BRPI1009214B1 - sistema de mistura para monitorar concreto - Google Patents
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Abstract
MÉTODO PARA MISTURA DE UM MATERIAL AGLUTINANTE HIDRATÁVEL E SISTEMA DE MISTURA PARA O MESMO Método e sistema para monitorar e obter informação sobre a quantidade e as características do material aglutinante em um tambor de mistura rotativo. Enquanto que os métodos da técnica anterior usam um único valor da pressão hidráulica para girar o tambor (tal como o valor médio), a presente invenção envolve a análise de uma sequência de valores correspondendo com uma forma de onda refletindo a pressão hidráulica necessária para girar um tambor de mistura de concreto em ocasiões sucessivas durante a rotação. Modalidades preferidas envolvem a conversão desses dados do domínio do tempo para o domínio de frequência. O comportamento de múltiplos harmônicos pode ser examinado em tempo real e informação adicional obtida com relação às propriedades físicas do concreto. A reologia ou outras propriedades podem ser ajustadas pela introdução de um líquido do concreto, com base em uma comparação entre os valores no domínio do tempo e/ou domínio da frequência derivados de um concreto exemplar no tambor e valores do domínio do tempo e/ou domínio da frequência previamente armazenados, que são preferivelmente correlacionados com as características físicas do concreto, tais como solidez/(...).
Description
A presente invenção refere-se à fabricação de concreto, e mais particularmente a um método para monitorar e obter informação sobre a quantidade e/ou características do material aglutinante em um tambor de mistura pela análise da forma de onda de energia (por exemplo, a pressão hidráulica) e, mais preferivelmente, a conversão da forma de onda do domínio de tempo para o espectro do domínio de frequência, com isso informação adicional pode ser obtida e avaliada.
É conhecido monitorar e controlar a “solidez”, ou propriedade de fluidez, do concreto em caminhões de entrega de mistura pronta usando sensores para monitorar a energia necessária para girar o tambor de mistura (por exemplo, US 4.008.093) e/ou o torque aplicado no tambor pela pressão hidráulica (por exemplo, US 5.713.633). Quanto mais alta a amperagem ou pressão hidráulica necessária para girar o tambor em uma dada velocidade, mais rígida ou menos fluente (solidez menor) a mistura de concreto.
Sistemas de controle automatizados possibilitam o transporte do concreto em cami-nhões misturadores através de distâncias mais longas permitindo o ajuste da solidez em trânsito através da adição de água ou outros líquidos. Um sensor hidráulico unido no acio-namento hidráulico e/ou um sensor da velocidade rotacional conectado no tambor pode ser usado para finalidades de monitoração. Tais sensores podem ser conectados de modo sem fio em uma unidade de processamento do computador e um sistema de comunicação sem fio para permitir que modificações sejam feitas durante a operação. Ver, por exemplo, US 10/599130 (Publicação 2007/01856A1).
O monitoramento da solidez/consistência do concreto envolve a calibragem das sa-ídas ou valores obtidos do sensor hidráulico e/ou sensor elétrico em um caminhão de mistura (caminhão betoneira), e a correlação desses com valores de solidez obtidos usando um teste de cone de solidez padrão. No teste de cone de solidez padrão, um cone truncado de 30,48 cm (12”) contendo concreto fresco é removido para permitir que o concreto caia, e a queda da altura vertical do concreto é medida (ASTM C143-05). O concreto tendo essa propriedade de solidez conhecida é então adicionado em um misturador de tambor giratório, de modo que um valor hidráulico ou elétrico, obtido como uma saída do sensor, pode ser armazenado em uma localização de memória e subsequentemente correlacionado por uma unidade de processamento do computador. Durante a entrega do concreto para um consumidor, o concreto endurece com o tempo como um resultado da hidratação, evaporação e outros fatores e os sensores detectam isso como a energia hidráulica ou elétrica maior necessária para girar o tambor de mistura. A unidade de processamento do computador a bordo compara o valor de energia detectado obtido do sensor ou sensores e compara esse com um valor ou faixa de valores armazenado na memória acessível pelo computador. Se os sensores e a unidade de processamento do computador (CPU) detectam que o concreto está começando a endurecer, a CPU pode então ser disparada para ativar dispositivos de medição ou bombeamento para injetar água ou outro líquido (por exemplo, dispersante químico) no concreto para restaurar a solidez para o valor desejado.
