Способ контроля качества очистки щебня с использованием георадара и система контроля качества очистки щебня для его реализации Российский патент 2024 года по МПК E01B27/06 G01K3/06 

Изобретения относятся к области обеспечения ремонта железных дорог, в частности, к определению качества проведенной очистки/вырезки щебеночного балласта щебнеочистительными машинами.

Известен способ определения содержания лещадных зерен в щебне и устройство для его осуществления, предназначенные для оценки качества фракционированного щебня, в котором подлежащую анализу пробу предварительно разделяют на более узкие фракции, после чего зерна ориентируют так, чтобы их продольные оси совпадали с направлением движения зерен по желобам с поперечными щелевыми просветами и ступенчатым продольным профилем (патент RU 2118918 С1, МПК: В07С 5/02, В07 В 1/12, опубл. 20.09.1998) - аналог.

Недостатком известного решения является низкая надежность и сложность решения, связанные с необходимостью изготовления дополнительных сложных конструкций и механизмов, отсутствие решений по цифровизации результатов полученных измерений. Рассматриваемое решение предназначено для обеспечения разовых замеров для решения узких задач проведения экспресс-анализов качества фракционированного щебня.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение в части способа, является повышение контроля качества очистки щебня и повышение достоверности информации о наличии примесей в очищенном щебне, размерах, фракциях и лещадности очищенного щебня, возвращенного в путь.

Указанный технический результат в части способа достигается тем, что что фиксируют сигналы с антенн георадара, одну из которых устанавливают на щебнеочистительной машине до размещения выгребного устройства по ходу движения щебнеочистительной машины, с обеспечением передачи в приемник георадара сигналов о состоянии щебня на ремонтируемом участке железнодорожного пути до его очистки, а вторую антенну и видеокамеру устанавливают на щебнеочистительной машине после ее бункера, распределяющего в путь очищенный щебень, с обеспечением передачи в приемник георадара сигналов о состоянии щебня на ремонтируемом участке железнодорожного пути после проведенной очистки, измеряют влажность окружающей среды с учетом которой обрабатывают сигналы с антенн георадара, обработанные сигналы с антенн и сигналы с видеокамеры передают на устройство обработки данных, выполненное, например, в виде компьютера и осуществляют анализ сигналов с видеокамеры и сравнительный частотный анализ сигналов с первой и второй антенн георадара, на основании которых осуществляют количественную оценку примесей в очищенном щебне, оценку размеров, фракции и лещадности очищенного щебня, возвращенного в путь.

Способ, характеризующийся тем, что используют видеокамеру высокой четкости.

Способ, в котором дополнительно измеряют температуру окружающей среды.

Известен автомобильный комплект георадара "ОКО-3" созданный для проведения скоростного мониторинга автодорожных покрытий и естественного основания. Задачами данного комплекса являются определение толщин и структуры конструктивных слоев дорожной одежды, выделение просадок в слоях дорожной одежды и естественного основания, определение геометрии кровли естественного основания, контроль соответствия строения дорожной одежды проектной документации. Качественные изменения в дорожной конструкции возможно оценить на основе данных регулярного технического и георадиолокационного мониторинга (http://logsys.ru/georadamyj-kompleks-dlya-obsledovaniya-avtodorog) - аналог.

Недостатком известного устройства является невозможность его использования в железнодорожном транспорте, в частности для определения качества очистки щебня (щебнеочистки) железнодорожного пути.

Известна щебнеочистительная машина для очистки загрязненного щебня на железных дорогах, содержащая выгребное устройство и бункер (патент RU №2171869, МПК: Е01В 27/06, опубл. 10.08.2001, БИ №22) - прототип.

Техническим результатом заявляемого решения в части системы является повышение контроля качества очистки щебня и повышение достоверности информации о наличии примесей в очищенном щебне, размерах, фракциях и лещадности очищенного щебня, возвращенного в путь.

Указанный технический результат в части системы достигается тем, что система контроля качества очистки щебня содержит щебнеочистительную машину, георадар с антеннами и приемным устройством (приемником), датчик влажности окружающей среды, видеокамеру и устройство обработки данных, причем одна из антенн установлена на щебнеочистительной машине до размещения выгребного устройства по ходу ее движения, вторая антенна и видеокамера установлены на щебнеочистительной машине после бункера, распределяющего в путь очищенный щебень, а приемник георадара и датчик влажности окружающей среды связаны с устройством обработки данных.

Система, в которой устройство обработки данных выполнено в виде компьютера.

Система, характеризующаяся тем, что приемник георадара и устройство обработки данных расположены в кабине щебнеочистительной машины.

Система, характеризующаяся тем, что может содержать датчик температуры окружающей среды, связанный с устройством обработки данных.

