Устройство для определения адгезии битума

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для определения адгезии битума на щебнях различной природы. Преимущественное назначение - исследование адгезии битума к различным наполнителям асфальтовых смесей.
Адгезия битума имеет решающее значение для обеспечения многих свойств композитных материалов на основе битума. Сцепление минеральных частиц, являющихся составляющими асфальта происходит благодаря внутреннему трению между ними и склеивании их битумом в местах соприкосновения. Помимо склеивания частиц битум также обладает герметизирующими свойствами, заполняя пустоты между частицами и не позволяя проникать влаге в асфальтовое покрытие. Требования по определению адгезии битума исходят из обеспечения требуемых характеристик асфальтовой смеси. Для проверки характеристик существуют государственные стандарты с описанной процедурой проверки (например, ГОСТ EN 13614-2013, EN 13614:2011). Предлагаемое устройство позволяет упростить процесс выполнения части операций, прописанных в стандартах, а также увеличить точность и качество проводимых исследований. На данный момент из уровня техники известны следующие устройства для определения адгезии битума, они перечислены ниже.
Известно устройство для определения адгезии битума [патент Китай CN110470594A Test device for asphalt adhesion]. В изобретении раскрыто устройство для испытания на адгезию битума, в котором основными конструктивными элементами являются корпус, нагреватель и привод. Обеспечивается механическая обработка образца, после которой проводятся замеры.
Недостатком данного устройства является наличие механических движущихся элементов и нагревателя, несоответствие процесса измерений принятым стандартам.
Известна система для получения топографических изображений с помощью флуоресценции [Патент США US9134243]. Данное устройство предназначено для широкого спектра исследований и в частном случае может использоваться для определения адгезии битума. Система содержит излучающий источник возбуждения для избирательного излучения света, по меньшей мере, с двумя длинами волн возбуждения или диапазонами длин волн на целевой поверхности, причем по меньшей мере две длины волны возбуждения или диапазоны длин волн включают: первую длину волны возбуждения или диапазон длин волн, выбранный для обеспечения первой глубины оптического проникновения, чтобы вызвать флуоресценцию маркера ниже целевой поверхности; а также вторая длина волны возбуждения или диапазон длин волн, выбранный для обеспечения второй глубины оптического проникновения, отличной от первой глубины оптического проникновения, для обеспечения флуоресценции маркера ниже поверхности цели; а также устройство регистрации излучения (световой детектор) для определения длин волн флуоресцентного излучения или диапазонов длин волн от поверхности цели.
Недостатки данного устройства - механический привод для светофильтров, наличие дополнительный фильтра в оптической схеме камеры, отсутствие корпуса не позволяет изолировать образец от внешних источников излучения, что влияет на качество поступающей информации.
Известно устройство для определения адгезии битума [Патент Германия DE102010020622]. Устройством реализуется подход, близкий к использованию в стандартах (исследование после вращения в бутылках). Для определения адгезии связующего (битума) к наполнителю, используется эффект различной отражающей способности. Образец исследуется при помощи устройства регистрации излучения (позиционируемой камеры) для записи изображений и по крайней мере одного излучающего источника освещения с узким диапазоном длин волн, по крайней мере, с двумя различными положениями излучения. Программно-технические средства используют алгоритмы определения и сравнения значений серого - алгоритм Maxstore и алгоритм Minstore - для оценки записанных в цифровом виде изображений и алгоритмы определения степени покрытия связующего вещества (2) из измерений разнонаправленного отражения полученных поверхностных структур связующего вещества, твердого материала и фона. Блокировка стороннего излучения реализована при помощи блокирующего фильтра (12 п.ф.)
Недостатками данного устройства являются - использование для подсветки лазерных (когерентных) излучателей с фиксированной частотой излучения. Тем самым возможны ситуации, в которых спектр лазерного излучения совпадет со спектром отражения породы, что затруднит дифференцирование щебня от битумного покрытия. Также стороннее излучение блокируется косвенным методом - с помощью фильтра частот, отличных от частот излучателей что не защищает от проникновения излучения таких же параметров извне.
Наиболее близким аналогом является устройство для определения состояния старения или сопротивления старению битумного материала [Патент США US10527547], принимаемое за прототип. Данное устройство для определения состояния старения или сопротивления старению битумного материала, на основе исследования адгезии битума, имеющее предметный стол для образцов, два или три излучающих устройства монохроматического возбуждающего излучения с разными длинами волн, устройство регистрации излучения (измерительное устройство для измерения интенсивности излучения от устройств излучения), блок обработки данных и устройство их отображения.