Outros métodos estão disponíveis para medir manualmente a usinabilidade (que é definida como a facilidade e homogeneidade com as quais o concreto pode ser misturado, colocado, consolidado e acabado). Por exemplo, no teste da tabela de fluxo (EN 12350-5), o concreto é cheio em um cone que é colocado em uma mesa móvel. A mesa consiste de uma placa plana que é articulada em uma extremidade, tal que a outra extremidade pode ser levantada e derrubada por uma distância fixa. Depois que o cone é removido, a placa é levantada e derrubada um determinado número de vezes e o fluxo horizontal do concreto é medido. Para misturas de concreto altamente fluentes, tal como o concreto de autoconsoli-dação, o teste de fluxo da solidez é usado (ASTM C 1611-05). Nesse teste, o concreto é colocado em um cone de solidez padrão, o cone é removido e o espalhamento horizontal -ao invés da queda vertical -é medido.
Os presentes inventores acreditam que um problema principal da informação de monitoração da solidez atual é que tal equipamento propicia somente informação sobre a solidez. Informação adicional sobre a quantidade e as propriedades do concreto no tambor, bem como as características do próprio tambor devem ser conhecidas a fim de monitorar e controlar as propriedades do concreto de maneira mais completa e efetiva.
Os presentes inventores também acreditam que um problema principal do equipa-mento de monitoração de solidez atual é determinar quando a mistura dos componentes para produzir uma mistura uniforme está completa. Quando os ingredientes são inicialmente adicionados em um misturador, a energia para girar o tambor aumenta quando os ingredientes são combinados e depois diminui à medida que a mistura progride e o concreto se torna mais fluido. Na prática atual, o número de revoluções do tambor é fixado para garantir a mistura completa. Se esse número é maior do que realmente requerido para atingir a mistura completa, energia e tempo desnecessários são desperdiçados. Se esse número é mais baixo do que realmente requerido para atingir a mistura completa, o material não misturado pode ser descarregado do tambor prematuramente. Seria desejável ter um método para monitorar a conclusão da mistura.
Portanto, novos método e sistema para monitorar e ajustar as propriedades reológi-cas do concreto nos tambores de mistura são necessários.
A presente invenção proporciona um método e sistema para monitorar e controlar as propriedades reológicas e outras características de um material aglutinante sendo misturado em um tambor de mistura giratório. Enquanto que os métodos da técnica anterior analisavam uma única pressão hidráulica -medida instantaneamente ou pela média das medições através do tempo -para calcular a solidez ou consistência, a presente invenção envolve a consideração e a análise das variações na energia medida (por exemplo, pressão hidráulica) além da energia média para obter informação adicional sobre o material aglutinante, tal como extensão da mistura, velocidade do tambor rotacional ou quantidade de material. Nas modalidades exemplares adicionais, essa informação do domínio de tempo é convertida para o domínio de frequência, tal como usando a Transformação Rápida Fourier (FFT), Transformação Discreta Fourier (DFT) ou variações dessas. Pela comparação dos dados da forma de onda (domínio do tempo) ou forma de onda convertida (por exemplo, FFT) obtidos de uma dada mistura aglutinante, e a comparação com valores armazenados, a quantidade e as características do material podem ser obtidas e a reologia e outras propriedades podem ser ajustadas tal como através da adição de líquidos ou outros componentes.
Assim, um método exemplar da presente invenção para misturar um material aglu-tinante compreende: fornecer um tambor de mistura giratório tendo uma parede interna do tambor e pelo menos uma lâmina de mistura montada na parede interna do tambor, o tambor de mistura contendo componentes para criar um material aglutinante hidratável; girar o dito tambor de mistura em velocidade constante SC1 na faixa de 1-25 revoluções por minuto; fornecer uma sequência de valores através do tempo correspondendo com a energia requerida para girar o tambor de mistura, a dita sequência de valores sendo monitorada em uma frequência de pelo menos 10 vezes a velocidade constante SC1; comparar a sequência de valores fornecida com uma sequência de valores previamente armazenada na localização de armazenamento da memória de dados e ajustar a reologia ou outra propriedade do material aglutinante contido no dito tambor de mistura introduzindo um líquido ou outro componente de material aglutinante no tambor de mistura.
