CC BY
32
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №3 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-3 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/137TVN315.pdf DOI: 10.15862/137TVN315 (http://dx.doi.org/10.15862/137TVN315)
УДК 693
Илюхин Андрей Владимирович
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет»
Россия, г. Москва1
Заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов»
Профессор Доктор технических наук E-mail: [email protected] РИНЦ: http://elibrary.ru/author profile.asp?id=331654
Марсов Вадим Израилевич
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет»
Россия, г. Москва
Профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов»
Доктор технических наук Профессор E-mail: [email protected] РИНЦ: http://elibrary.ru/author profile.asp?id=552050
Колбасин Александр Маркович
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет»
Россия, г. Москва
Доцент кафедры «Автоматизация производственных процессов»
Кандидат технических наук Доцент
E-mail: [email protected] РИНЦ: http://elibrary.ru/author profile.asp?id=702654
Кочетков Андрей Викторович
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Россия, г. Саратов Профессор кафедры «Транспортное строительство»
доктор технических наук E-mail: [email protected]
1 125319, Москва, Ленинградский Проспект, 64 1
Астафьев Михаил Александрович
OAO «Самарагорпроект» Россия, г. Самара Главный инженер Аспирант
E-mail: [email protected]
Представление информации о процессе изменения
электропроводности смеси
Аннотация. В статье описан метод обработки и представления дискретной информации о протекании процесса структурообразования бетона, которая обрабатывается микропроцессорным устройством, используясь в дальнейшем для фиксирования кинетики зарождения цементного геля при различных минералогических составах и дисперсностях портландцементов. Также рассматривается наиболее эффективный метод фиксирования процесса структурообразования бетона по его электропроводности, формулируя общий принцип функционирования автоматического устройства контроля структурообразования бетона, который заключается в непрерывном измерении электропроводности бетонной смеси и анализе полученных статистических данных с целью определения кинетики протекающего процесса и вмешательства в него для реализации повторного вибрирования. Предложен метод статистического представления процесса структурообразования бетона, т.е. непрерывного изменения электропроводности бетонной смеси и выбора промежутка времени, за который его случайные изменения будут достаточно полно характеризовать качество процесса и в течение которого можно получать реальную информацию о случайном процессе. Такой подход позволяет непрерывный процесс изменения проводимости условно разбить на дискретных и оценивать интервал разбиения через корреляционную функцию. Дискретное представление информации о процессе структурообразования бетона, позволяет использовать микропроцессорные средства ее обработки и получения момента времени для осуществления повторного вибрирования бетонной смеси.
Ключевые слова: структурообразование; цементный гель; шаг дискретности; вибрирование; проводимость; бетон; электропроводность бетона.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Илюхин А.В., Марсов В.И., Колбасин А.М., Кочетков А.В., Астафьев М.А. Представление информации о процессе изменения электропроводности бетонной смеси // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №3 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/137TVN315.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/137TVN315
Качество железобетонных конструкций во многом зависит от процессов структурообразования, происходящих в бетоне [4]. Контролируя процесс структурообразования бетона можно фиксировать кинетику зарождения цементного геля при различных минералогических составах и дисперсностях портландцементов, определять продолжительность изотермического прогрева бетона, а также момент времени наиболее эффективного повторного вибрационного воздействия на бетонную смесь (так называемое повторное переформирование). Повторное вибрирование позволяет значительно повысить прочностные свойств бетонных изделий впервые сутки его изготовления, уменьшить расход цемента на 1 м3 бетонной смеси и увеличить оборачиваемость технологического оборудования [1,3].
Наиболее эффективным методом фиксирования процесса структурообразования бетона по его электропроводности [2]. Схема установки для определения параметров процесса структурообразования бетона показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки для определения параметров процесса структурообразования
бетона по его электропроводности
К тому же определение момента времени, в который необходимо произвести повторное вибрирование бетонного изделия, связано со значительными сложностями, из - за длительности медленно протекающего процесса (экстремальная точка появляется через 1,5...2,5 часа с момента начала отсчета). и наложением на кривую электропроводности скачкообразных помех.
Необходимо отметить прежде всего, что с увеличением плотности тока кривизна кривой в области экстремума и стабильность кривой увеличиваются, влияние деструктивных процессов на изменение электропроводности уменьшается. Однако снижение водоцементного отношения при идентичной плотности тока изменяло форму кривой электропроводности, делало более острым перелом в экстремальной точке.
