автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизирвоанное управление процессом уплотнения покрытий в дорожном строительстве с применением радиационного плотномера

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИ® УНИВЕРСИТЕТ)

Р Г Б О Д. На правах рукописи

2 б №1 19П-"

БАБКОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕРЬЕВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ УПЛОТНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ДОРОННОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ РАДИАЦИОННОГО ПЛОТНОМЕРА

Специальность 05.13.07 — Автоматизация технологических процессов и производств (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации яа соискание ученол степепя кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Московском государственном автомобшш-но-дораяноы институте (техническом университете)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Горшков В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Фирстов В.Г.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лязгин А.Л.

Ведущая „организация "СЙВДОРНИИ"

Защита состоится 1995 г. в ^Л) часов на

заседании диссертационного совета 1.053.30.07 при Московском государственной автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: 12582? ГСЦ.А-47, Москва, Ленинградский , пр., д.64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ТУ).

Автореферат разослан

1995 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес' совета института.

Ученый секретарь

диссертационного совета п

в. т.н., доцент Михайлова Н.В.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Развитие сети автомобильных дорог, повышение их пропускной способности являются стратегическим направлением повышения экономического потенциала страны. Постоянный рост значимости автомобильных перевозок в общем грузопотоке обслуживания предъявляет повышенные требования к эксплуатационным характеристикам автомобильных дорог. Важнейшей характеристикой качества строительства автомобильных дорог и аэродромных покрытий является степень уплотнения, определяющая прочность покрытия, его морозостойкость и долговечность. Несмотря на относительно высокую значимость данного показателя качества в настоящее время дорожно-строительная отрасль практически не оснащена эффективными автоматическими системами управления процессами уплотнения автодорожных покрытий. Развитие систем автомагического управления процессами уплотнения грунтов и автодорожных покрытий сдерживается отсутствием метрологического обеспечения технических средств измерения плотности.

Несмотря на достаточно широкую номенклатуру выпускаемых плотномеров для контроля плотности автодорожных покрытий из-за относительно невысокой точности и низкого быстродействия использование их в системах управления процессами уплотнения не представляется возможным.

Таким образом разработка автоматизированной системы управления процессом уплотнения покрытий в дорожном строительстве с применением радиационного плотномера является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.

Делыо работы является создание эффективного радиоизотопного плотномера на обратнорассеянном излучении и системы автоматического управления процессом уплотнения.

Методы исследования. В работе использовались методы статистического моделирования, теории управления, синтеза систем цифрового управления, теории вероятности и математической статистики, теории оптимизации.

Научная новизна работы заключается в следующей: разработана общая концепция автоматизации процессов уплотнения на основе текущего радиационного контроля плотности в до-рояшом строительстве.

Разработана математическая модель гамма-изотопного контро-

ля плотности материалов на основе обратнорассеянного излучения.

Доказана целесообразность использования интегральных характеристик распределения обратнорассеянных гамма-квантов для оценки плотности материала.

Доказана эффективность использования характеристики затухания в распределении обратнорассеянных гамма-квантов для определения плотности материала.

Проведена оптимизация плотномера на обратнорассеянных гамма-квантах.

Практическая ценность - работы заключается:

в создании автоматической системы управления процессом уплотнения дорожных покрытии на основе радиационного плотномера на обратнорассеиннсы излучении,

в создании гашагплотномера на обратнорассеянном излучении, характеризующимся по- сравнения с существующими аналогами высоким быстродействием (позволяющш проводить измерения плотности в процессе уплотнения), низкими активностями используемых источников излучения, более высокой точностью измерения.

Разработанное устройство прошло лабораторные и производственные КСПЫГ2ШЯ.

К защите представляются: система автоматического управления процессом уплотнения дорсжных покрытии на основе текущего контроля плотности радиационным методой;

маяемазкческая модель гаша-изотопного плотномера на обратнорассеянном излучении;

результаты математического моделирования и оптимизации гамма-изотопного плотномера на обратнорассеяшгам излучении.

