Способ контроля качества уплотнения грунта и устройство для его осуществления

Способ контроля качества уплотнения грунта и устройство для его осуществления

Реферат

 

Использование: для непрерывного контроля качества уплотнения грунтовых материалов в процессе их укатки дорожными вибрационными катками. Сущность изобретения: способ контроля качества уплотнения грунта включает преобразование вибрации в электрический сигнал, выделение из него основной частоты вибрации и второй гармоники, измерение уровней выделенных основной частоты и второй гармоники. Из исходного электрического сигнала образуют первый вспомогательный электрический сигнал с основной частотой и гармоническими составляющими и второй вспомогательный сигнал со второй гармоникой и более высокими гармоническими составляющими. Основную частоту выделяют из первого вспомогательного сигнала второго вспомогательного сигнала. Перед выделением второй гармоники нормируют исходный электрический сигнал по уровню основной частоты. Усредняют уровень второй гармоники за фиксированный интервал времени по результату усреднения судят о степени уплотнения грунта. Устройство содержит вибропреобразователи, усилитель, блок управления, синхронные фильтры, компаратор, сумматор, амплитудные детекторы, блок регулирования, интегратор, блок индикации. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике непрерывного контроля качества уплотнения грунтовых материалов в процессе их укатки дорожными вибрационными катками и может быть использовано при строительстве насыпных сооружений плотин, насыпей автомобильных и железных дорог.

Известен способ для определения степени уплотнения оснований [1] Способ включает преобразование вибрации вибрирующего вальца в электрический сигнал, раздельное измерение длительности положительной и отрицательной полуволн колебаний электрического сигнала и вычисление соотношения измеренных длительностей.

Недостатком упомянутого способа является зависимость показаний от изменения частоты вибрации или при изменении скорости движения катка, что приводит к изменению фазового сдвига между основной частотой вибрации и второй гармоникой за счет изменения резонансной частоты системы вибратор грунт [2] Между ними возникают фазовые искажения. В результате соотношение измеряемой длительности положительной и отрицательной полуволн колебаний электрического сигнала изменяется, что снижает точность контроля.

Наиболее близким по технической сущности (прототип) является способ для определения степени уплотнения оснований с помощью вибрирующего устройства уплотнения [3] Способ заключается в преобразовании вибрации в электрический сигнал, выделении из него основной частоты и второй гармоники, измерении уровней выделенных основной и второй гармоники.

По известному способу при воздействии уплотняющего органа на грунт в последнем возникают упругие колебания, которые приводят к возникновению второй гармоники основной частоты вибрации, зависящей от степени уплотнения грунта. При изменении частоты вибрации или при изменении скорости движения катка изменяется фазовый сдвиг между основной частотой вибрации и второй гармоникой. Между ними возникают фазовые искажения. В результате амплитуда и характер колебаний вибрирующего органа изменяются. Поскольку в известном способе основная частота вибрации и ее уровень выделяются без учета их взаимовлияния (фазовых искажений), то соотношение выделенных уровней также изменяется. Так как о степени уплотнения грунта судят по соотношению выделенных уровней, то в результате точность контроля снижается.

Известно устройство для определения степени уплотнения оснований [1] Устройство содержит вибрирующий валец, последовательно соединенные преобразователь вибрации в электрический сигнал и функциональный измерительный блок.

Известно также устройство контроля степени уплотнения материала. Устройство содержит последовательно соединенные вибропреобразователь, измерительный блок, индикатор и блок регистрации.

Недостаток этих устройств зависимость показаний от длительности положительной и отрицательной полуволн колебаний при изменении частоты вибрации или при изменении скорости движения катка.

Наиболее близким по технической сущности (прототип) является устройство для определения степени уплотнения оснований с помощью вибрирующего устройства уплотнения [3] Устройство содержит вибропреобразователи, размещенные на вибрирующем вальце, подключенные к соответствующим входам усилителя, выход которого соединен с первыми входами первого и второго синхронных фильтров, блок управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к вторым входам первого и второго синхронных фильтров, первый и второй амплитудные детекторы, блок индикации и источник опорного напряжения.