Выявлено, что увеличение плотности измерительного тока делает кривую электропроводности более рельефной, с большей кривизной кривой в области экстремума. В свою очередь большая плотность измерительного тока увеличивает нагрев межэлектродного пространства, что согласно современным физико-химическим представлениям ускоряет процесс схватывания и соответственно сдвигает на более раннее время появление на кривой
первой экстремальной точки. Необходимо выяснить степень целесообразного вмешательства в измеряемый объект, т.е. определить верхнюю границу допустимой плотности тока.
Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что общая закономерность изменения проводимости бетонной смеси после затворения имеет вид приведённый на рис. 2а.
Ь t 1
а б
Рис. 2. Зависимость электропроводности бетонной смеси во времени
Как видно, кривая имеет ярко выраженный экстремум, наступающий в момент времени Ъ. Именно этот момент соответствует точке на временной оси, когда наступает так называемый «тиксотропный период», в который и необходимо производить переформирование бетонной смеси.
Таким образом, задача устройства контроля состоит в определении точки экстремума зависимости измеренной электропроводности и подачи команды на включение вибратора. Из математики известно, что точка экстремума функции может быть легко определена по изменению знака первой производной данной функции. Однако попытки использовать такой метод не привели к успеху, поскольку задача осложняется наложением на кривую электропроводности скачкообразных помех и медленным протеканием процесса. Реальный характер изменения электропроводности бетонной смеси по экспериментальным данным, полученным в НИИЖБе, приведён на рис. 2б. Характеристика электропроводности сильно «зашумлена» помехами, что приводит к многократному изменению знака первой производной в течение всего процесса контроля, и делает затруднительным выявление реальной точки экстремума.
Необходимо сформулировать общий принцип функционирования автоматического устройства контроля структурообразования бетона, который заключается в непрерывном измерении электропроводности бетонной смеси и анализе полученных данных с целью определения кинетики протекающего процесса и вмешательства в него для реализации повторного вибрирования [4].
С технологической точки зрения для характеристики процесса непрерывного изменения электропроводности бетонной смеси (ЭБС), необходимо выбрать промежуток времени, за который его случайные изменения будут достаточно полно характеризовать качество процесса и в течение которого можно получать реальную информацию о случайном процессе. Такой подход позволяет непрерывный процесс изменения проводимости условно разбить на N дискретны и оценивать протяженность интервала разбиения через корреляционную функцию. Возникает задача выбора частоты сбора информации об
исследуемом процессе в определенные дискреты времени. Такая дискретная система измерений по принципу своего действия пропускает некоторые отклонения параметров и поэтому часть информации о состоянии процесса теряется. Очевидно, чем реже собирается информация, тем хуже качество системы, предназначенной для обнаружения отклонений. Однако чрезмерно частое обращение к процессу за получением информации может оказаться излишним, а обусловленное этим усложнение системы неоправданным.
Вместе с тем следует отметить, что завышенная частота измерений ведет к тому, что результаты двух соседних наблюдений оказываются между собой коррелированы. В этом случае результаты измерений нельзя рассматривать как совокупность случайных величин. С
другой стороны, если интервал отсчетов А выбран излишне большим, результаты эксперимента окажутся подвержены влиянию медленных, нестационарных изменений технологических параметров объекта. При этом информация, содержащаяся в данных первоначальных опытов, будет постепенно стареть, утрачивая свою ценность ввиду изменившихся условий эксперимента.
Необходимо осуществить выбор интервала времени А между измерениями с учетом использования данных независимых наблюдений.
Разработка метода анализа случайного процессов непрерывного изменения электропроводности бетонной смеси позволяет подойти к решению вопроса о выборе
интервала времени А на основе теории случайных процессов. При дискретной регистрации непрерывного случайного процесса два соседних наблюдения можно считать независимыми,
^ = тп
если они разделены интервалом времени 0, где Т0 - время корреляции, определяемое по
автокорреляционной функции исследуемой переменной.
Для определения интервала опробования А, принимаем, что время затухания нормированной корреляции функции наступает при 5% величине первоначального значения функции:
Р Е М
и 1
Е ч, т - т
Те Т1 - Те
т
(1)
где: Т1 - время развития процесса; Т - постоянная времени процесса.