Апробация работы

Основные результаты работа докладывались на 43-49й научно-исследовательских конференциях Московского автомобильно-дорожного института, на российской с международным участием научно-технической конференции"Неразрупавцйй контроль в науке и индустрии - 94"Шосква,1994 г.).

Публикации. -

Основные нучные результаты диссертации ивлжены в 5 научных работах,в тш числе в 2 статьях.

Диссертация состоит ив .введения, четырех глав, списка используемой литературы, приложения и содержит 125 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 12 таблиц, 112 наименований библиографии, 2 приложения.

Научный консультант работы - к.т.н. Воробьев К.В.

СОДЕРЯАНИЕ РАБОТЫ Анализ процесса уплотнения покрытии автомобильных дорог показал, что основной нерешенной проблемой, сдерживающей развитие автоматического управления давным процессом, является отсутствие метрологического обеспечения (как аппаратного,так и программного) контроля шгбтности в процессе уплотнения. Специфика уплотнения покрытий автомобильных дорог обуславливает необходимость использования неразрушающего метода контроля при одностороннем доступе к объекту контроля. Как показал анализ, наиболее перспективным направлением развития метрологичес-

чаэго обеспечения процесса уплотнения покрытий автомобильных до/

рог является использование гамма-плотномеров на обратнорассеян-ном излучении. Гамма-плотномеры состоят из детекторной части, осуществляющей регистрацию обратнорассеянного излучения, и электронной составляющей, обеспечивающей расчет интенсивности обратного рассеивания и ее обработку.

Принципиальное развитие гамма-плотномеров связано с совершенствованием детекторной части. (Развитие электронной составляющей гаша-плотномеров определяется общим развитием электроники и гычислительной техники. ) фундаментальные основы гаымал-лотнометрии были заложены в работах Арцибашева В. А., Булатова Б.П..Варварина Г.П. .Сторыа Э.,Чудакова В.А.,Фирстова В.Г.и др..

Традиционно детекторная часть гамма-плотномеров на обратно рассеянном излучении состоит из источника, коллиматора:-защиты и сцинтиллятора, регистрирующего интенсивность обратнорассеянного излучения (как правило на относительно малой площади, составляющей 3-5 см2). Из-за низкого быстродействия ни сдин-из выпуска-, емых шюгЕОмерЬв^ не дает возможности измерять плотность материала в процессе уплотнения..

Оивкчесгсой основой гамма-плотяометрии является связь параметров, определяющих процесс взаимодействия гамма-квантов (распределения'длин свободного пробега, типа взаимодействия,

-V - 6 -

углов рассеяния ), с электронной плотностью контролируемого вещества. Статистический характер распространения гамма-квантов в веществе обуславливает наличие вероятностных связей плотности материала с характеристиками обратно отраженного излучения, что . и леяит в основе современной альбедо-гамма-плртномётрии. На практике измерение плотности связано с определением тарировоч-ной зависимости медцу плотностью материала и интенсивностью об-ратнорассеянного излучения в какой-либо области поверхности контролируемого материала. Получаемые тарировочныо кривые "плотность материала - интенсивность .регистрации гамма-квантов" применимы лишь для конкретного материала. Погрешность измерений из-за распада применяемых изотопов со временем увеличивается, что вызывает ' необходимость их постоянного уточнения. Погрешность в измерении плотности определяется обвсим количеством гам-.ма-квантов, на основании которых осуществляется оценка плотности материала.

Увеличение количества зарегистрированных гамма-квантов может быть осуществлено путем:

увеличения активности используемых источников; увеличения интервала времени регистрации обратнорассеянных

квантов; . .'.........._

выбора геометрических параметров измерительной, системы, позволяющей максимизировать число зарегистрированных обратнорассеянных гамма-квантов.

Из-за относительно низкой, доли регистрируемых гамма-квантов в существующих гамма-плотномерах (составляющей 1___555 всех

обратнорассеянных) для обеспечения необходимой точности используются либо источники с высокими значениями активности, либо со значительным временем измерения.

