Устройство контроля степени уплотнения материала Советский патент 1988 года по МПК E02D1/00 G01N3/32 

со оо 00

СП Ю

Изобретение относится к виброизмерительной технике, может быть использовано в строительстве для измерения степени уплотнения грунтов и других материалов в процессе их уплотнения и позволяет повысить точность контроля степени уплотнения материалов. Устройство содержит вибропреобразователь 1, расположенный на вибрирующем органе машины, измерительный блок 2, индикатор 3, блок 4 регистрации. Измерительный блок 2 состоит из блока 5 разделения полуволн, первого интегратора 6, второго интегратора 7, блока 8 измерения отношения и коммутатора 9. Вибропреобразователь содержит последовательно соединенные пьезоакселерометр, согласующий усилитель, фильтр низких частот и интегратор. Один из вариантов блока 5 разделения полуволн содержит триггер Шмитта, первый ключ, инвертор и второй ключ. Другой вариант блока 5 содержит первый ключ, последовательно соединенные инвертирующий повторитель и второй ключ. Блок 8 измерения отношения содержит аналоговый делитель напряжения и запоминающий блок. Коммутатор 9 имеет триггер Шмитта, счетный триггер, инвертор, три схемы И и формирователь. 3 з.п. ф-лы, 7 ил. сл

(pLiai

Изобретение относится к виброизмерительной технике, в частности к технике непрерывного контроля качества выполнения работ, и может быть использовано в строительстве для измерения степени уплотнения грунтов и других материалов в процессе их уплотнения.

Цель изобретения - повышение точности контроля степени уплотнения материала.

На фиг. 1 функциональная схема устройства контроля степени уплотнения материала; на фиг. 2 - функциональная схема вибропреобразователя; на фиг. 3 и 4 - функциональные схемы блока разделения полуволн; на фиг. 5 - функциональная схема блока измерения отношения; на фиг. 6 - функциональная схема коммутатора; на фиг. 7 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство контроля степени уплотнения материала (фиг. 1) содержит вибропреобразователь 1, расположенный на вибри- руюшем органе машины (не показан), измерительный блок 2, индикатор 3, блок 4 регистрации. Измерительный блок 2 состоит из блока 5 разделения полуволн, первого интегратора 6, второго интегратора 7, блока 8 измерения отношения и коммутатора 9. Вход блока 5 разделения полуволн подключен к выходу вибропреобразователя 1, а его соответствуюш,ие выходы соединены с входом первого итегратора бис входом второго интегратора 7. Выходы этих блоков подключены к соответствуюц им входам блока 8, выход которого соединен с индикатором 3. Вход коммутатора 9 подключен к выходу вибропреобразователя 1, его выходы подключены к соответствующим управляющим входам блока разделения полуволн 5, выходы коммутатора 9 подключены соответственно к управляющим входам первого интегратора 6 и второго интегратора 7, кроме того, один из выходов коммутатора 9 соединен с управляющим входом блока 8 измерения отношения. Блок 4 регистрации подключен к выходу вибропреобразователя 1 и к выходу измерительного блока 2.

Вибропреобразователь 1 (фиг. 2) содержит последовательно соединенные пьезоаксе- лерометр 10, согласующий усилитель 11, фильтр 12 низких частот и интегратор 13. Выход интегратора 13 подключен к выходу вибропреобразователя 1.

Один из вариантов блока 5 разделения

10

0

35

40

/ с м -)

ключей к выходу блока 5 разделения полуволн. Кроме того, управляющие входы первого 15 и второго 16 ключей соединены с соответствующими управляющими входами блока 5 разделения полуволн.

Другой вариант блока 5 разделения полуволн (фиг. 4) содержит первый ключ 18, последовательно соединенные инвертирующий повторитель 19 и второй ключ 20. При этом вход первого ключа 18 и вход инвертирующего повторителя 19 подключены к входу блока 5 разделения полуволн, а выходы первого 18 и второго 20 ключей соединены соответственно с выходами блока 5 разделения полуволн. Кроме того, управляющие входы первого 18 и второго 20 ключей соединены с соответствующими управляющими входами блока 5 разделения полуволн.