Недостатками данного устройства является то, что использованы излучающие источники света с диапазоном излучения 270, 370 и 480nm, то есть ближний ультрафиолетовый диапазон. Такие источники требуют выбора камеры или светофильтров, способной регистрировать видимый свет наведенного флуоресцентного света, но не воспринимать засветку от самих излучающих источников УФ излучения. Отсутствие корпуса не позволяет изолировать образец от внешних источников излучения, что влияет на качество поступающей информации. Результаты проведения измерений отображаются в виде отдельных значений и требуют последующей обработки.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства для определения адгезии битума, в котором отсутствует измерительная погрешность, вызванная неравномерной освещенностью образцов и сторонней засветкой, путем повышения качества освещенности образцов за счет секторальной подсветки и изолированной от внешних источников света камерой, средств цифровой обработки массива изображений и присутствует возможность вывода готового отчета при уменьшении участия со стороны оператора.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что устройство включает корпус, устройство регистрации излучения, излучающие источники света, предметный стол, блок обработки изображения, закрепленный в нижней части устройства, экран вывода информации о текущих настройках, закрепленный на корпусе устройства, панель управления устройством, закрепленная на корпусе устройства, и что устройство содержит цилиндрическую внутреннюю камеру, закрепленную на корпусе без возможности перемещения так, что осевая линия цилиндра проходит через геометрический центр верхней и нижней части корпуса, выполненную из непрозрачного материала, внутри которой неподвижно закреплена цилиндрическая светорассеивающая колба, на которой равномерно по окружности закреплены восемь излучающих источников белого света в видимом диапазоне волн, выполненных в виде линейных излучателей, состоящих из светодиодов видимого спектра излучения температурой 6000 К, предметный стол, выполненный в виде лотка из непрозрачного материала с возможностью перемещения относительно корпуса, блок обработки информации, закрепленный в нижней части корпуса, на лицевой части корпуса закреплена мультифункциональная кнопка, а устройство регистрации излучения выполнено в виде цифровой камеры, закрепленной посредством винтового соединения в верхней части внутренней камеры так, что осевая линия цилиндра внутренней камеры проходит через геометрический центр цифровой камеры.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что устройство содержит цилиндрическую внутреннюю камеру, закрепленную на корпусе без возможности перемещения так, что осевая линия цилиндра проходит через геометрический центр верхней и нижней части корпуса, выполненную из непрозрачного материала, внутри которой неподвижно закреплена цилиндрическая светорассеивающая колба, на которой равномерно по окружности закреплены восемь излучающих источников белого света в видимом диапазоне волн, выполненных в виде линейных излучателей, состоящих из светодиодов видимого спектра излучения температурой 6000 К, предметный стол, выполненный в виде лотка из непрозрачного материала с возможностью перемещения относительно корпуса, блок обработки информации, закрепленный в нижней части корпуса, что позволяет исключить погрешность от внешней засветки и неравномерной подсветки при проведении измерений и получать готовый отчет в электронном виде, на лицевой части корпуса закреплена мультифункциональная кнопка, позволяющая произвести исследование в минимальное количество нажатий, а устройство регистрации излучения выполнено в виде цифровой камеры, закрепленной посредством винтового соединения в верхней части внутренней камеры так, что осевая линия цилиндра внутренней камеры проходит через геометрический центр цифровой камеры.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
На фиг. 1 представлены внутренние компоненты устройства для определения адгезии битума, где
1 - корпус
2 - светорассеивающая колба
3 - линейные излучатели подсветки
4 - устройство регистрации излучения (камера)
5 - блок обработки информации
6 - лоток с исследуемыми образцами
На фиг. 2 представлены внутренние компоненты устройства для определения адгезии битума, где
1 - корпус
2 - светорассеивающая колба
3 - линейные излучатели подсветки
4 - устройство регистрации излучения (камера)
5 - блок обработки информации
6 - лоток с исследуемыми образцами
7 - направляющие
9 - экран
10 - многофункциональная кнопка
На фиг. 3 представлено устройство для определения адгезии битума, где:
1 - корпус
6 - лоток с исследуемыми образцами
9 - экран
10 - многофункциональная кнопка
На фиг. 4 представлены исследуемые образцы, подготовленные к анализу.