Ужесточение требований по технике безопасности и 'экологии обуславливает необходимость минимизации активности источника, что приводит к увеличении времени. измерения. Однако. требования по" производительности контроля;- а'также потребность- в приборах^— обеспечивающих измерение плотности в процессе уплотнения и формования обуславливают необходимость минимизации и времени измерения. * " • •

Таким образом основным направлением совершенствования рам-г ■ ма-плоткомеров на обратном рассеянии является совершенствование

етектирующей части, позволяющей максимизировать число заре-истрированных обратнорассеянных гамма-квантов.

Особенности распределения интенсивности обратнорассеянных амма-квантов от плотности имеют своп специфику, заключающуюся наличии двух зон, в первой из которых с увеличением плотности атериалов имеет место рост интенсивности обратнорассеянного влучения, во зторой - уменьшение.

В доинверсионной зоне наблюдается максимальная интенсив-ость выхода обратнорассеянных гамма-квантов, в связи с чем.ра-ионально именно в ней располагать детектор плотномера. Однако увеличением плотности координата инверсии приближается к ко-рдивате ввода гамма-квантов. Если величина доинверсионной зоны еньше чем размер защиты детектора от прямого излучения, то до-нверсиошши плотномер не реализуем. Для тяжелых материалов с лотностыо более 1,2...1,5 г/см3 данное условие не выполняется, связи с этим гамма-плотномеры для их контроля работают в за-нверсионной зоне. Для легких материалов физически реализуем оинверсионный плотномер. Для работы в доинверсионной зоне при онтроле тяжелых материалов (для увеличения числа регистрируе-ых обратнорассеянных гамма-квантов)Воробьевым В.А, Горшковым .А, Михайловой Н.В., Шеломановым А.Е., Побергом А.Г предлагать елейные коллиматоры как для источника излучения, так и для цинтиллятора. Однако и в данных измерительных системах процент егистрируемых обратнорассеянных гамма-квантов также относи-ельно невелик, хотя и существенно выше, чем в традиционных лотномерах. На основе проведенного анализа для создания систе-ы управления процессом уплотнения покрытий автомобильных дорог а основе раидиационного плотномера оказалось необходимым ре-ить следующие задачи: _

1. Разработать общую концепцию управления процессом уплот-ения на основе радиационного плотномера.

2. Разработать математическую модель гамма-плотномера на братнорасс еянном излучении для контроля плотности дорожных окрытий в процессе их .уплотнения.

3. Провести оптимизацию параметров гамма-плотномера на об-атнорассеянном излучении.

4. Исследовать метрологические характеристики разработан-

ного гамма-плотномера.

5. Разработать систему автоматического управления процессом уплотнения на основе радиационного плотномера.

Исходной физической, предпосылкой для выявления аналитической связи измеряемых значений интенсивности обратнорассеянных гамма-квантов с плотностью материала для поверхностного контроля является относительное постоянство массового коэффициента ослабления дли определенной энергии практически для всех элементов с низким атомным номером (ва исключением водорода, процентное содержание которого в контролируемых материалах относительно постоянно).Для энергий в диапазоне 300 - 700 кэВ постоянство коэффициента ослабления обусловлено постоянством массового коэффициента коыптоновского рассеяния и практически незначительным массовым коэффициентом фотопоглощения: Mic(E)

- = const(Е) = С(Е), (1)

Р

где Mfc - линеиныи коэффициент коштоновского рассеяния; р - плотность материала; Е - энергия гамма-кванта.