Недостаток известного устройства зависимость показаний от фазовых искажений между основной частотой вибрации и второй гармоникой при изменении частоты вибрации или при изменении скорости движения катка.

Цель изобретения повысить точность и надежность контроля.

Сущность изобретения достигается тем, что в способе, основанном на преобразовании вибрации в электрический сигнал, выделении из него основной частоты и второй гармоники, измерении уровней выделенных основной частоты и второй гармоники, из исходного электрического сигнала образуют первый вспомогательный электрический сигнал с основной частотой и гармоническими составляющими и второй вспомогательный сигнал с второй гармоникой и более высокими гармоническими составляющими. Основную частоту выделяют вычислением из первого вспомогательного сигнала второго вспомогательного сигнала. Перед выделением второй гармоники нормируют исходный электрический сигнал по уровню основной частоты. Усредняют уровень второй гармоники за фиксированный интервал времени и по результату усреднения судят о степени уплотнения грунта.

В устройство, содержащее вибропреобразователи, размещенные на вибрирующем вальце, подключенные к соответствующим входам усилителя, выход которого соединен с первыми входами первого и второго синхронных фильтров, блок управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к вторым входам первого и второго синхронных фильтров, первый и второй амплитудные детекторы, блок индикации и источник опорного напряжения, введены сумматор, блок регулирования, третий синхронный фильтр, компаратор и интегратор. Выходы первого и второго синхронных фильтров соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого через первый амплитудный детектор подключен к первому входу блока регулирования, второй вход которого и вход блока управления подключены к выходу усилителя. Третий выход блока управления соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения. Выход блока регулирования подключен к первому входу третьего синхронного фильтра, второй вход которого подключен к второму выходу блока управления. Выход компаратора подключен к первым входам блока индикации и интегратора. Выход третьего синхронного фильтра через второй амплитудный детектор подключен к второму входу интегратора, выход которого соединен с вторым входом блока индикации.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит вибропреобразователи 1 и 2, усилитель 3, блок 4 управления, первый 5 и второй 6 синхронные фильтры, компаратор 7, сумматор 8, первый амплитудный детектор 9, блок 10 регулирования, третий синхронный фильтр 11, второй амплитудный детектор 12, интегратор 13, блок 14 индикации, Е источник опорного напряжения.

Блок 4 управления (фиг. 2) содержит последовательно соединенные синхронный фильтр 15, фильтр 16 низких частот, формирователь 17 прямоугольных импульсов, первую схему 18 фазовой автоподстройки частоты, вторую схему 19 фазовой автоподстройки частоты, делитель 20 частоты. Вход синхронного фильтра 15, аналоговый выход второй схемы 19 фазовой автоподстройки частоты, частотный выход второй схемы 19 фазовой автоподстройки частоты и выход делителя 20 частоты подключены соответственно к входу, первому, второму и третьему выходу блока управления 4. Управляющий вход синхронного фильтра 15 подключен к выходу первой схемы 18 фазовой автоподстройки частоты и входу второй схемы 19 фазовой автоподстройки частоты.

На фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства, где: 21 исходный электрический сигнал на выходе усилителя 3, 22 первый вспомогательный сигнал на выходе первого синхронного фильтра 5, 23 второй вспомогательный сигнал на выходе второго синхронного фильтра 6, 24 основная частота на выходе сумматора 8, 25 сигнал на выходе первого амплитудного детектора 5, 26 нормированный электрический сигнал на выходе блока регулирования 10, 27 вторая гармоника на выходе третьего синхронного фильтра.

Способ осуществляется в следующей последовательности.

