автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Система управления процессом уплотнения дорожного покрытия на базе рентгеновского импульсного плотномера

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 539.218:620

ПОНОМАРЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ УПЛОТНЕНИЯ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ НА БАЗЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИМПУЛЬСНОГО ПЛОТНОМЕРА

Специальность - 05.13.07 "Автоматизация технологических процессов и производств (строительство)"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.А. Горшков

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РЕНТГЕНОВСКОЙ ПЛОТНОМЕТРИИ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ.....................................7

1.1. Технологические особенности уплотнения грунтов, оснований и покрытий

автомобильных дорог как объекта контроля и управления............................................................7

1.2. Развитие методов и приборного обеспечения радиационного контроля плотности на

обр атнорассеянном излучении............................................................................................................9

1.3. Применение обратнорассеянного рентгеновского излучения для контроля качества уплотнения покрытий автомобильных дорог..................................................................................16

1.4. Анализ и обзор приборного обеспечения рентгеновской плотнометрии...............................24

1.5. Управление процессом уплотнения на основе радиационного контроля...........................28

1.6. Задачи диссертационной работы...............................................................................................29

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕНТГЕНОВСКОГО ИМПУЛЬСНОГО ПЛОТНОМЕРА.......................................................................................................................................31

2.1. Физические основы рентгенотехники.......................................................................................31

2.2. Статистическая модель связи плотности материала с распределением интенсивности обратнорассеянного излучения........................................................................................................38

2.3. Результаты моделирования.........................................................................................................45

2.4. Выводы по главе 2........................................................................................................................53

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПЛОТНОМЕРА НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ....................................................................................................54

3.1. Синтез рентгеновского плотномера на основе коллимированного импульсного излучения..............................................................................................................................................54

3.2. Оптимизация размеров детектора..............................................................................................57

3.3. Оптимизация размера коллимационного отверстия...............................................................69

3.4. Активность исходного излучения..............................................................................................71

3.5. Выводы по главе 3........................................................................................................................74

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ УПЛОТНЕНИЯ НА БАЗЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ПЛОТНОМЕРА........................75

4.1. Разработка приборного обеспечения..........................................................................................75

4.2. Исследование характеристик разработанного прибора..........................................................85

4.3. Контролируемый объем дорожного покрытия..........................................................................88

4.4. Управление процессом уплотнения на основе рентгеновского импульсного плотномера ................................................................................................................................................................94

4.5. Выводы по главе 4........................................................................................................................97

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..........................................................................................................98

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................................................99

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..................................................................................................................................112

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..................................................................................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Повышение долговечности автомобильных дорог неразрывно связано с совершенствованием технологии их строительства. В условиях увеличения грузопотоков и грузоподъемности транспортных средств особое значение придается прочностным показателям дорожного покрытия, которое в значительной степени определяется качеством (степенью) его уплотнения.

В мировой практике индустриально развитых стран управление процессом уплотнения автомобильных дорог осуществляется на основе гамма-плотномеров. Так, в наиболее распространенной системе управления процессом уплотнения дорожного покрытия фирмы Трокслер (США) в качестве измерителя плотности используется плотномер на основе радиоизотопа цезия-137. Однако данным плотномером регистрируется лишь 5...7% всего обратнорассеянного излучения, что в свою очередь определяет значительное время измерения (2...4 мин) и относительно высокий радиационный фон. В связи с тем, что измерение плотности осуществляется периодически в дискретные моменты времени, а процесс распада изотопа непрерывен, можно считать его использование при управлении процессами уплотнения нерациональным. Возрастающие требования по безопасности и экологичности и имеющие место симптомы радиофобии в обществе затрудняют внедрение техники на базе радиоактивных изотопов, делая невозможным ее применение в некоторых европейских странах.

Повышение производительности контроля возможно путем создания плотномеров на основе интегральных характеристик распределения обратнорассеянного излучения. Снижение радиации может быть достигнуто путем применения новых

источников излучения периодического действия - рентгеновских импульсных трубок, включаемых только на время проведения измерения.

В этой связи можно считать актуальной задачу управления процессом уплотнения дорожного покрытия с использованием импульсного рентгеновского плотномера, оценивающего текущую плотность асфальтобетона по интегральным характеристикам, вычисляемым на основе всего обратнорассеянного излучения, что существенно снижает радиационное излучение на объекте строительства, сводя его к естественному фону.

Целью работы является разработка и исследование системы автоматического контроля и управления процессом уплотнения дорожного полотна на основе использования импульсного рентгеновского излучения.

Методы исследования. В работе использовались методы Монте-Карло, математической статистики и компьютерного эксперимента, теория автоматического дискретного управления и оптимизации.