В связи с этим задача определения плотности материала сводится к определению линейного коэффициента коштоновского рассеяния для какой-либо фиксированной энергии. . Для минимизации., погрешности измерения плотности, обусловленной статистикой измерения, необходима максимизация зарегистрированного числа обратнорассеянных гамма-квантов. В идеале целесообразна оценка плотности по всем обратнорассеянным фотонам. Однако общее количество обратнорассеянных гамма-квантов не зависит от плотности материала, т.е. интеграл по поверхности от распределения обратнорассеянных фотонов не является функцией плотности:

+со +со

J [ М(х,у) dx dy »* f(p) . (2)

—оэ —со

В связи с этим для синтеза плотномера, регистрирующего все обратнорассеянные гаьма-квавты, целесообразно сг локальгой интенсивности сбратнорассеянного излучения в какой-либо локальной зоне перейти к оценке интегральных характеристик распределения обратнорассеянного излучения. ,

Оценка интегральных характеристик распределения интенсив-

яости обратнорассеянных гамма-квантов возможна цутем построения гистограмм обратнорассеянного излучения (например, с помощью локальных измерений) с последующим расчетом основных характерис-гик распределения. Однако, если аппроксимировать распределения эбратнорассеянных гамма-квантов экспоненциальным законом: Г(х) - 1 - е"с*х . (3)

го в качестве интегральной оценки распределения (а следователь-ло. и плотности) можно использовать линейный коэффициент ослабления G. Проблема заключается в оценке правомерности такой апп-эоксимации и в определении того, как влияет на данный коэффици-энт ослабления изменение плотности материала.

Симметричный характер распределения обратнорассеянных ■свантов предопределяет и симметричный, кольцевой характер де-гектора (рис.1), включающего в себя источник, 2Я -коллима-гор-защиту (предотвращающий попадание прямого излучения в де-гектор) и два кольцевых сцинтиллятора с диаметрами Dk..Dl.D2 (D2 - достаточно большой, перекрывающий весь диапазон расстояний эбратнорассеянных гамма-квантов).

При экспоненциальном законе распределения вероятность детектирования обратнорассеянного гамма-кванта первым детектором ?(D1) в области [Йс.01] будет определяться вероятностью вылета гамма-кванта & этом диапазоне - -..... ••

P(Di) - 1 - e"CMD,"DI° . (4)

йстость re такого события будет определяться соотношением чиста зарегистрированных гамма-квантов первым и вторым детектором, г. е.:

* HI

Р CD1)--. (5)

N1 + 112

да N1 и N2 - число гамма-квантов зарегистрированных первым и угорым детекторов, соответственно. При достаточно большой ста-гистике можно считать, что частость P*(D) и вероятность P(D) бу-1ут совпадать, а следовательно, линейный коэффициент ослабления южет быть определен как:

1 N1 + N2 С = - * 1п (-)

N2

Данный показатель, определяемый по совокупному распределению интенсивности обратнорассеянного излучения, является основой для контроля плотности дорожных покрытий в процессе их уплотнения.

Исто.вв* Д««"Р*

И*П*М*МММ1>1М

Рис.1. Детектор гамма-плотномера для контроля уплотнения покрытий автомобильных дорог

На рис.2 а.б представлены полученные гистограммы интенсивности обратнорассеянных фотонов для различных значений плотностей дородного покрытия (выделенный столбец, показывает, относительное количество фотонов, регистрируемых традиционными плотномерами) . С изменением плотности дорожного покрытия происходит изменение линейного коэффициента ослабления обратнорассеянных фотонов.

С цэлью определения связи линейного коэффициента- ослабления б с линейным коэффициентов комптоновского рассеяния (для определенной энергии) и шгатностьв материала было прозедено статистическое моделирование данной измерительной схемы.

б)

Нех

одни« дянис

х-ч

У -О

г-«

тр.то >гяп

ГК =ЯИП Ю -0.1 , НС -5ВОО

• КсГ1сЫ =2641 : Ро<о»339 :

: мя1ип/гв=д.1251:

: мп=«,г»ез1з-ол :

Рис-2. Гистограммы интенсивности обратнорассеянных фотонов, а) р»2.5 г/см3; б) р= 0.5г/см3;

Моделирование включало в себя моделирование углов ввода гамма-квантов в исследуемый материал, длин свободного пробега, типа взаимодействия, углов рассеяния, расчета новых траекторий движения.

В качестве объекта контроля моделировалась полубесконечная гомогенная пластина с гэф<=26.

