Измерительный зонд для автоматизированного мониторинга остаточных деформаций многослойных дорожных конструкций

Полезная модель относится к области мониторинга состояния автомобильных дорог в процессе их эксплуатации, в частности к исследованию накопления остаточных деформаций в рабочем слое грунта земляного полотна и конструктивных слоях дорожной одежды.
Известны аналоги, «Устройство для мониторинга накопления остаточных деформаций в элементах дорожной конструкции» (см. RU № 121585 G 01 N 3/02 опубликовано 27.10.2012 г.).
Наиболее близким аналогом является «Устройство для мониторинга накопления остаточных деформаций в элементах дорожной конструкции» (см. RU № 161920 G 01 N 3/02 опубликовано 20.05.2015 г.), включающее измерительное устройство в виде зонда с размещенными внутри датчиками и снаружи магнитными сборками, состоящими каждая из двух кольцевых магнитов с межслойным диском, при этом зонд содержит внешнюю цельную металлическую трубку, с размещенными снаружи магнитными сборками, состоящими каждая из двух кольцевых магнитов с межслойным диском, и внутреннюю металлопластиковую трубку с измерительными датчиками, полость между измерительными датчиками и металлопластиковой трубкой заполнена кремнийорганическим компаундом, при этом на внешней металлической трубке дополнительно установлен индуктивный модуль.
Недостатком данного устройства являются высокие потери при индуктивной передаче энергии и в связи с этим высокое энергопотребление. Вторым недостатком является сложность изготовления как корпусных, так и электронных компонентов индуктивного модуля, помимо этого монтаж индуктивного модуля в дорожной конструкции связан с необходимостью разработки траншеи и прокладки герметичного кабеля к откосу насыпи. Кроме этого, при использовании данного типа передачи энергии существует ограничение по максимальному диапазону измерения деформаций в связи с перемещением катушек друг относительно друга.
Задачей полезной модели является, упрощение конструкции измерительного зонда, значительное снижение энергопотребления измерительных модулей и обеспечение автономности работы измерительного зонда с помощью элементов питания, помещенных внутрь зондов и передачи информации на расстояние посредством радиосигнала.
Конструкция измерительного зонда состоит из внешней цельной металлической трубки и внутренней металлопластиковой трубки, с закрепленными в ней на специальном каркасе датчиками, например, аналоговые прецизионные датчики Холла.
Электронная система для измерения накопления остаточных деформаций в слоях дорожной конструкции работает по следующему принципу: магнитная система из двух кольцевых магнитов, заключенных в герметический корпус, имеет участок с линейно меняющейся вдоль оси системы индукцией магнитного поля. При перемещении магнитной сборки относительно датчиков индукция магнитного поля в точке их установки изменяется и, соответственно, изменяет напряжение на выходе датчика Холла, которое регистрируется, например, цифровым вольтметром.
Питание измерительного зонда осуществляется от элемента питания (например, от батареи литий-тионил хлоридной с напряжением 3,6 В с саморазрядом <1% в год) помещенного внутрь металлопластиковой трубки зонда и расположенного в его нижней части.
Передача данных от зонда осуществляется посредством радиосигнала от миниатюрного передатчика, расположенного внутри металлопластиковой трубки в верхней части измерительного зонда. Прием радиосигнала осуществляется приемником, расположенным вне дорожной конструкции.
Сущность полезной модели заключается в том, что измерительный зонд для автоматизированного мониторинга остаточных деформаций многослойных дорожных конструкций, включающий внешнюю цельную металлическую трубку, с размещенными снаружи магнитными сборками, состоящими каждая из двух кольцевых магнитов с межслойным диском, и внутреннюю металлопластиковую трубку с измерительными датчиками, полость между измерительными датчиками и металлопластиковой трубкой заполнена кремнийорганическим компаундом, при этом внутри металлопластиковой трубки содержится элемент питания, который находится в нижней ее части и радиомодуль, находящийся в ее верхней части, а верхняя пробка зонда используется в качестве антенны.