При работе вибрационного катка колебания вальца преобразуют в исходный электрический сигнал с помощью вибропреобразователей 1 и 2 (диаграмма 21). Из исходного электрического сигнала, с помощью синхронных фильтров 5 и 6, выделяют два вспомогательных сигнала, первый из которых содержит основную и ее гармонические составляющие (диаграмма 22), второй вторую гармонику и ее более высокие гармонические составляющие (диаграмма 23). Выделенные сигналы вычитают один из другого с помощью сумматора 8 и получают синусоидальный сигнал основной частоты вибрации вальца (диаграмма 24). Далее выделяют амплитуду полученного синусоидального сигнала первым амплитудным детектором 9 (диаграмма 25), в соответствии с которой, в блоке регулирования 10, нормируют (усиливают или ослабляют до заданного уровня) исходный электрический сигнал колебаний вальца катка (диаграмма 26). Амплитуда полученного исходного нормированного сигнала не зависит от амплитуды исходного электрического сигнала и учитывает фазовый сдвиг основной частоты и гармонических составляющих электрического сигнала. Из нормированного исходного электрического сигнала, третьим синхронным фильтром 11, выделяют вторую гармонику основной частоты вибрации (диаграмма 27) и определяют ее уровень с помощью второго амплитудного детектора 12. Полученное значение уровня второй гармоники усредняют за фиксированный интервал времени на интеграторе 13 и используют затем для визуальной или звуковой оценки качества уплотнения укатываемого грунта с помощью блока индикации 14.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии с вибропреобразователей 1 и 2 на вход усилителя 3 электрические сигналы не поступают. С первого, второго и третьего управляющего выхода блока 4 управления снимаются сигналы, соответствующие минимальной частоте вибрации вальца катка. Компаратор 7 находится в исходном состоянии и сигнал с его выхода запрещает работу интегратора 13 и блока 14 индикации. С выходов первого 5 и второго 6 синхронного фильтров на вход сумматора 8 поступают нулевые сигналы. Соответственно с выхода сумматора 8 и первого 9 амплитудного детектора также снимаются нулевые сигналы. Поступающий с выхода первого 9 амплитудного детектора нулевой сигнал устанавливает блок 10 регулирования в режим максимального усиления входного сигнала. Так как с усилителя 3 на вход блока 10 регулирования поступает нулевой сигнал, то на его выходе будет присутствовать сигнал собственных шумов блока 10 регулирования. Третий 11 синхронный фильтр подавляет эти шумы и с его выхода на вход второго 12 амплитудного детектора поступает нулевой сигнал.