Блок 8 измерения отношения (фиг. 5) содержит последовательно соединенные аналоговый делитель 21 напряжения и запоминающий блок 22. При этом входы аналогового делителя 21 напряжения подключены к соответствующим входам блока 8, выход запоминающего блока 22 соединен с выходом блока 8, а управляющий вход з.а- поминающего устройства 22 соединен с управляющим входом блока 8 измерения отношения.

Коммутатор 9 (фиг. 6) содержит триггер Шмитта 23, входом соединенный со входом блока 9, счетный триггер 24 инвертор 25, входы которых соединены со входом триггера Шмитта 23, схемы И 26, 27, 28, формирователь 29 коротких импульсов. При этом входы cxeiyibi И 26 соединены с выходом триггера Шмитта 23 и с первым выходом счетного триггера 24, входы схемы И 27 соединены с выходом инвертора 25 и с первым выходом счетного триггера 24, входы схемы И 28 соединены с вторым выходом счетного триггера 24 и с выходом инвертора 25, входы формирователя 29 коротких импульсов подключены к второму выходу счетного триггера 24 и к выходу триггера Шмитта 23. Выходы схем И 26 и 27 подключены соответственно к выходам блока 9, выход схемы И 28 соединен с выходами блока 9, выход формирователя 29 коротких импульсов подключен к выходу блока 9.

На фиг. 7 приведены диаграммы напряжений на выходах и входах элементов схемы устройства с первым вариантом блока разделения полуволн, где: диаграмма

полуволн (фиг. 3) содержит триггер Шмиттаtg 30 - сигнал на выходе фильтра 12 низких

14, вход которого подключен к входу блокачастот; диаграмма 31 - сигнал на выходе

5 разделения полуволн, первый ключ 15,вибропреобразователя 1; диаграмма 32 -

входом соединенный с выходом триггерасигнал на выходе триггера Шмитта 14;

Шмитта 14, последовательно соединенныедиаграмма 33 - сигнал на выходе блока 9,

инвертор 16 и второй ключ 17. При этомдиаграмма 34 - сигнал на выходе блока 9;

вход инвертора 16 соединен с выходом триг-55 диаграмма 35 - сигнал на выходе блока 9; гера Шмитта 14, выход первого ключа 15 подключен к выходу блока 5 разделения полуволн, а выход которого ключа 17 поддиаграмма 36 - сигнал на выходе блока 9; диаграмма 37 - сигнал на выходе первого интегратора 6; диаграмма 38 - сигнал на

0

0

5

0

с -)

ключей к выходу блока 5 разделения полуволн. Кроме того, управляющие входы первого 15 и второго 16 ключей соединены с соответствующими управляющими входами блока 5 разделения полуволн.

Другой вариант блока 5 разделения полуволн (фиг. 4) содержит первый ключ 18, последовательно соединенные инвертирующий повторитель 19 и второй ключ 20. При этом вход первого ключа 18 и вход инвертирующего повторителя 19 подключены к входу блока 5 разделения полуволн, а выходы первого 18 и второго 20 ключей соединены соответственно с выходами блока 5 разделения полуволн. Кроме того, управляющие входы первого 18 и второго 20 ключей соединены с соответствующими управляющими входами блока 5 разделения полуволн.

Блок 8 измерения отношения (фиг. 5) содержит последовательно соединенные аналоговый делитель 21 напряжения и запоминающий блок 22. При этом входы аналогового делителя 21 напряжения подключены к соответствующим входам блока 8, выход запоминающего блока 22 соединен с выходом блока 8, а управляющий вход з.а- поминающего устройства 22 соединен с управляющим входом блока 8 измерения отношения.