Em métodos preferidos, é a pressão hidráulica que é monitorada através do tempo, e a sequência de valores obtidos que correspondem com a pressão hidráulica é armazenada em uma localização de armazenamento da memória de dados acessível pelo computador, de modo que ela pode ser exibida em um monitor ou impressa em papel, e também de modo que ela pode ser comparada com uma sequência de valores previamente armazenada tirada de uma amostra aglutinante de controle.
Nos métodos e sistemas preferidos, a sequência de valores, que pode ser marcada graficamente em termos de energia (por exemplo, pressão hidráulica) no domínio de tempo é convertida para o domínio de frequência usando um algoritmo da Transformação Rápida Fourier (FFT), tal que os dados podem ser analisados em termos dos componentes de fre-quência. Dessa maneira, a reologia do material aglutinante pode ser monitorada com base nos dados da FFT previamente armazenados. Por exemplo, se os dados indicam que o ma-terial aglutinante está endurecendo, isso pode ser rapidamente determinado medindo as mudanças na amplitude de pico e mudança de fase no domínio da frequência, tal que a reo-logia ou outra propriedade do material aglutinante pode ser rapidamente ajustada introduzindo líquido (por exemplo, água, mistura química ou ambas) no tambor de mistura.
Assim, um método preferido da invenção compreende: girar um tambor de mistura contendo uma mistura aglutinante em uma velocidade constante na faixa de 1-25 revoluções por minuto; fornecer uma sequência de valores do domínio do tempo correspondendo com a quantidade de energia requerida para girar o tambor de mistura, converter a sequência dos valores no domínio do tempo para valores no domínio da frequência, comparando os valores do domínio da frequência com valores do domínio de frequência armazenados e introduzir um líquido no tambor de mistura, com base nos valores comparados.
Valores ou saídas elétricas de um sensor correspondendo com a quantidade da energia elétrica ou mais preferivelmente correspondendo com a quantidade da pressão hi-dráulica requerida para girar o tambor podem ser armazenados em localização de memória acessível pelo computador e podem ser exibidos graficamente como uma forma de onda periódica. A sequência dos valores de energia através do tempo deve ser baseada em uma frequência de amostragem de pelo menos 10 vezes por revolução do tambor de mistura rotativo, ou até mesmo mais se maior precisão é desejada. De preferência, o tambor de mis-tura terá pelo menos uma ou mais lâminas de mistura internas para possibilitar a marcação de uma forma de onda periódica tendo dois ou mais picos por período no domínio do tempo. Portanto, em modalidades preferidas da invenção, esses valores da forma de onda podem ser convertidos para o domínio da frequência, tal como pela conversão usando a Transformação Rápida Fourier (FFT) e/ou a Transformação Discreta Fourier (DFT). A análise dos dados do domínio do tempo ou do domínio da frequência ou ambos pode possibilitar a análise de um ou mais parâmetros físicos de mistura do material aglutinante selecionados do grupo consistindo de (a) peso da carga, (b) volume da carga, (c) densidade do concreto, (d) conteúdo de ar do concreto, (e) solidez do concreto, (f) fluxo de solidez do concreto, (g) valor da tabela de fluxo do concreto, (h) reologia do concreto (por exemplo, tensão de deformação, viscosidade, tixotropia), (i) segregação dos componentes do concreto, (j) cura do concreto, (k) inclinação do tambor de mistura, (I) tamanho e configuração da estrutura interna do tambor e (m) a formação do concreto no tambor. Adicionalmente, a análise dos dados no domínio do tempo ou domínio da frequência pode ser usada na determinação do progresso da mistura.
Por exemplo, um líquido (por exemplo, água, mistura química ou ambas) pode ser introduzido no tambor de mistura com base em uma análise dos dados no domínio da fre-quência. O uso de um algoritmo de transformação tal como FFT ou Transformação Discreta Fourier (DFT) é uma maneira eficiente de decompor ou de outra forma converter uma se-quência de valores de energia hidráulica em componentes de frequências diferentes analisados no domínio da frequência, tal que um ou mais dos parâmetros físicos do concreto, como mencionado acima, podem ser monitorados, analisados e, se necessário, ajustados introduzindo um líquido ou outro componente aglutinante no tambor de mistura.
