РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ БЕТОННЫХ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2023 года по МПК G01N33/38 G01N27/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего контроля (НК) качества бетонных и железобетонных конструкций в процессе эксплуатации.

Общеизвестные методы НК:

- Ультразвуковые

- Магнитные

- Механические

- Радиографические

- Резонансные.

Наиболее распространены ультразвуковые (акустические) методы контроля, см. патенты РФ №2004106290, №2645903, №2156452, №2442153, №2279069 и др.

Все они имеют свои достоинства и недостатки. Общим недостатком является недостаточная глубина проникновения в контролируемую среду, так, например, измерить толщину бетонной (железобетонной) стенки величиной 0,5-1,0 м практически невозможно. В действительности в строительной индустрии наступила «инженерная необходимость» мониторинга бетонных сооружений как долгосрочного, так и текущего.

В предлагаемом изобретении применен радиолокационный метод НК. Автор утверждает, что в известных источниках этот метод (способ) не обнаружил (для контроля бетонных, железобетонных и гидротехнических сооружений). Конечно, известны георадары, но их принцип работы коренным образом отличается от предложенного.

Геолокаторы основаны на применении широкополосных с ЛЧМ. Они обладают высокой разрешающей способностью и высокое угловое разрешение, но недостаточный радиус проникновения в контролируемую среду. Это все для классической радиолокации, но для бетона это не нужно.

В предлагаемом техническом решении применена внутренняя когерентность способа и (при необходимости) быстрое получение голографического синтеза 3D изображения при подключении ПК, т.е. возможность получения внутреннего строения бетона: сколы, трещины, внутренние напряжения, инородные и пр., а при соответств. СПО можно определять расположение железной арматуры и ее отклонения от нормы.

Технической задачей изобретения является обеспечение мониторинга контролируемых бетонных конструкций, тем самым повышение надежности эксплуатации конструктивных сооружений и конструкций.

Технический результат достигается за счет применения РЛС с непрерывным зондирующим ВЧ-сигналом с разными частотами во времени, приема отраженных от контролирующего материала по двум разнесенным каналам и их цифровой обработке.

Для решения поставленной задачи предлагается радиолокационный способ контроля бетонных и железобетонных сооружений, основанный на программно-аппаратном методе с разнесенными приемными антеннами, характеризующийся тем, что контролируемый участок зондируют непрерывными электромагнитными радиоимпульсами высокой частоты по двум независимым каналам, отраженные от задней стенки сигналы принимаются с фиксацией времени между зондирующим и отраженными сигналами - время задержек τ₁ и τ₂ и, зная расстояние между передатчиком и первым и вторым приемниками B₁ и В₂, а также скорость распространения электромагнитной волны в бетоне ≈ С_бет, вычисляем толщину бетона Н по формуле

где

Н - толщина стенки;

B₁ - расстояние от передатчика до первого приемника;

В₂ - расстояние от передатчика до второго приемника;

А₀ - отношение задержек .

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства, на которой изображено:

1 - передатчик зондирующих сигналов

2 - первый приемник отраженных сигналов

3 - второй приемник отраженных сигналов

4 - блок обработки отраженных сигналов и синхронизации РЛС

5 - вычислитель измеряемых параметров (ВИП)

6 - специальное программное обеспечение (СПО)

блок питания условно не показан.

Схема имеет следующие соединения.

Передатчик 1 через свою антенну зондирующими лучами и отраженными лучами I₁ и I₂ соединен с первым и вторым приемником 2 и 3 соответственно, выходы которых соединены блоком обработки 4 и далее с вычислителем 5, информационный выход которого соединен с ЖКИ и принтером (на схеме условно не показаны) СПО 6 соединено с вычислителем 5 двунаправленной шиной Ш.

На фиг. 2 показан ход лучей в бетоне и мерные базы между передатчиком и приемниками.