Коммутатор 9 (фиг. 6) содержит триггер Шмитта 23, входом соединенный со входом блока 9, счетный триггер 24 инвертор 25, входы которых соединены со входом триггера Шмитта 23, схемы И 26, 27, 28, формирователь 29 коротких импульсов. При этом входы cxeiyibi И 26 соединены с выходом триггера Шмитта 23 и с первым выходом счетного триггера 24, входы схемы И 27 соединены с выходом инвертора 25 и с первым выходом счетного триггера 24, входы схемы И 28 соединены с вторым выходом счетного триггера 24 и с выходом инвертора 25, входы формирователя 29 коротких импульсов подключены к второму выходу счетного триггера 24 и к выходу триггера Шмитта 23. Выходы схем И 26 и 27 подключены соответственно к выходам блока 9, выход схемы И 28 соединен с выходами блока 9, выход формирователя 29 коротких импульсов подключен к выходу блока 9.

На фиг. 7 приведены диаграммы напряжений на выходах и входах элементов схемы устройства с первым вариантом блока разделения полуволн, где: диаграмма

диаграмма 35 - сигнал на выходе блока 9;

диаграмма 36 - сигнал на выходе блока 9; диаграмма 37 - сигнал на выходе первого интегратора 6; диаграмма 38 - сигнал на

выходе второго интегратора 7; диаграмма 39- сигнал на выходе аналогового делителя 2 напряжения; диаграмма 40 - сигнал на выходе запоминающего блока 22.

На диаграммах моменты времени ti, ts, te, tio соответствуют началу очередного процесса измерения во время первого перехода через нуль при возрастании напряжения на выходе вибропреобразователя 1, моменты времени t2, t - первому переходу через нуль при спаде напряжения на выходе вибро- преобразователя 1, моменты времени ta. is - второму переходу через нуль при возрастании напряжения на выходе вибропреобразователя 1, моменты времени t4, tg . концу очередного процесса измерения во время второго перехода через нуль при спаде напряжения на выходе вибропреобразователя 1. При этом моменты времени ti-ts соответствуют процессу измерения при небольшой степени уплотнения материала, а моменты времени te-tio соответствуют про- цессу измерения при большой степени уплотнения материала.

Устройство работает следуюшим образом.

Колебания вибрируюш,его органа воспринимаются вибропреобразователем 1 (фиг. 1) и преобразуются им в электрическое напряжение, пропорциональное виброскорости V вибрирующего органа (диаграмма 31, фиг. 7). Отличие колебаний вибрирующего органа от синусоидальной формы обусловлено тем, что вибрационная машина вза- имодействует с грунтовым полупространством. При этом происходят отрывы вибрирующего органа от поверхности грунта, причем время пребывания вибрирующего органа в воздухе превышает полупериод колебаний. С выхода вибропреобразователя 1 напряжение, пропорциональное виброскорости V колебаний вибрирующего органа, поступает на вход блока 5 разделения и на вход блока 4 регистрации. В блоке 5 разделения полуволн происходит разделение положительной и отрицательной полуволн входного сигнала и обеспечивается поступление положи тельных полуволн с выхода 11 на вход первого интегратора 6 и отрицательных полуволн с выхода 12 на вход второго интегратора 7. Кроме того, в нем производится преобразование входного сигнала в прямоугольные импульсы с той же частотой (диаграмма 32). В первом 6 и втором 7 интеграторах производится интегрирование поступающих сигналов и запоминание результата интегрирования. Прямоуголь- ные импульсы, длительность которых равна длительности положительной и отрицательной полуволн виброскорости V, преобразуются в блоках 6 и 7 в пропорциональные этим длительностям напряжения (диаграммы 37 - моменты времени ti-12 и 38 - моменты времени ). В случае варианта блока 5 разделения полуволн положительная и отрицательная полуволны (диаграммы 41 н 42) преобразуются в напряжения, пропорциональные площади положительЧ

ной полуволны виброскоростиК 5 U:,(t) dt

t,

(диаграмма 43 - моменты времени ti-ta) и площади отрицательной полуволны виброскорости к Ui,.(t)dt (диаграмма 44-

менты времени t2-1з). После завершения процесса преобразования результаты интегрирования запоминаются (диаграмма 37 момент времени to, диаграмма 39 - момент времени з), диаграмма 43 - момент времени ta, диаграмма 44 - момент времени ts) и поступают на соответствующие входы блока 8. В блоке 8 измерения отношения производится деление напряжения с выхода блока 7 на напряжение с выхода блока 6. Далее напряжение, явившееся результатом деления (диаграмма 39 - момент времени ts), запоминается и подается на вход индикатора 3 (диаграмма 40 - момент времени ts). После появления импульсов на выходах блока 9 (диаграмма 36 - момент времени t,)) происходит стирание информации в первом 6 и втором 7 интеграторах и весь процесс измерения вновь повторяется.