A invenção também proporciona um sistema de mistura que compreende: um tambor de mistura tendo uma parede interna do tambor e pelo menos uma lâmina de mistura montada na dita parede interna do tambor, o dito tambor de mistura contendo componentes para criar um material aglutinante hidratável; um acionamento de pressão hidráulica operativo para girar o dito tambor de mistura em velocidade constante SC1 na faixa de 1-25 revoluções por minuto; um sensor operativo para fornecer uma sequência de valores através do tempo correspondendo com a energia requerida para girar o tambor de mistura; uma unidade de processamento do computador para monitorar os valores fornecidos pelo sensor de pressão hidráulica correspondendo com a quantidade de pressão hidráulica necessária pelo acionamento hidráulico; uma localização de armazenamento da memória de dados para armazenar um primeiro conjunto de dados correspondendo com a primeira sequência de valores através do tempo correspondendo com a energia necessária para girar o tambor de mistura contendo um primeiro material aglutinante hidratável, a dita primeira sequência de valores sendo monitorada em uma frequência de pelo menos 10 vezes a velocidade constante SC1; a dita unidade de processamento do computador sendo ainda operativa para receber uma segunda sequência de valores através do tempo correspondendo com a energia requerida para girar o tambor de mistura contendo um segundo material aglutinante hidratável, a dita segunda sequência de valores sendo monitorada em uma frequência de pelo menos 10 vezes a velocidade constante SC1; a dita unidade de processamento do computador sendo ainda operativa para comparar a dita segunda sequência de valores com a dita primeira sequência de valores e ajustar a reologia ou outra propriedade do dito segundo material aglutinante hidratável pela introdução de um líquido ou outro componente de material aglutinante no dito tambor de mistura com base na dita comparação. Em sistemas de mistura preferidos, a unidade de processamento do computador é operativa (a) para converter a dita primeira e segunda sequências de valores, correspondendo com a energia requerida para girar o tambor de mistura contendo o material aglutinante, para o domínio de frequência; (b) para comparar a dita primeira e segunda sequências de valores depois da conversão para o domínio da frequência e (c) para ajustar a reologia do material aglutinante contido no dito tambor de mistura pela adição do líquido com base na dita comparação. Usando qualquer um ou ambos os dados do domínio de tempo ou domínio de frequência, uma ou mais propriedades do material aglutinante (por exemplo, solidez, fluxo de solidez, peso da carga, conteúdo do ar, etc.) podem ser analisadas ou modificadas, tal como pela introdução de líquido ou outro componente no material aglutinante.
O método e o sistema da invenção podem ser utilizados em tambores de mistura estacionários, tal como em uma usina de lotes ou em caminhões de entrega tendo tambores de mistura. O método de análise pode também ser usado em misturadores diferentes de misturadores de tambor, tais como misturadores de eixo único, misturadores de eixo duplo e misturadores de tanque. Vantagens e aspectos adicionais da invenção podem ser descritos a seguir.
Vantagens e aspectos adicionais da presente invenção podem ser mais facilmente compreendidos quando a descrição detalhada seguinte das modalidades preferidas é observada em conjunto com os desenhos anexos nos quais
A figura 1 é uma ilustração gráfica da pressão hidráulica (isto é, energia como mostrado pelas formas de onda) necessária para girar um tambor de mistura vazio,
A figura 2 é uma ilustração gráfica da pressão hidráulica necessária para girar um tambor de mistura carregado com concreto,
A figura 3 é uma ilustração gráfica de um espectro do domínio da frequência de um tambor de mistura vazio da figura 1 calculado a partir da análise da Transformação Rápida Fourier (FFT),
A figura 4 é uma ilustração gráfica de um espectro do domínio da frequência do tambor de mistura carregado com concreto da figura 2 calculado a partir da análise da Transformação Rápida Fourier (FFT),
A figura 5 é uma ilustração gráfica da pressão hidráulica através do tempo (forma de onda) durante a mistura de um lote de concreto,
A figura 6 é uma ilustração gráfica da amplitude através da frequência calculada usando a análise FFT para o concreto parcialmente misturado da figura 5,
A figura 7 é uma ilustração gráfica da amplitude através da frequência calculada usando a análise FFT em um lote de concreto totalmente misturado da figura 5 e
A figura 8 é uma ilustração gráfica da relação entre a velocidade real do tambor de rotação, medida usando um codificador e a velocidade do tambor calculada usando a análise FFT da forma de onda da pressão hidráulica.
O termo “aglutinante” como usado aqui se refere a um material que compreende cimento portland ou substitutos do cimento portland que de outra forma funcionam como um aglutinante para manter juntos os agregados finos (por exemplo, areia), agregados grossos (por exemplo, pedra ou cascalho esmagado) ou misturas desses.