На фиг. 5 представлен сформированный протокол отчета с разметкой образцов и рассчитанным результатом измерений.
На фиг. 6 представлена блок-схема работы блока обработки информации.
Устройство для определения адгезии битума состоит из корпуса 1, содержащего в полости цилиндр 2, выполненный из непрозрачного материала, расположенный в геометрическом центре корпуса, вертикально относительно оси симметрии цилиндра, включающий излучающие источники света 3 (8 источников), установленные равномерно по окружности колбы, представляющие собой линейные излучатели, состоящие из светодиодов видимого спектра излучения температурой 6000 К и устройство регистрации излучения (цифровую камеру) 4, установленное в верхней части цилиндра по центру его оси, соединенной шлейфом передачи данных с блоком обработки информации 5, установленным в нижней части корпуса. Под цилиндром в нижней части корпуса расположен лоток для образцов 6, перемещающийся на направляющих 7 относительно корпуса, направляющие оснащены ограничителями 8, не позволяющими лотку выдвинуться за пределы корпуса, экран 9, расположенный на лицевой части корпуса, кнопка управления 10, расположенная на лицевой части корпуса.
Предлагаемое устройство определяет степень адгезии битума к щебню за счет измерения площади остаточного покрытия битумом щебня после испытания методом вращения в бутылке. Данное измерение производится при помощи анализа цифрового изображения щебня, полученного с устройства регистрации излучения (цифровой камеры) в плоскости, перпендикулярной оси объектива.
Исследуемые образцы размещаются в лотке 6, лоток задвигается в корпус 1, далее кнопкой 10 запускается процесс исследования образцов, попеременно включаются излучающие источники света 3, и при каждом их включении устройство регистрации излучения 4 делает снимок образцов, далее изображения передаются в блок обработки информации 5, где осуществляется объединение снимков, сегментация итогового изображения, подсчет площади покрытия, после чего на экране 9 выдается отчет в виде обработанного изображения и численных параметров и сохраняется в памяти устройства. Отчет, в том числе, выполненный в соответствии с ГОСТ или ISO можно скачать через интерфейс LAN.
Благодаря тому, что внутренняя камера выполнена из непрозрачного материала и соединена с лотком с исключением возможности проникновения света из внешней среды, убраны пере отражения и паразитные засветки образцов. Так же во внутренней камере присутствует светорассеивающая колба, равномерно по окружности закреплены восемь излучающих источников белого света. Процесс получения исходных изображений заключается в последовательном получении 8 цифровых снимков образцов с различными углами освещения. Затем исходные изображения суммируются в одно, что позволяет полностью избавиться от взаимных теней и остаточных переотражений. Текущее состояние устройства отображается на встроенном дисплее. На него же выводятся сообщения о возникающих ошибках и количество сохраненных в памяти устройства результирующих изображений.
Управление режимами работы устройства (запуск измерения, включение и выключение устройства) производится при помощи многофункциональной кнопки.
Расчеты, управление аппаратной частью, подготовка исходного изображения производится на встроенном в устройство блоке обработки изображений. Он так же отвечает за формирование результирующих изображений, их хранение и выдачу пользователю. Отчетные данные сохраняются во внутренней памяти блока обработки изображений.
Обработка полученных изображений происходит следующим образом. Объединение снимков осуществляется по двум принципам: «минимума» и «среднего». Т.е. формируются два изображения, где в изображении «среднее» каждый пиксель имеет среднее значение пикселей из 8 снимков с различными источниками освещения. Аналогично формируется изображение «минимум». Сегментация проводится на объединенных изображениях в два этапа: 1 этап - отделение объектов от фона, 2 этап - сегментация чистого щебня (не покрытого битумом). На основе бинарной маски, полученной на этапе сегментации, рассчитывается площадь щебня, покрытого битумом. Блок-схема блока обработки информации представлена на фиг.6.
Пример работы устройства: в лоток для образцов загрузили подготовленные образцы фиг 4. Устройство произвело попеременное включение каждого из 8 излучающих источников света, обеспечивающих освещение образцов под разными углами. Одновременно с переключением излучающих источников света - производилась фотосьемка объектов в видимом свете. После чего образцы были переданы на анализ алгоритму, результатом работы которого является изображение с усредненным освещением и размеченными областями поверхности камня и битума фиг 5. Результат сохраняется в памяти устройства.