Когда плотность грунта мала, грунтовое полупространство незначительно влияет на процесс колебаний вибрируюшего органа вибромашины, поэтому длительность (ta-ti) положительной полуволны виброскорости V (диаграмма 31, моменты времени ti-to) почти равна длительности (ta-to), а следовательно, и напряжения Ui и Do (диаграмма 37 - момент времени, ts, диаграмма 38 - момент времени ta) на выходах первого и второго 7 интеграторов почти равны. Это означает, что отношение этих напряжений U2/U: будет небольшим и показания индикатора 3 - низкими (диаграмма 40 - момент времени ta). При большой плотности грунта у него увеличивается сила реакции на периодические динамические нагрузки от вибрирующего органа, поэтому грунт будет значительнее влиять на процесс колебаний вибрирующего органа, изменяя форму его колебаний. Это приводит к тому, что длительность () положительной полуволны виброскорости V (диаграмма 31 - моменты времени te-tio) значительно отличается от длительности (tg-ty) отрицательной полуволны виброскорости V, поэтому отношение на 1ряже- ний U4/Us будет больше (диаграмма 39 - момент времени ts) и показания индикатора 3 более высокими (диаграмма 40 - момент времени t).

Показания индикатора 3 не зависят от частоты вибрации рабочего органа вибрационной машины. Независимость показаний от частоты видна из следующего. Сигнал, явившийся результатом преобразования механических колебаний вибрирующего органа в электрическое напряжение с помощью пьезоакселерометра 10 (фиг. 2), содержащегося в вибропреобразователе 1 (фиг. 1), (диаграмма 30, фиг. 7) может быть представлен в виде ряда гармонических компонент (ряда Фурье)

U.(t) C,+ r|jQ |-Cos K 2jif-t+argQ), (1)

где Т (1з- t2) + (t2-ti) - период колебании сигнала и„(1) с частотой f; 10 TO (ts-t2)-f (tz-ti) - период колебаний сигнала U«(t) с частотой fo. Тогда , , , ,

Т (t3-t2) + (t2-ti) i- Т„

n

(5)

гдеиа(1) - сигнал н а выходе пьезоакселерометра 10;

Со - постоянный член; Ck - амплитуда К-й гармонической

компоненты; ,1,2,..., номер гармонической компонен- 15

ты;

f - частота сигнала; argCj, - фаза гармонической компоненЭтот сигнал проходит через интегра- Q Отношение длительностей полуволн равно тор 13, также содержащий в вибропреобразователе 1, который описывается выраже-ts-iz

нием:

(t3-t2) + (t2-tl)

п

(t3-t2)+ (t2-t,).

(t3-t2)

n(t3-t2)

t2-t ,4-(t2-t,)n(t2-t,)

U4t) К I U,(t)dt+ Uo,

(2)

на выходе интегратогдеиЛ1) -сигнал pa 13;

К. - nr - коэффициент усиления интегра тора 13;

и„ - начальное условие интегрирования.

Для напряжений, изменяющихся по ко- синусоидальному закону U(t)UCoscot, формула для выходного напряжения интегратора 13 будет иметь вид

) - j(5 UCoscot dt-f Uo (3)

2nfRC

.sinwt-l- Uo,

где - круговая частота, с .