На рис. 3 представлена нормированная корреляционная функция процесса Ре (т), вычисленная по формуле (1). По приведенному графику легко определить величину
временного интервала А. Если принять, что Аt = Г0 ~ 3с, то учитывая, что для системы
Т1>>Т , можно упростить (1):
р Е (т 0 ) = еТ1 = 0.05
а = т= т1^ ж 3Т = 3 0 1ве 1 0
т
т
Рис. 3. Нормированная корреляционная функция материального потока
Обычно расчет корреляционных функций производят с использованием информации, собранной за время Т:
1 Т-т
RE(т) = — | Ё ф • Ё (t + T -т о
1 Тт
*хё (т)=--I X(t)Ё(t +
Т -т о
где: RE(т) и RxЁ(т) - корреляционная и взаимокорреляционная функция
центрированных стационарных случайных процессов на входе х(¿) и выходе ЕЕ (?) исследуемого объекта.
При рассмотрении нормальных стационарных дифференцируемых случайных процессов, корреляционная функция которых имеет монотонный характер, такие корреляционные функции можно аппроксимировать суммой двух экспонент:
К (т)=-^т (
а -1
1ае-тМ - е-ат(т)),
ТЛ*
где: О - дисперсия случайного процесса; а и у - постоянные.
Соответственно, для нормированной корреляционной функции критерия эффективности процесса структурообразования бетона, получим:
РЕ (т)=77^[(ае "
■у(т)
е
ху(т)
а
(2)
Необходимую длину реализации для получения корреляционной функции (2) с заданной точностью можно оценить непосредственно по отрезку реализации случайного процесса. Используя связь среднего числа максимумов то и по случайного процесса в единицу времени с параметрами корреляционной функции а и у:
а,
-(3П2 - 4m02)±У(3П2 - 4m02)2 - 4П 2п0
(3)
п0 л
при а >1 и у
Длина реализации выбирается таким образом, чтобы наблюдалось 30-70 пересечений процессом среднего значения. Тогда:
М
N
т0 = ^ и п0 = ^,
где: М - общее число максимумов на отрезке реализации, соответствующем времени Т ; Ы- общее число нулей на отрезке реализации, соответствующем времени Т .
В качестве меры точности определения статистической корреляционной функции принимается средний квадрат ошибки. Необходимая длина реализации определяется из соотношения:
0
(ае- е-<Л)
а2 (0Л + 1) 0а2
0
1 -а2
е-0Ч
0аЛ +1 0а
0а 1 -а0
-0аЛ а е 0ал + _ +
1 0а
0 0а 1 + а
(4)
при а>1
где: ц = yT, (5); X = ут - безразмерные параметры;
_ а(Л, ц) _ а(Л, ц)
М[р * (л)] " р(л)
Б
(5)
- коэффициенты изменчивости случайной величины р*(Х), являющейся нормированной статистической корреляционной функцией.
Задаваясь коэффициентом изменчивости F в точках усечения нормированной
ц
корреляционной функции р(Ху), из соотношения (5) определяется ц и по формуле Т = —
У
вычисляется необходимая длина T реализации.
Для определения шага квантования по времени можно использовать следующее
выражение
м <
о
лпг
д^
0 ц 2
(6)
дt о
где: П0 - среднее число пересечений случайным процессом нулевого уровня; ц динамическая погрешность интерполирования промежуточных значений нормированной корреляционной функции.
Влияние шага дискретности на погрешность вычисленных значений нормированной корреляционной функции р*(т) по сравнению с погрешностью от конечной длины реализации
пренебрежимо мало, если задаться величиной
Ц
< 0.05 . Принимая максимально
допустимую погрешность Ц 2 = 0.05 , можно упростить выражение (6):
М <-л/0Л .
(7)
Полученная по предложенному методу обработки и представления дискретная информация о протекании процесса структурообразования бетона, обрабатывается микропроцессорным устройством, используясь в дальнейшем для фиксирования кинетики зарождения цементного геля при различных минералогических составах и дисперсностях портландцементов.
Вывод. Разработан метод реализации принципа функционирования автоматического устройства контроля структурообразования бетона, который заключается в дискретном представлении информации при непрерывном измерении электропроводности бетонной смеси и возможности анализа полученных данных с целью определения кинетики протекающего процесса и вмешательства в него для реализации повторного вибрирования.
Дополнительная литература по теме отражена в перечне [11-15].