Техническим результатом является упрощение конструкции измерительного зонда в связи с отсутствием необходимости дополнительной закладки индуктивного модуля в дорожную конструкцию, значительное снижение энергопотребления измерительных модулей и обеспечение автономности работы измерительного зонда с помощью элементов питания, помещенных внутрь металлопластиковой трубки зонда и возможность передачи данных от измерительного зонда по радиоканалу.
Результат получен за счет значительного снижения энергопотребления элементной базы измерительных датчиков и радипередатчика с модуляцией LoRa. Данная технология обеспечивает передачу информации на большие расстояния при минимальном потреблении электроэнергии.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 – схема расположения измерительного зонда в дорожной конструкции, фиг. 2 – расположение основных компонентов измерительного зонда, фиг. 3 – схема расположения радиомодуля в верхней части зонда.
Измерительный зонд для автоматизированного мониторинга остаточных деформаций многослойных дорожных конструкций представляет собой помещенное в конструкцию дорожной одежды 1 измерительное устройство, состоящее из внешней цельной металлической трубки 2 и внутренней металлопластиковой трубки 3, с закрепленными в ней на специальном каркасе измерительными датчиками 4. На внешнюю металлическую трубку 2 помещены магнитные сборки 5 и межслойные диски 6, нижний торец устройства 7 имеет заостренную форму, свободно погружаемый в грунт, плоский верхний торец, совмещенный с поверхностью дорожного покрытия 8 с завинченной пробкой 9, которая соединена с антенным выводом 10 радиомодуля 11, который передает информацию от измерительного зонда к радиоприемнику 12. Питание измерительного зонда осуществляется от батареи 13, расположенной в нижней части металлопластиковой трубки 3.
Внешняя металлическая трубка 2 может быть изготовлена из титана (нержавеющей стали, латуни). Материал и параметры конструкции выбраны с учетом требуемой прочности (изгибной), минимального влияния на процессы деформирования дорожной конструкции, магнитной прозрачности и долговечности. Измерительные устройства устанавливаются с необходимым интервалом и остаются в дорожной конструкции.
Межслойные металлические диски 6 выполнены в единой конструкции с магнитной сборкой 5 и нанизаны на внешнюю металлическую трубку 2. Количество дисков 6 может быть различным и соответствует количеству слоев дорожной конструкции 1 (при необходимости межслойные диски 6 могут устанавливаться и внутри слоев). Зазор между поверхностью внешней металлической трубкой 2 устройства и внутренней поверхностью магнитной сборки 5 составляет 1 мм, он не может быть меньшим для обеспечения скольжения магнитной сборки 5 вдоль устройства, и не может быть большим для уменьшения влияния горизонтального смещения сборки 5 на величину магнитного поля в точке измерения. Внутри магнитной сборки 5 находятся кольцевые магниты из сплава SmCo или NdFeB.
Способ измерения вертикальных перемещений состоит в замере изменения уровня магнитного поля, создаваемого магнитной сборкой 5, относительно измерительных датчиков 4 по мере перемещения диска 6.
Закладка устройства начинается с момента завершения строительства земляного полотна. Первым этапом работ является бурение скважины диаметром равным диаметру металлической трубки и в нее устанавливается металлическая трубка 2. В ходе строительства дорожной конструкции (устройства слоев из дорожно-строительных материалов) на металлическую трубку 2 одеваются последовательно межслойные диски 6 совместно с магнитной сборкой 5.
Последующие этапы закладки совпадают с устройством слоев дорожной одежды и заключаются в поднятии устройства на высоту укладываемого слоя специальным подъемным устройством и нанизывание на внешнюю металлическую трубку 2 магнитных сборок 5 с межслойными дисками 6. Поднятие металлической трубки 2 устройства производится до поверхности дорожного покрытия 8 и затем в нее помещают металлопластиковую трубку с измерительными датчиками и радиомодулем.
Измерительный зонд собирает информацию от измерительных датчиков и с помощью радиомодуля 11 периодически посылает данные по радиоканалу, которые фиксируются приемником 12. Для увеличения дальности действия радиоканала в качестве антенны используется пробка зонда 9, которая соединена с антенным выходом 10 радиомодуля 11. В радиоканале используются не требующие лицензирования диапазоны частот. Далее при необходимости информация при помощи сети GSM отправляется на персональный компьютер.
Обработка информации происходит при помощи специального программного обеспечения.