Энергия первичных гамма-квантов составляла Ео=0,6 КзВ. Коллиматор-защита (радиус - 3 см, угол - 180 град.) и детекторы №1=4. см, D2=16 см.)были приняты идеальными. Объем моделирования для плотностей менее 1.5 г/см3 составлял 200 тыс. историй на одно измерение, для плотностей более - 1.5 г/сы3 - 500 тыс. историй. Увеличение объема моделирования с увеличением плотности материала, связано с тем, при больших значениях плотности значительная доля обратнорассеянного излучения попадает в коллиматор, что приводит к уменьшению числа зарегистрированных гамма-квантов, а следовательно, к увеличению статистической погрешности измерения.

На рис.3 представлена подученная зависимость показателя G от плотности.

Как видно, наблюдается линейная зависимость показателей 6 от. плотности в. диапазоне до. 0,8 г/см3. Причем.его производная по плотности совпадает, со значением массового коэффициента комптоновского рассеяния (dG/dr=-0.078 са^/г). Для плотности более 0,8 г/см3 наблюдается отличие производной показателя б по плотности от массового коэффициента комптоновского рассеяния. Это объясняется увеличением количества гаша-квантов, однократна обратнорассеянных вблизи источника и попавшее в коллиматор-защиту с увеличением плотности материала. Как показал анализ моделирования, с увеличением плотности материала больший процент многократно рассеянных гамма-квантов попадает в детектор, что приводит к увеличению среднего расстояния от источника выхода гамма-квантов, а следовательно, к уменьшению эффекта увеличения коэффициента ослабления.

Изменение энергии используемых источников приводит к изые-■неЕкв наклона тарировочной зависимости, определяемого массовым коэффициентом комптоновского рассеяния для конкретного материала и энергетического диапазона (dG/dr=Mk(E) см2/?).

Рис. 3. Таряровочнач зависимость для контроля плотности дорожного покрытия

- 14 -

Моделирование показало, что при плотностях менее 1.5 г/см3 размеры первого детектора не влияют на точность в оценке плотности дорокного покрытия. Однако для плотностей более 2 г/см3 минимальная погрешность имеет место при ширине кольца первого детектора в 1см. что объясняется также вше приведенными обстоятельствами.

Как показали исследования контролируемая глубина дорожного покрытия распределяется по экспоненциальному закону, практически совпадающим с распределением длины свободного пробега (уменьшение проекции свободного пробега фотонов с отличным от нормального угла ввода компенсируется регистрацией многократно рассеянных гамма-квантов). 'До данному показателю разработанный плотномер не отличается от традиционных. Однако увеличение площади, с которой происходит регистрация обратнорассеянных фотонов, приводит к увеличению контролируемого' объема (в 5... 6 раз по сравнению с традиционными плотномерами), что повышает статистическую устойчивость получаемых результатов и существенно сникает влияние структурной неоднородности материалов (например, наличие крупного заполнителя) на результаты контроля. При использовании источника излучения (С2137) с активностью 0.01 мг-экв йа время одного измерения плотности составляет порядка 1 с. На основании математического моделирования доказана принципиальная возможность осуществления контроля интегральной плотности материалов по коэффициенту ослабления Б с помощью предложенной схемы измерения, обладающей по сравнению с традиционными гамма-альбедо-плотномераки следующими преимуществами: сокращение времени измерения (при той же активности источника) в -100 -200 раз: сокращение активности источника (при том же времени измерения) в 100 - 200 раз; увеличение контролируемого объема в 6 раз.

Высокое быстродействие разработанного плотномера позволяет контролировать плотность материалов в процессе их уплотнения.