ЛИТЕРАТУРА
1. Илюхин А.В., Колбасин А.М., Марсов В.И. Формирование оптимальной структуры асфальтобетонной смеси с пуассоновским распределением частиц / Строительные материалы. 2012. №9. - С. 47-50.
2. Марсов В.И., Колбасин А.М., Абдулханова М.Ю., Курилин А.В. Математическая модель процессов тепловой обработки компонентов бетонной смеси / Автоматизация и управление в технических системах. 2014. №2(10). - С. 123-131.
3. Комар А.Г., Баженов Ю.М., Сулименко Л.М. Технология производства строительных материалов. - М.: Высшая школа, 1990. - 446 с.
4. Королев К.М. Интенсификация приготовления бетонной смеси. - М.: Стройиздат, 1976. - 145 с.
5. Лохер Ф., Рихартц Н. Особенности процесса гидратации цемента / Труды шестого международного конгресса по химии цемента. - М.: Стройиздат, 1976. - 526 с.
6. Кельвин Ших. Биполярный преобразователь напряжения в ток. - Электроника. 1979. №10. - С. 66-67.
7. Вениаминов В.Н., Лебедев О.М., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение. - М.: Радио и связь, 1989. - 240 с.
8. Васильев Ю.Э., Илюхин А.В., Колбасин А.М., Марсов В.И., Динь Ан Нинь. Принципы формирования структуры автоматизированной системы управления строительным производством. Промышленное и гражданское строительство. 2014. №6. - С. 13-16.
9. Воробьев В.А., Илюхин А.В. Математическое моделирование электрофизических свойств электропроводных бетонов // Изв. вузов. Строительство. -1995. №5-6. - С. 47-53.
10. Бухгольц. Расчет электрических и магнитных полей. - М.: Иностранная литература, 1981. - 704 с.
11. Статистические методы контроля качества при производстве цементобетона и цементобетонных смесей / Васильев Ю.Э., Полянский В.Г., Соколова Е.Р., Гарибов Р.Б., Кочетков А.В., Янковский Л.В. // Современные проблемы науки и образования. 2012. №4. С. 101.
12. Проблемы долговечности цементных бетонов / Рапопорт П.Б., Рапопорт Н.В., Кочетков А.В., Васильев Ю.Э., Каменев В.В. // Строительные материалы. 2011. №5. С. 38-41.
13. Совершенствование структуры отраслевой диагностики федеральных автомобильных дорог / Аржанухина С.П., Кочетков А.В., Козин А.С., Стрижевский Д.А. // Интернет-журнал Науковедение. 2012. №4(13). С. 70.
14. Адаптивное управление подвижностью при дискретном производстве цементобетонных смесей / Васильев Ю.Э., Каменев В.В., Кочетков А.В., Шляфер В.Л. // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2011. №2. С. 96-100.
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №3 (май - июнь 2015)
http://naukovedenie.ru [email protected]
15. Диагностика и паспортизация элементов улично-дорожной сети системой видеокомпьютерного сканирования / Васильев Ю.Э., Беляков А.Б., Кочетков А.В., Беляев Д.С. // Интернет-журнал Науковедение. 2013. №3(16). С. 55.
Рецензент: Овчинников И.Г., профессор кафедры «Транспортное строительство», д.т.н., зам. руководителя «Поволжского отделения Российской академии транспорта», ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».
Iluhin Andrey Vladimirovich
Moscow state automobile and road technical university
Russia, Moscow E-mail: [email protected]
Marsov Vadim Izrailevich
Moscow state automobile and road technical university
Russia, Moscow E-mail: [email protected]
Kolbasin Aleksandr Markovich
Moscow state automobile and road technical university
Russia, Moscow E-mail: [email protected]
Kochetkov Andrej Viktorovich
Saratov state technical university of Gagarin Yu. A.
Russia, Saratov E-mail: [email protected]
Astafev Mihail Aleksandrovich
OAO «Samaragorproekt» Russia, Samara E-mail: [email protected]
Submission of information on process of change of conductivity
of concrete mix
Abstract. The article describes a method for processing and presentation of information, of discrete flow of the process of structure of concrete, which Obra-ated microprocessor devices using in the future to fix the nucleation kinetics of cement gel with different mineralogical composition and dispersion of Portland. So it is considered most effective method of fixation of structure of concrete on its electrical conductivity by formulating general principle of operation of automatic control device of structure of concrete, which is the continuous measurement of electrical conductivity of concrete mixture and analyzing statistical data in order to determine the kinetics of processes and interventions to implement it repeated vibration. The method of statistical representation of process of structure of concrete, ie continuously changing the conductivity of concrete mix and the choice of time interval during which it will be random variations adequately characterize quality of the process and for which one can obtain real information about a random process. This approach allows a continuous process of change in conductivity divided into discrete intervals and evaluate decomposition of correlation function. Discrete representation of information about process of structure of concrete, allows the use of microprocessor-based processing facilities and receiving points in time for re-vibrating concrete.