Из выражения (3) видно, что амплитуда выходного сигнала обратно пропорциональна частоте, но это приводит лишь к тому, что гармонические компоненты на выходе интегратора 13 будут иметь различную амплитуду, убывающую по мере возрастания номера гармоники. Если сигнал Uo(t) будет иметь определенную амплитуду и форму (диаграмма 30) при частоте fo, то сигнал на выходе интегратора 13 будет иметь вид, изображенный на диаграмме 32. При изменении частоты сигнала Ua(t) в п раз при той же амплитуде и форме

45

50

Колебания вибрирующего органа воспринимаются пьезоакселерометром 11 и преобразуются им в электрическое напряжение, пропорциональное виброускорению а вибрирующего органа. Далее это напряжение проходит через согласующий усилитель 11 с высокоомным входом, предназначенным для устранения влияния последующих каскадов устройства на работу пьезоакселерометра 10, и через фильтр 12 низких частот, в котором подавляются паразитные высокочастотные составляющие вибрации. С выхода фильтра низких частот 12 сигнал поступает на интегратор 13, где электрическое напряжение, пропорциональное виброускорению а преобразуется в напряжение, пропорциональнгое виброскорости V рабочего

i

органа вибромашины Uu(t)KS Uo(t)dt (диаграмма 31, фиг. 7). С выхода интегратора 13 сигнал поступает на выход вибропреобразователя 1.

Работа блока 5 разделения полуволн

сигнала, на выходе интегратора 13 появится 55 по функциональной схеме (фиг. 3) состоит

сигнал с частотой f nfo и формой такой же, как и на диаграмме 31, но с амплитудой, в п раз меньшей.

в следующем.

С выхода вибропреобразователя 1 напряжение С„(1) поступает на вход триггера

Поскольку при изменении частоты форма сигнала на выходе интегратора 13 не изменяется, то отнощение длительностей положительной и отрицательной полуволн будет также независимым от частоты.

г ±

Если nfo, или

т t т

1- - io,

(4)

где Т (1з- t2) + (t2-ti) - период колебании сигнала и„(1) с частотой f; TO (ts-t2)-f (tz-ti) - период колебаний сигнала U«(t) с частотой fo. Тогда , , , ,

Т (t3-t2) + (t2-ti) i- Т„

n

(5)

(t3-t2) + (t2-tl)

п

(t3-t2)+ (t2-t,).

тельностей полуволн

(t3-t2)

n(t3-t2)

t2-t ,4-(t2-t,)n(t2-t,)

(6)

0

5

0

5

0

Итак, в устройстве при измерении отношения длительностей полуволн виброскорости V показания индикатора не зависят от частоты вибрации рабочего органа вибромашины.

Работа вибропреобразователя 1 по функциональной схеме (фиг. 2) состоит в следующем.

Колебания вибрирующего органа воспринимаются пьезоакселерометром 11 и преобразуются им в электрическое напряжение, пропорциональное виброускорению а вибрирующего органа. Далее это напряжение проходит через согласующий усилитель 11 с высокоомным входом, предназначенным для устранения влияния последующих каскадов устройства на работу пьезоакселерометра 10, и через фильтр 12 низких частот, в котором подавляются паразитные высокочастотные составляющие вибрации. С выхода фильтра низких частот 12 сигнал поступает на интегратор 13, где электрическое напряжение, пропорциональное виброускорению а преобразуется в напряжение, пропорциональнгое виброскорости V рабочего

i

органа вибромашины Uu(t)KS Uo(t)dt (диаграмма 31, фиг. 7). С выхода интегратора 13 сигнал поступает на выход вибропреобразователя 1.

Работа блока 5 разделения полуволн

5 по функциональной схеме (фиг. 3) состоит

в следующем.

С выхода вибропреобразователя 1 напряжение С„(1) поступает на вход триггера

Шмитта 14, который преобразует это напряжение в прямоугольные импульсы с той же частотой (диаграмма 34). Далее эти импульсы поступают на вход первого ключа 15 и через инвертор 16 на вход второго ключа 17. Блок 9 (фиг. 1) формирует такие сигналы на своих выходах (диаграмма 33 - момент времени ti, диаграммы 34 - момент времени t2), чтобы один раз за два периода колебаний импульсы через ключи 15 и 16 проходили соответственно на вход первого 6 и второго 7 интеграторов.