В связи с тем, что. как было отмечено, разработанный плотномер контролирует интегральное значение плотности в относительно большом объеме при контроле плотности дорожного покрытия в непрерывном режиме; особое значение имеют частотные его характеристики. На рис.4 представлена реакция плотномера на единичное возмущение, 4 которая позволяет получить передаточную

функцию гамма-плотномера. как динамического звена в системе управления процессом уплотнения

10

\Цг) = I ш! -г . . (7)'

1=1

Р

40 • X, см

40 X, см -

Рис.4. Реакция плотномера на единичное изменение плотности дорожного покрытия

Ери квантовании процесса изменения плотности по координате перемещения Д=4 см значения передаточной функции плотномера И(г) представлены в таблице 1. Нелинейный гарактер реакции на единичное возмущение обусловлен неравномерным зсаракгг:-. I г-зсп-ределения расстояния взаимодействия фотонов, от координаты источника.

' Таблица 1

1 1 ■ г 3 4 5 6 Г 7 8 ; 9 " Чо-

й>! 0.025 0.075 0.09 0.1 0.11 \ 0.11|0.1 0.09 0.075 0:025

Относительно высокие точность и быстродействие разработанного плотномера, а такае высокая степень репрезентативности (из-за относительно большого контролируемого объема) позволяет использовать его для контроля плотности дорожного покрытия в процессе его уплотнения с цель» управления данным процессом.

Структурная схема автоматизированной системы управления процессом уплотнения покрытий автомобильных дорог с применением ганка-плотномера представлена на (рис. 5).

Рис.5. Структурная схема автоматизированной системы

управления процессом уплотнения покрытий автомобильных дорог с применением гамма-плотномера

Эффективность данной системы определяется оптимальным количеством проходов уплотняющей техники е процессе уплотнения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана общая концепция управления процессами уплотнения дорожных покрытий на основе гамма-плотномера на обрат-норассеянном излучении.

2. Разработана математическая модель гамма-плотномера на обратном рассеянии для контроля плотности дорожного покрытия в процессе его уплотнения.

3. Проведена оптимизация гаммагплотномера для контроля дорожного покрытия в процессе его уплотнения.

4. Разработан двухканальный радиальный гамма-плотномер, позволяющий осуществлять оценку плотности материала по интегральному показателю распределения интенсивности обратнорассе-янного излучения. .

5. Разработанный двухканальный радиальный плотномер на об-ратнорассеянном излучении позволяет контролировать плотность дорожного покрытия в процессе его уплотнения. Разработанный гамма-плотномер по сравнения с традиционными обладает существенно более низкой активностью источника, большим быстродействием и контролируемым объемом, фи " использовании источника' Сг137 с активностью 0.01 мг-зкв Ra Ере;.я контроля составляет 1 с, среднегаадратическая погрешность измерения для плотности более 2 г/см3 составляет 0.5%, для диапазона плотностей 1-2 г/см3 составляет 0.3%, для плотностей менее 1 г/ал3 составляет 0.2%. Эффективный контролируемый об-ье^ составляет 1500 см2 дорожного покрытия.

6. Разработана система автоматического упрзздет-и" процессом уплотнения на основе радиационного плотномера.

(

Основные положения диссертация изложены з работах:

1. Бабгеов A.B. ,Сшп>янсз В.В. и др. Руководство по оценке пропускной способности автомобильных дорог.-М.: Трааслор1'Д982.

2. Инструкция по организации движения и сгр^.тдекхо мест производства дорожных работ.-М.: Транспорт, 1395.

3. Воробьез В. А. .Горшков В.А.Бабков A.B. Гамма-тхлс-'пюмер на сбратнорассеянном излучении. Российская с международным участием научко-техническая конферекцяя"Неразрушающкй контроль в науке и индустрии - 94".Тезисы ксяф. .Мгсква ,1994

■4. Гамма-плотномер для контроля композитных материалов (раздел "Математическое моделирование гамма-плотномера"). Научно-исследовательский отчет.МАДЙ, 1993.

5. Гаымаг томограф на образгаорассеянном излучении (раздел "Синтез математической модели взаимодействия гамма-квантов с контролируемым, материалом").Научно-исследовательский отчет. МАЛИ, 1994.

6. Воробьев В.А..Горшков В.А.,Бабков A.B..Воробьев К.В. Измерение интегральной плотности материала по обратнорассеянно-му гамма-иалученив//Дефектоскошш.-1995.-N6 (в печати).