Keywords: structure formation; cement gel; discrete step; vibrirova-of conductivity; concrete; electrical concrete.
REFERENCES
1. Ilyukhin A.V., Kolbasin A.M., Marsov V.I. Formirovanie optimal'noy struktury asfal'tobetonnoy smesi s puassonovskim raspredeleniem chastits / Stroitel'nye materialy. 2012. №9. - S. 47-50.
2. Marsov V.I., Kolbasin A.M., Abdulkhanova M.Yu., Kurilin A.V. Matematicheskaya model' protsessov teplovoy obrabotki komponentov betonnoy smesi / Avtomatizatsiya i upravlenie v tekhnicheskikh sistemakh. 2014. №2(10). - S. 123-131.
3. Komar A.G., Bazhenov Yu.M., Sulimenko L.M. Tekhnologiya proizvodstva stroitel'nykh materialov. - M.: Vysshaya shkola, 1990. - 446 s.
4. Korolev K.M. Intensifikatsiya prigotovleniya betonnoy smesi. - M.: Stroyizdat, 1976. - 145 s.
5. Lokher F., Rikhartts N. Osobennosti protsessa gidratatsii tsementa / Trudy shestogo mezhdunarodnogo kongressa po khimii tsementa. - M.: Stroyizdat, 1976. - 526 s.
6. Kel'vin Shikh. Bipolyarnyy preobrazovatel' napryazheniya v tok. - Elektronika. 1979. №10. - S. 66-67.
7. Veniaminov V.N., Lebedev O.M., Miroshnichenko A.I. Mikroskhemy i ikh primenenie. - M.: Radio i svyaz', 1989. - 240 s.
8. Vasil'ev Yu.E., Ilyukhin A.V., Kolbasin A.M., Marsov V.I., Din' An Nin'. Printsipy formirovaniya struktury avtomatizirovannoy sistemy upravleniya stroitel'nym proizvodstvom. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. №6. - S. 13-16.
9. Vorob'ev V.A., Ilyukhin A.V. Matematicheskoe modelirovanie elektrofizicheskikh svoystv elektroprovodnykh betonov // Izv. vuzov. Stroitel'stvo. -1995. №5-6. - S. 4753.
10. Bukhgol'ts. Raschet elektricheskikh i magnitnykh poley. - M.: Inostrannaya literatura, 1981. - 704 s.
11. Statisticheskie metody kontrolya kachestva pri proizvodstve tsementobetona i tsementobetonnykh smesey / Vasil'ev Yu.E., Polyanskiy V.G., Sokolova E.R., Garibov R.B., Kochetkov A.V., Yankovskiy L.V. // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2012. №4. S. 101.
12. Problemy dolgovechnosti tsementnykh betonov / Rapoport P.B., Rapoport N.V., Kochetkov A.V., Vasil'ev Yu.E., Kamenev V.V. // Stroitel'nye materialy. 2011. №5. S. 38-41.
13. Sovershenstvovanie struktury otraslevoy diagnostiki federal'nykh avtomobil'nykh dorog / Arzhanukhina S.P., Kochetkov A.V., Kozin A.S., Strizhevskiy D.A. // Internet-zhurnal Naukovedenie. 2012. №4(13). S. 70.
14. Adaptivnoe upravlenie podvizhnost'yu pri diskretnom proizvodstve tsementobetonnykh smesey / Vasil'ev Yu.E., Kamenev V.V., Kochetkov A.V., Shlyafer V.L. // Vestnik Moskovskogo avtomobil'no-dorozhnogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta (MADI). 2011. №2. S. 96-100.
15. Diagnostika i pasportizatsiya elementov ulichno-dorozhnoy seti sistemoy videokomp'yuternogo skanirovaniya / Vasil'ev Yu.E., Belyakov A.B., Kochetkov A.V., Belyaev D.S. // Internet-zhurnal Naukovedenie. 2013. №3(16). S. 55.