При проведении укатки вибрационным катком с вибропреобразователей 1 и 2 на входа усилителя 3 поступают электрические сигналы, соответствующие характеру колебаний вальца катка. Исходный сигнал с усилителя 3 (диаграмма 21) поступает на вход блока 4 управления, вход первого синхронного фильтра 5, вход второго синхронного фильтра 6, и вход блока 10 регулирования (диаграмма 21). Блок 4 управления анализирует поступающий исходный электрический сигнал и вырабатывает управляющие сигналы. Управляющие сигналы, соответственно f и 2f, с третьего и второго выходов поступают соответственно на управляющие входы первого 5, второго 6 и третьего 11 синхронного фильтра и представляют собой последовательность прямоугольных импульсов, частота следования которых кратна соответственно частоте основных колебаний и ее второй гармоники. С первого управляющего выхода на компаратор 7 поступает потенциал U, соответствующий основной частоте. Если частота вибрации вальца катка соответствует рабочей частоте (уровню напряжения Е), то на выходе компаратора 7 появляется сигнал, разрешающий работу интегратора 13 и блока 14 индикации. С выхода синхронных фильтров 5 и 6 на вход сумматора 8 поступают первый и второй вспомогательные сигналы, содержащие соответственно основную частоту и гармонические составляющие (диаграмма 22) и вторую гармонику и более высокие гармонические составляющие (диаграмма 23). Сумматор 8 производит вычитание этих сигналов. Благодаря тому, что синхронные фильтры сохраняют фазовый сдвиг между всеми отфильтрованными сигналами, в результате с выхода сумматора 8 на вход первого амплитудного детектора 9 поступает сигнал содержащий только основную частоту вибрации вальца (диаграмма 24), которая зависит от амплитуды исходного сигнала с усилителя 3 и не зависит от фазового сдвига (фазовых искажений) между основной частотой вибрации и ее гармоническими составляющими. Первый амплитудный детектор 9 детектирует поступающий сигнал и подает его на управляющий вход блока 10 регулирования (диаграмма 25). Блок 10 регулирования в соответствии с уровнем поступающего на его управляющий вход сигнала нормирует (ослабляет или усиливает) исходный электрический сигнал, поступающий с усилителя 3 на его вход и подает его на вход третьего синхронного фильтра 11 (диаграмма 26). Третий синхронный фильтр 11 выделяет из нормированного исходного электрического сигнала с блока 10 регулирования вторую гармонику (диаграмма 27) и подает его на вход второго амплитудного детектора 12. Продетектированный сигнал со второго амплитудного детектора 12 поступает на интегратор 13. Интегратор 13 интегрирует поступающий сигнал за фиксированный промежуток времени и передает его в виде среднего значения уровня второй гармоники на блок 14 индикации. Блок 14 индикации принимает сигнал с выхода компаратора 7 и отображает его на своем табло водителю катка. В зависимости от степени уплотнения грунта показания на табло изменяются и при достижении, предельного для укатываемого грунта значения, стабилизируются. По достижении последнего водитель катка прекращает укатку и направляет каток на неукатанный участок грунта.

Работа одного из вариантов блока 4 управления состоит в следующем. В исходном состоянии при нулевом сигнале на входе блока 4 управления, на вход синхронного фильтра 15 поступает нулевой сигнал. На втором выходе синхронного фильтра 15, фильтра 16 низких частот и формирователя 17 прямоугольных импульсов также присутствует нулевой сигнал. Первая 18 и вторая 19 схема фазовой автоподстройки частоты находятся в исходном состоянии и с их выходов снимаются частотные сигналы соответствующие минимальной рабочей частоте этих схем. Делитель 20 частоты делит на 2 поступающую на его вход частоту сигнала со второй 19 схемы фазовой автоподстройки частоты. С аналогового выхода второй 19 схемы фазовой автоподстройки частоты снимается сигнал в виде уровня напряжения соответствующего частоте сигнала вырабатываемого этой схемой.

При проведении укатки вибрационным катком на вход синхронного фильтра 15 поступает исходный электрический сигнал соответствующий характеру колебаний вальца катка (диаграмма 21). Синхронный фильтр 15 фильтрует поступающий сигнал и выделяет основную частоту колебаний и ее гармонические составляющие. Фильтр 16 низких частот подавляет гармонические составляющие и подает синусоидальный сигнал основной частоты колебаний на формирователь 17 прямоугольных импульсов, который преобразует его в последовательность прямоугольных импульсов. Частота следования прямоугольных импульсов, соответствует частоте синусоидального сигнала с фильтра 16 низких частот. С формирователя 17 прямоугольных импульсов сигнал поступает на первую 18 схему фазовой автоподстройки частоты, которая вырабатывает соответствующий частотный сигнал для фильтрации синхронным фильтром 15 основной частоты колебаний. При изменении частоты вибрации вальца катка первая 18 схема фазовой автоподстройки частоты отслеживает ее изменение и полоса пропускания синхронного фильтра изменяется. Режим работы первой 18 схемы фазовой автоподстройки частоты устанавливают такой, чтобы захват частоты сигнала с формирователя 17 прямоугольных импульсов был максимально быстрым. Это достигается тем, что частота сигнала на выходе первой 18 схемы фазовой автоподстройки частоты изменятся непрерывно за период основной частоты колебаний. В связи с этим синхронный фильтр 15 вносит большой уровень искажений в выделяемый сигнал, который не может быть использован для оценки качества уплотнения грунта. Для устранения этого вторая схема 19 фазовой автоподстройки частоты, работающая в режиме точного отслеживания входной частоты, выделяет период основной частоты колебаний из частоты сигнала, поступающего на ее вход, и умножает его до частоты необходимой для работы, второго 6 и третьего 11 синхронных фильтров. Делитель 20 частоты делит на 2, поступающую на его вход частоту сигнала и тем самым обеспечивает работу первого 5 синхронного фильтра. С аналогового выхода второй схемы 19 фазовой автоподстройки частоты снимается уровень напряжения соответствующий частоте захвата.