Научная новизна работы заключается в: разработке математической модели плотномера на основе обратнорассеянного рентгеновского излучения для управления процессом уплотнения покрытия автомобильных дорог;

исследованиях по оценке эффективности интегральной плотности дорожного покрытия на основе интегральных характеристик распределения обратнорассеянных рентгеновских фотонов;

оптимизации параметров радиационного плотномера на основе импульсных рентгеновских трубок,

синтезе автоматической дискретной системы рентгеновского контроля плотности при управлении процессом уплотнения дорожного покрытия.

Практическая ценность работы заключается в создании системы управления процессом уплотнения дорожного полотна, характеризуемой существенно более высокими показателями по производительности, радиационной безопасности и экологичности.

К защите представляются:

система автоматического управления процессом уплотнения дорожного покрытия на базе импульсного рентгеновского излучателя;

методика и результаты математического моделирования рентгеновского плотномера;

методика и результаты параметрической оптимизации рентгеновского импульсного плотномера;

результаты исследования по оценке эксплуатационных параметров разработанной системы управления процессом уплотнения дорожного покрытия на основе импульсного рентгеновского плотномера.

Апробация работы

Результаты докладывались на 15-й российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", Москва, 1999 г.; двух научно-исследовательских конференциях Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета) 1998, 1999 гг.; 5-й всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений", МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998 г.

Публикации

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка используемой литературы, приложений, документов по практическому использованию результатов диссертации и

содержит 111 стр. машинописного текста, 49 рисунков, 3 таблицы и 135 наименований в списке используемой литературы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РЕНТГЕНОВСКОЙ ПЛОТНОМЕТРИИ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В данной главе рассмотрено современное состояние рентгеновской плотнометрии, обосновывается целесообразность использования импульсных источников излучения и формулируются основные задачи диссертационной работы.

1.1. Технологические особенности уплотнения грунтов, оснований и покрытий автомобильных дорог как объекта контроля и управления

Важнейшей характеристикой дорожного покрытия являются его прочностные характеристики, которые определяют долговечность дороги, допустимые грузопотоки и другие эксплуатационные характеристики.

Прочность покрытия определяется показателем степени уплотнения, который может рассматриваться как основной технологический пооперационный показатель качества в процессе создания дорожного покрытия.

Степень уплотнения непосредственно определяется фактической плотностью материала в процессе уплотнения. К этому следует добавить, что для асфальтобетонных покрытий важнейшей характеристикой пооперационного качества является пористость материала, которая также определяется фактической плотностью материала.

Таким образом, фактическая плотность материала является входной характеристикой при управлении процессом уплотнения дорожного полотна.

Уплотнение в процессе строительства дороги осуществляется с помощью катков различной массы [41,42]. С увеличением числа проходов катка по одному следу увеличивается и плотность дорожного покрытия. Естественно, связь степени уплотнения с числом прохода катка по одному следу не является линейной зависимостью, а приблизительно может быть описана экспоненциальной зависимостью вида

к = к0+{\-к0){\-е-Хп), (1.1)

где к - коэффициент уплотнения,

к0- начальное уплотнение,

X - параметр, определяющий скорость повышения степени уплотнения по мере укатки полотна.

В силу вариации характеристик материалов как к0, так и X не могут быть определены экспериментально, в связи с чем число проходов по одному следу определяется приблизительно на основании рекомендаций. Значительный рекомендуемый диапазон числа проходов по одному следу приводит к нерациональному расходу ресурсов при достижении максимальной степени уплотнения, с одной стороны, и не гарантирует ее достижения при максимальном числе проходов, с другой.

Данное обстоятельство определяет необходимость непрерывного контроля изменения степени уплотнения (плотности материала) в процессе укатки.

Автомобильная дорога с асфальтобетонным и цементобетонным покрытием, имеющая многослойную структуру, включает в себя материалы, состоящие из легких элементов с малым атомным номером [57,66,75,76,83]. Это обстоятельство делает эффективными использование радиационных методов контроля уплотнения в технологическом процессе строительства дорог.

__ V

В связи с этим за последние десятилетия в мировои практике разработаны и разрабатываются новые методы и приборы радиационного измерения плотности для дорожно-строительной индустрии.

Так как при измерении плотности автомобильного покрытия доступ к контролируемому объекту имеется лишь с одной стороны, наибольший интерес представляют радиационные плотномеры на обратнорассеянном излучении.

