거리가 0cm인 경우부터 1cm인 경우까지 0.04cm만큼 간격을 넓히면서 측정하여 그 결과를 도 7에 나타내었다. 와전류 센서의 코일은 전선 0.32mm, 15Φ, 길이 8cm인 것을 사용하였으며, 주파수 1MHz 조건에서 수행하였다.
도 7에 따르면 센서 어셈블리와 철근 사이의 거리는 0.12cm까지는 감소하고 그 이후부터는 커지는 것을 알 수 있다. 따라서 센서 어셈블리와 철근 사이의 거리는 0.12cm까지의 범위가 거리가 바람직하다고 판단된다.
한편, 센서 어셈블리에 인가되는 전압과 그에 따라 측정되는 전압은 함수 발생기에서 발생되는 주파수에 영향을 받는다. 따라서 다양한 주파수에 따른 전압 변화를 측정하여 도 8에 나타내었다.
도 8에서 왼쪽은 주변에 철근이 없는 상태의 센서 어셈블리에 대해 주파수에 따른 측정 전압 데이터이다. 오른쪽은 센서 어셈블리에 철근이 인접하여 있을 때의 전압을 측정하여, 철근이 없을 때 측정 전압과의 차이를 나타낸 것이다. 그래프로부터 바람직한 주파수 값은 3.3~4.9MHz임을 알 수 있다.
한편, 센서 어셈블리의 코일 권선 수에 따른 측정값 변화를 확인하기 위해 코일을 2겹으로 감은 경우에 대하여 측정을 하였다. 도 9는 이 경우 철근과의 거리에 따른 측정 전압을 나타낸다. 그래프로부터 코일을 2겹으로 감은 경우에도 철근과 센서 어셈블리와의 거리가 가까울수록 바람직함을 알 수 있다. 거리가 멀어질수록 전압이 내려가서 와전류를 발생시키기 어렵기 때문에 가까울수록 좋다.
또한 코일의 감은 수에 따른 주파수의 관계를 파악하기 위해, 주파수 변화에 따른 전압 변화를 측정하여 도 10에 나타내었다.
도 10에서 왼쪽은 주변에 철근이 없는 상태의 2겹 감은 코일을 포함하는 센서 어셈블리에 대해 주파수에 따른 측정 전압 데이터이다. 오른쪽은 센서 어셈블리에 철근이 인접하여 있을 때의 전압을 측정하여, 두 측정 전압의 차이를 나타낸 것이다. 그래프로부터 코일을 2겹으로 감은 경우에는 바람직한 주파수 값이 1.6~3.3MHz임을 알 수 있다.
100: 센서 어셈블리 110: 절연체
120: 와전류 센서 130: 개방회로전압 센서
200: 철근
120: 와전류 센서 130: 개방회로전압 센서
200: 철근
Claims (16)
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- 중공 절연체; 상기 절연체 외주를 둘러싸며 절연체 길이방향으로 밀착하여 감겨 있는 코일을 포함하여 이루어지는 와전류 센서; 및 상기 중공 절연체의 중심부에 절연체 길이방향을 따라 배치되는 기준 전극으로서 형성되는 개방회로전압(OCP, Open Circuit Potential) 센서를 포함하며, 상기 코일이 절연체 길이방향으로 밀착하여 감겨 있는 센서 어셈블리를 건축 구조물 내부의 철근 옆에 철근과 나란히 인접시키는 단계;
상기 센서 어셈블리에 전압을 인가하는 단계;
상기 인접한 철근에 의한 와전류에 따른 전압을 측정하는 단계;
상기 개방회로전압 센서에 의한 전압을 측정하는 단계;
상기 측정을 일정 시간 간격으로 실시함으로써 전압의 변화를 측정하는 단계를 포함하며;
상기 와전류 센서에 의해 측정한 전압과, 상기 개방회로전압 센서에 의해 측정한 전압과 의한 전압을 평균하여 철근의 전압 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 건축 구조물 부식 측정 방법.
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- 청구항 8에 있어서,
상기 전압 변화는 함수발생기에서 발생된 신호에 대한 전압 변화를 측정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 건축 구조물 부식 측정 방법.
- 청구항 13에 있어서,
상기 함수발생기에서 발생되는 신호의 주파수가 3.3~4.9MHz인 것을 특징으로 하는 건축 구조물 부식 측정 방법.
- 청구항 13에 있어서,
상기 코일이 2겹으로 감기고, 상기 함수발생기에서 발생되는 신호의 주파수가 1.6~3.3MHz인 것을 특징으로 하는 건축 구조물 부식 측정 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 철근과 상기 센서 어셈블리 사이의 거리가 0.12cm 이하인 것을 특징으로 하는 건축 구조물 부식 측정 방법.
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