Известны способы применения георадаров (георадарных комплексов) для определения слоев грунтов. Георадар - радиолокатор, для которого исследуемой средой может быть земля, грунт (отсюда наиболее распространенное название). Георадар, представляет собой высокочастотный прибор (от 10 МГц до 1700 МГц), реализующий метод электромагнитных волн высокого разрешения для получения данных о слоях грунтов. Антенна используется для передачи и получения радиолокационных импульсов, генерируемых генератором импульсов. Затем возвращенный импульс обрабатывается для получения данных о слоях почвы. Основное техническое применение - это получение данных о профилях слоев почвы и определение местоположения захороненных (заглубленных) объектов. Георадар обеспечивает непрерывное получение данных о слоях. Однако, ни одно из известных решений не использует георадары (георадарные комплексы) для контроля качества очистки щебня (щебнеочистки) щебнеочистительными машинами (щебнеочистительными комплексами).

Заявляемые решения конкретизированы на фиг. 1, где представлен общий вид заявляемой системы.

Система контроля качества очистки щебня (щебнеочистки) содержит размещенные в щебнеочистительной машине 1 георадар с антеннами 2 и 3 и приемником 4, видеокамеру 5 и устройство обработки данных 6, выполненное, например, в виде компьютера. Система содержит также датчик влажности окружающей среды 7. Антенна 2 установлена на щебнеочистительной машине 1 до размещения выгребного устройства 8 по ходу ее движения, антенна 3 и видеокамера 5 установлены на щебнеочистительной машине 1 после бункера 9, распределяющего в путь очищенный щебень. Приемник георадара 4 связан с устройством обработки данных 6. Для оптимизации достоверности заявляемая система может дополнительно содержать датчик температуры 10, связанный с устройством обработки данных 6.

Для достижения заявленного технического результата возможно использование как одноканальных в связке друг с другом, так и многоканальных георадаров и антенных блоков, например, с частотой, например, 1700 МГц. Данная частота является оптимальной, но не единственно возможной, так как возможно использование антенных блоков для частот как выше, так и ниже, в зависимости от требуемой глубины проникновения излучения. Чем выше частота, тем точнее результат на меньших глубинах.

Скорость распространения электромагнитных волн в среде зависит от ее электрической и магнитной проницаемости.

где n - абсолютный показатель преломления.

Соответственно;

где

n - показатель преломления среды,

- электрическая и магнитная постоянные,

- диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества,

с - скорость света в вакууме,

V - скорость распространения волны в среде.

Следовательно, показатель преломления есть физическая величина, равная отношению скорости электромагнитных волн в вакууме к их скорости в среде, которая зависит от электрической проводимости, в том числе от влажности. Однако, для получения оптимальной достоверности целесообразно включить в систему еще и датчик температуры, связав его с приемником георадара.

Заявляемый способ контроля качества очистки щебня с использованием георадаров (георадарных комплексов) в системах контроля качества щебнеочистки характеризуется тем, что георадар применяется, в следующем порядке:

- антенна 2 устанавливается на щебнеочистительной машине до размещения выгребного устройства 8 (баровой цепи), т.е. до начала участка изъятия щебня. Данная антенна обеспечивает передачу сигналов в приемное устройство (приемник) 4 георадара, об изначальном состоянии щебня на ремонтируемом участке железнодорожного пути;

- антенна 3 устанавливается на щебнеочистительной машине после бункера 9, распределяющего в путь очищенный щебень. Данная антенна обеспечивает передачу сигналов в приемник георадара 4 о состоянии щебня на ремонтируемом участке железнодорожного пути после проведенной очистки щебня;

- на щебнеочистительной машине устанавливается датчик влажности 7, а в некоторых случаях, в зависимости от условий работы и требований к степени достоверности результатов щебнеочистки, еще и датчик температуры 10 окружающей среды, а после бункера 9, распределяющего в путь очищенный щебень, радом с антенной 3 устанавливается видеокамера 5, например, высокой четкости;

- приемник георадара 4 и компьютер 6 для обработки данных устанавливаются на щебнеочистительной машине 1, например, в ее кабине;

- сигналы с антенн 2 и 3 поступают в приемник георадара 4, обрабатываются и передаются в компьютер 6, где, после введения корректировок о температуре и влажности окружающей среды по данным датчиков температуры 10 и влажности 7 окружающей среды, производится частотный анализ сигналов каждой из антенн 1 и 2, и сравнение данных частотного анализа сигналов, за счет чего получают количественную оценку примесей в очищенном щебне;

- сигналы с видеокамеры высокой четкости 5 передаются в компьютер 6 и производится оценка размеров, фракции и лещадности очищенного щебня, возвращенного в путь.

Частотный анализ производится с применением преобразования Фурье и позволяет определить амплитудно-частотные характеристики возвращенного сигнала, что в свою очередь показывает состав исследуемой области (щебня).