1.2. Развитие методов и приборного обеспечения радиационного контроля плотности на обратнорассеянном излучении

Основы радиационной плотнометрии на обратнорассеянном излучении были изложены в работах Арцыбашева В.А., Брейтмана Е.М., Булатова Б.П., Варварина Г.П., Воробьева В.А., Горшкова В.А., Гусева Е.А., Забродского В.В., Родэ Л.Г., Сторма Э., Фирстова В.Г., Чудакова В.А. и др.: см. работы [3,10,14,15-21,30-35,46,76,8283,95] и приводимые там источники.

Методологической основой плотнометрии на обратнорассеянном излучении является функция плотности распределения обратнорассеянных фотонов по радиусу вылета от контролируемого материала (рис. 1.1), которая описывается экспоненциальным законом.

Семейство функций распределения для различных плотностей материала характеризуется наличием двух зон:

Доинверсионная зона, где с увеличением плотности имеет место увеличение интенсивности обратнорассеянного излучения;

Заинверсионная зона, где с увеличением плотности интенсивность уменьшается.

Н(г)

Доинверсионная зона

Заинверсионная зона

Координата инверсии

Рис. 1.1. Функция распределения обратнорассеянного излучения по

радиусу вылета

г

Максимальная интенсивность обратного рассеяния имеет место в окрестности точки ввода излучения. В силу невозможности обеспечения защиты сцинтилляторов от прямого излучения регистрация рассеянных фотонов в этой области не осуществляется. Большинство плотномеров (для диапазона плотностей 1,5...2,5) осуществляют регистрацию в зоне на относительно большом расстоянии от источника (в заинверсионной зоне), где интенсивность обратного рассеяния невелика и требуется относительно высокая активность источники или время счета рассеянных фотонов для набора достаточной статистики.

Указанные приборы конструктивно выполнены по схеме, представленной на рис. 1.2 и включают в себя контейнер с источником, сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель, защитный экран сцинтиллятора от прямого излучения.

/ ФЭУ / Сцинтиллягор 1 Экран Источник

I / / * ~ г г * " г.' 1

Объект

Рис.1.2. Схема радиационного плотномера

Развитие радиационной плотнометрии на

обратнорассеянном излучении было связанно с созданием плотномеров, обеспечивающих регистрацию максимального числа обратнорассеянных фотонов. При этом наметилось два основных направления. Первое связано с организацией счета обратнорассеянных фотонов в доинверсионной зоне с помощью специальных коллиматоров. Второе - с созданием алгоритмов восстановления плотности по всему распределению числа обратнорассеянных фотонов.

Регистрация фотонов, рассеянных в доинверсионной области возможна на основе узкой коллимации как исходного, так и обратнорассеянного излучения [19,20] (рис.1.3). В связи с применением коллиматоров интенсивность остается низкой даже несмотря на то, что регистрация фотонов осуществляется в непосредственной близости от координаты ввода.

Сцинтиллятор

п ^Источник

Коллиматор

Рис. 1.3. Плотномер на коллимированном излучении

Другая конструкция коллиматора, позволяющего регистрировать излучение в доинверсионной области, предложена в работах [33-35] (рис. 1.4). Как видно, в данной схеме используется относительно широкий пучок исходного излучения и неколлимированный пучок обратнорассеянного излучения, что существенно повышает статистику счета по сравнению с предыдущей схемой.

Источник.

Коллиматор

Зона исходного излучения

Зона сцинтиллятора

Рис. 1.4. Плотномер с широким коллиматором

Дальнейшим развитием данной схемы явился коллиматор, предложенный в работе [75,76] (рис. 1.5), принципиальным

отличием которого является разворот исходного излучения относительно нормали к объекту. Специальный конусный поглотитель подавляет регистрацию фотонов заинверсионной зоны. Такая схема позволяет повысить процент регистрируемых фотонов до 5... 10% всего рассеянного излучения, что не удовлетворяет требованиям по быстродействию и точности измерения для управления процессом уплотнения автомобильного покрытия.

Детектор Источник Конусный Коллиматор излучения излучения поглотитель -защита

- ч

._ХГ-Г

|:::::::::::::;::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ^ ГТТТТТТТТ^

Дорожное полотно Рис.1.5. Кольцевой плотномер

Данная схема, можно считать, практически полностью использовала все преимущества использования коллиматоров для регистрации фотонов доинверсионной зоны.

За последнее десятилетие наметилось направление, связанное с созданием алгоритмов обработки всего обратнорассеянного излучения, как исходного, так и обратнорассеянного, посредством анализа неколлимированных пучков.

Следует отметить, что суммарное количество обратнорассеянных фотонов практически не зависит от плотности рассеивающего материала, при этом меняется лишь характер поверхности двумерной функции распределения. Это не дает возможности ко