Блок 4 управления может быть выполнен по другому варианту. Например, если предлагаемое устройство предназначено для контроля качества укатки скального грунта. В этом случае уровень второй гармоники может достигать 40-50% уровня основной частоты вибрации. Это позволяет снизить требования к изменению частоты на втором и третьем управляющих выходах блока 4 управления за один период основной частоты вибрации. При этом из блока управления может быть исключена вторая схема 19 фазовой автоподстройки частоты. Делитель 20 частоты включается между управляющим входом синхронного фильтра и первой схемой 18 фазовой автоподстройки частоты. Первый, второй и третий управляющие выходы блока 4 управления подключаются соответственно к аналоговому выходу первой схемы 18 фазовой автоподстройки частоты, входу и выходу делителя 20 частоты.

Испытание предлагаемого способа и устройства для его осуществления на различных типах вибрационных катков (ПВК-70Э, СВК-70Э, КVV-12, SA-8, SA-12, ДУ-62, СД-801) показало, что соответствие показаний и достигнутой степени уплотнения грунта находятся в прямой зависимости и не зависит от изменения частоты и скорости движения катка по уплотняемому грунту. Сравнительные испытания с прототипом показали, что диапазон показаний предлагаемого способа и устройства на 25-35% выше, чем у прототипа.

Формула изобретения

1. Способ контроля качества уплотнения грунта, основанный на преобразовании вибрации в электрический сигнал, выделении из него основной частоты и второй гармоники, измерении уровней выделенных основной частоты и второй гармоники, отличающийся тем, что из исходного электрического сигнала образуют первый вспомогательный электрический сигнал с основной частотой и гармоническими составляющими и второй вспомогательный сигнал с второй гармоникой и более высокими гармоническими составляющими, основную частоту выделяют вычислением из первого вспомогательного сигнала второго вспомогательного сигнала, перед выделением второй гармоники нормируют исходный электрический сигнал по уровню основной частоты, усредняют уровень второй гармоники за фиксированный интервал времени и по результату усреднения судят о степени уплотнения грунта.

2. Устройство контроля качества уплотнения грунта, содержащее вибропреобразователи, размещенные на вибрирующем вальце, подключенные к соответствующим входам усилителя, выход которого соединен с первыми входами первого и второго синхронных фильтров, блок управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к вторым входам первого и второго синхронных фильтров, первый и второй амплитудные детекторы, блок индикации и источник опорного напряжения, отличающееся тем, что в устройство введены сумматор, блок регудирования, третий синхронный фильтр, компаратор и интегратор, причем выходы первого и второго синхронных фильтров соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого через первый амплитудный детектор подключен к первому входу блока регулирования, второй вход которого и вход блока управления подключены к выходу усилителя, третий выход блока управления соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход блока регулирования подключен к первому входу третьего синхронного фильтра, второй вход которого подключен к второму выходу блока управления, выход компаратора подключен к первым входам блока индикации и интегратора, а выход третьего синхронного фильтра через второй амплитудный детектор подключен к второму входу интегратора, выход которого соединен с вторым входом блока индикации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3