Работа блока 5 разделения полуволн (2-й вариант) по функциональной схеме (фиг. 6) состоит в следующем.

С выхода вибропреобразователя 1 напряжение U(,(t) поступает на вход первого ключа 18 и на вход инвертирующего повторителя 19. С выхода инвертирующего повторителя 19 сигнал, противофазный входному, подается на вход второго ключа 20. Блок 9 управления формирует такие сигна- лы на своих выходах, чтобы один раз за два периода колебаний положительная полуволна через первый ключ 18 проходила на вход первого интегратора 6 (диаграмма 41 - момент времени ti), а отрицательная полуволна через второй ключ 20 прохо- дила на вход второго интегратора 7 (диаграмма 42 - момент времени t2).

Работа блока 8 (фиг. 5) состоит в следующем.

С выхода интеграторов 6 и 7 сигналы Ui и U2 (диаграммы 37 и 38 - моменты времени t2-i) или Us и Ue (диаграммы 43 и 44 - моменты времени t2-(4) поступают на входы аналогового делителя 21 напряжения, в котором производится деление напряжения с выхода интегратора 7 на напряжение с выхода интегратора 6. Далее напряжение, явивщееся результатом деления (диаграмма 39 - момент времени ts) или диаграмма 45 - момент времени is), поступает на вход запоминающего устройства 33, где после появления управляющего импульса с выхода коммутатора 9 (диаграмма 35 - момент времени ts) оно запоминается и подается на выход блока 8.

Работа коммутатора 9 (фиг. 6) состоит в следующем.

С выхода вибропреобразователя 1 сигнал Ut.(t) поступает на вход триггера Шмитта 23. В нем он преобразуется в прямоугольные импульсы той же частоты и поступает на вход инвертора 25 и на вход счетного триггера 24, в котором частота этих импульсов делится на 2. После этого импульсы с выхода триггера Шмитта 23, с выхода инвертора 25 и с выходов счетного триггера 24, сигнал второго выхода которого является противофазным относительно сигнала на первом его выходе., подаются на соответствующие входы схем И 26, 27, 28 и формирователя 29 коротких импульсов. В результате на выходах схем И 26, 27, 28

0

Q 5

0

0

5

0

5

появляются соответствующие импульсы (диаграмма 33 - момент времени ti, диаграмма 34 - момент времени t2, диаграмма 36 - момент времени (4). В формирователе 29 коротких импульсов происходит формирование импульса (диаграмма 35 - момент времени 1з) для возможности записи в запоминающем устройстве 22 результат.а деления до момента сброса информации в интеграторах 6 и 7 импульсами с выходов блока 9 (диаграмма 36 - момент времени t4).

В качестве вибропреобразователя, кроме пьезоакселерометра со встроенным согласующим усилителем и интегратором, может использоваться, например, индукционный преобразователь, выходная величина которого пропорциональна виброскорости. В качестве регистрирующей аппаратуры используется портативный магнитограф в режиме записи с частотной модуляцией (ЧМ режима), но кроме него может быть использован любой другой магнитограф или быстродействующий самопищущий прибор.

Устройство работает в диапазоне частот вибрации от 5 до 100 Гц и может использоваться для непрерывного контроля степени уплотнения материала с установкой на различные типы виброкатков, что обусловлено отсутствием зависимости показаний индикатора от частоты вибрации вибрирующего органа.

Формула изобретения

Фиг. 2

Фаг.4

повторителя подключен к одному входу второго ключа, другие входы ключей являются вторым и третьим входами блока разделения полуволн, а выходы ключей являются выходами блока разделения полуволн. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок измерения отнощения выполнен в виде последовательно соединенных аналогового делителя и запоминающего устройства, причем два входа аналогового делителя являются двумя входами блока измерения отношения, один из входов запоминающего устройства является третьим входом блока измерения отнощения, а выход запоминающего устройства является выходом блока измерения отнощения.

Фа.5

Фиг. В

и

50 31 32 3J

34 35

5 37

53

33

:

фи5.7