Схема работает следующим образом. В основу измерения толщины бетонной стенки (далее бетона) предложен радиолокационный способ на основе одного зондирующего канала и двух приемных с вычислением задержек относительно зондирующего сигнала, которые пропорциональны толщине бетона. Особенность идеи - это максимальная простота РЛС, при высокой эффективности. Зондирующий непрерывный гармонический сигнал излучается под углом от передней плоскости (стенки) бетона, отражается от задней плоскости (стенки) и принимается разнесенными на небольшой интервал двумя приемниками, усиливается, фильтруется и по двум каналам поступает на блок обработки, где определяется время задержек τ₁ и τ₂, а затем, зная скорость распространения электромагнитной волны в бетоне и углы отражения ее от поверхностей бетона, вычисляется толщина бетона Н и влажность ε по выражениям:

из схемы на фиг. 2 получаем

Время задержки сигналов 1 и 2

τ_зад1 и τ_зад2 - измеряемые параметры по 1 и 2 каналам локации.

Поделим (3 на (2) и подставим l₁ и l₂ (1,2) получим

Обозначим

Тогда из (6) получим

Итак: измерение Н не зависит от С_бет, а определяется только значением

Вычисляем С_бет

Подставляя в выражения 1 и 2 вычисленные по (8) значения Н и далее эти значения С₂ и C₁ в выражение (9) получим оценку С_бет и собственно ε бетона

Итак, измеряем τ_зад2, τ_зад1 и Δτ, по ним независимо вычисляем Н, С_бет. По С_бет вычисляем ε и, следовательно, влажность бетона.

Предполагаемые характеристики

1. Измеряемые параметры

1.1. - толщина бетона при одностороннем доступе. Диапазон измерения 10 см÷3 м.

1.2. - ε бетона (влажность)

Погрешность измерения, исходя из требований измерения толщины ~ 1÷2%

(радиочастотная влагометрия)

2. Принцип работы:

Зондирование бетонных конструкций (ППРЛ) двумя независимыми каналами ППРЛ: стенке-отображение от задней стенки причем в двух разнесенных точках фиг. 1

Общие положения по параметрам аппаратуры

*Большое затухание при высокой влажности вынуждает использовать относительно низкие зондирующие частоты: 30÷100 МГц

*Цель одна - задняя стенка - поэтому высокое разрешение не требуется и можно использовать для измерения задержек узкополосные (одна частота) сигналы и фазовые методы измерения задержек.

*Желателен прямой контакт антенн дефектоскопа с бетоном. Наиболее подходят для этого магнитные антенны возможно перестраиваемые по частоте при выборе частоты зондирования. (Важно учитывать влияние среды на параметры антенн, особенно фазовых характеристик).

*Можно измерять на нескольких несущих частотах последовательно. При этом выделяются частотные характеристики ε и затухания в бетоне.

Надо связать важность этих характеристик для контроля бетона.

*Для измерения фазы и затухания можно использовать алгоритмы квадратурной обработки.

Использование: для контроля бетонных и железобетонных сооружений. Сущность изобретения заключается в том, что контролируемый участок зондируют непрерывными электромагнитными радиоимпульсами высокой частоты по двум независимым каналам, отраженные от задней стенки сигналы принимаются с фиксацией времени между зондирующим и отраженными сигналами - время задержек τ₁ и τ₂ и, зная расстояние между передатчиком и первым и вторым приемниками B₁ и В₂, а также скорость распространения электромагнитной волны в бетоне С_бет, определяют толщину бетона Н по заданной математической формуле. Технический результат: обеспечение возможности контроля бетонных и железобетонных сооружений большой толщины. 2 ил.

Радиолокационный способ контроля бетонных и железобетонных сооружений, основанный на программно-аппаратном методе с разнесенными приемными антеннами, характеризующийся тем, что контролируемый участок зондируют непрерывными электромагнитными радиоимпульсами высокой частоты по двум независимым каналам, отраженные от задней стенки сигналы принимаются с фиксацией времени между зондирующим и отраженными сигналами - время задержек τ₁ и τ₂ и, зная расстояние между передатчиком и первым и вторым приемниками B₁ и В₂, а также скорость распространения электромагнитной волны в бетоне ≈ С_бет, вычисляем толщину бетона Н по формуле

где

Н - толщина стенки;

B₁ - расстояние от передатчика до первого приемника;

В₂ - расстояние от передатчика до второго приемника;

А₀ - отношение задержек .