Анализ данных с видеокамеры проходит обработку посредством алгоритма сегментации, которая выделяет отдельные камни в общей картине щебенки, после чего выделенные объекты с помощью пропорциональных преобразований обмеряются и делается вывод об их принадлежности к той или иной категории щебня.

На основании описанных данных производится комплексный (количественный и качественный) анализ о качестве проведенной очистки щебня и процентном соотношении к идеальному результату очистки щебня.

Заявляемые решения обеспечивают контроль качества очистки щебня и получение объективной информации о наличии и процентном составе примесей (засорителей) в щебеночном балласте железнодорожного пути, получаемые в результате обработки и анализа данных георадара (георадарного комплекса) на ремонтируемом участке пути до и после проведения работ по очистке балласта щебнеочистительными машинами, а также возможность по результатам анализа этой информации получения данных о качестве проведенных работ.

Таким образом, заявляемые решения в части применения данных георадаров, видеокамеры высокой четкости, датчиков температуры и влажности окружающей среды в системах контроля качества щебнеочистки позволяют при использовании получить следующие преимущества:

- получение данных в цифровом формате о качестве проведенной щебнеочистки, включая процентом составе примесей (засорителей) в щебеночном балласте до и после проведенной очистки щебня, о размерах, фракции и лещадности очищенного щебня, возвращенного в путь, что в совокупности позволяет обеспечить повышение контроля за качеством ремонтов железнодорожного пути.

Изобретения относятся к области обеспечения ремонта железных дорог, в частности к определению качества проведенной очистки/вырезки щебеночного балласта щебнеочистительными машинами. Заявляемые решения направлены повышение контроля качества очистки щебня и повышение достоверности информации о наличии примесей в очищенном щебне, размерах, фракциях и лещадности очищенного щебня, возвращенного в путь. Для чего фиксируют сигналы с антенн георадара, одну из которых устанавливают на щебнеочистительной машине до размещения выгребного устройства, с обеспечением передачи в приемник георадара сигналов о состоянии щебня на ремонтируемом участке железнодорожного пути до его очистки, а вторую антенну - на щебнеочистительной машине после ее бункера, распределяющего в путь очищенный щебень, с обеспечением передачи в приемник георадара сигналов о состоянии щебня на ремонтируемом участке железнодорожного пути после проведенной очистки, измеряют влажность окружающей среды, с учетом которой обрабатывают сигналы с антенн георадара, обработанные сигналы с антенн и сигналы с видеокамеры передают на устройство обработки данных и осуществляют анализ сигналов с видеокамеры и сравнительный частотный анализ сигналов с антенн георадара, на основании которых осуществляют количественную оценку примесей в очищенном щебне, оценку размеров, фракции и лещадности очищенного щебня, возвращенного в путь. Система контроля качества щебнеочистки содержит щебнеочистительную машину, георадар с антеннами, датчик влажности окружающей среды, видеокамеру и устройство обработки данных. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля качества очистки щебня с использованием георадара, заключающийся в том, что фиксируют сигналы с его антенн, одну из которых устанавливают на щебнеочистительной машине до размещения выгребного устройства, с обеспечением передачи в приемник георадара сигналов о состоянии щебня на ремонтируемом участке железнодорожного пути до его очистки, а вторую антенну георадара и видеокамеру устанавливают на щебнеочистительной машине после ее бункера, распределяющего в путь очищенный щебень, с обеспечением передачи в приемник георадара сигналов о состоянии щебня на ремонтируемом участке железнодорожного пути после проведенной очистки, измеряют влажность окружающей среды, с учетом которой обрабатывают сигналы с антенн, обработанные сигналы с антенн и сигналы с видеокамеры передают на устройство обработки данных и осуществляют анализ сигналов с видеокамеры и сравнительный частотный анализ сигналов с первой и второй антенн георадара, на основании которых осуществляют количественную оценку примесей в очищенном щебне, оценку размеров, фракции и лещадности очищенного щебня, возвращенного в путь.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют видеокамеру высокой четкости.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют температуру окружающей среды.

4. Система контроля качества очистки щебня, содержащая щебнеочистительную машину, отличающаяся тем, что содержит георадар с антеннами и приемником, датчик влажности окружающей среды, видеокамеру и устройство обработки данных, причем одна из антенн установлена на щебнеочистительной машине до размещения выгребного устройства по ходу ее движения, вторая антенна и видеокамера установлены на щебнеочистительной машине после бункера, распределяющего в путь очищенный щебень, а приемник георадара и датчик влажности окружающей среды связаны с устройством обработки данных.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что устройство обработки данных выполнено в виде компьютера.

6. Система по п.4, отличающаяся тем, что приемник георадара и устройство обработки данных расположены в кабине щебнеочистительной машины.

7. Система по п.4, отличающаяся тем, что содержит датчик температуры окружающей среды, связанный с устройством обработки данных.