Tais materiais aglutinantes podem ainda incluir partículas de cinza, escória de alto-forno granulado, pedra calcária ou saibros naturais, que podem ser combinados com o cimento portland ou ser usados para repor ou substituir uma porção do cimento portland sem séria diminuição das propriedades hidratáveis. Incidentemente, uma “argamassa” se refere ao cimento ou mistura aglutinante tendo um agregado fino tal como areia; enquanto “concreto” se refere mais precisamente a uma argamassa que também contém um agregado grosso tal como pedra ou cascalho esmagado. O uso do termo “material aglutinante” pode ser usado de modo permutável com o termo “concreto”, já que o concreto é mais geralmente fornecido por caminhões de mistura pronta que têm tambores de mistura giratórios, mas o termo “concreto” como usado aqui não exclui necessariamente o fato que a presente invenção pode ser usada para entregar materiais que contêm somente cimento ou substitutos de cimento (por exemplo, saibros) ou argamassas.
Materiais aglutinantes julgados como sendo “hidratáveis” são esses que endurecem pela interação química com a água.
Materiais aglutinantes podem ainda conter misturas químicas, tais como agentes redutores de água ou agentes de redução de água de alta faixa, agentes de modificação de viscosidade, inibidores de corrosão, misturas de redução de encolhimento, aceleradores de cura, retardadores de cura, carregadores de ar, entregadores de ar, pigmentos, substâncias corantes, fibras para controle do encolhimento plástico ou reforço estrutural e assim por diante.
Os caminhões de mistura de entrega de concreto tendo equipamento de controle e de monitoração de controle da solidez, tal como sensores hidráulicos e/ou elétricos para medir a energia para girar o tambor de mistura, sensores de velocidade para medir a velocidade de rotação, sensores de temperatura para monitorar a temperatura atmosférica bem como a temperatura da mistura, e equipamento de distribuição, bem como as unidades de processamento do computador para monitorar os sinais dos sensores e acionar o equipamento de distribuição são por agora relativamente bem conhecidos na indústria. Por exemplo, tais sistemas de controle de solidez, que podem ser usados em associação com os sistemas de comunicação sem fio, são revelados na patente US 5.713.663, patente US 6.484.079, US 09/845.660 (Publicação 2002/0015354A1), US 10/599.130 (Publicação 2007/01856A1), 11/764.832 (Publicação 2008/0316856) e 11/834.002 (Publicação 2009/0037026). Um sistema exemplar adicional para monitorar e controlar o uso das comunicações sem fio em combinação com sensores para monitorar várias propriedades físicas da mistura do concreto é ensinado na Patente US 6.611.755 de Coffee. Esses ensinamentos são incorporados aqui por referência.
Em vista dos ensinamentos precedentes, os presentes inventores acreditam que várias modalidades exemplares da invenção podem ser praticadas usando o equipamento de monitoração de mistura de concreto automático convencional. Com o uso do equipamento de monitoração de solidez automatizado disponível sob o nome VERIFI® de Grace Construction Products, Cambridge, Massachusetts, e RS Solutions LLC, West Chester, Ohio, por exemplo, uma pessoa poderia, com uma leve modificação desse equipamento de monitoração de solidez comercialmente disponível, executar as seguintes etapas: introduzir em um tambor de mistura giratório, tendo pelo menos uma e preferivelmente duas ou mais lâminas de mistura montadas na parede interna do tambor, um material aglutinante; girar o tambor em velocidade constante SC1 na faixa de 1-25 revoluções por minuto (rpm), fornecer uma sequência de valores correspondendo com a energia (por exemplo, pressão hidráulica (“PH”)) através do tempo necessária para girar o tambor, a dita sequência de valores sendo monitorada em uma frequência de pelo menos 10 vezes por revolução do tambor em velocidade constante SC1; de preferência armazenar esses valores em uma primeira localização de armazenamento da memória de dados acessível pelo computador; comparar medições sequênciais de PH em velocidade constante SC1 através do tempo com medições sequên-ciais de PH em velocidade constante SC1 como previamente armazenado em outra localização de armazenamento da memória de dados e ajustar a reologia ou outra propriedade do material aglutinante introduzindo um líquido no tambor de mistura em resposta a essa comparação.
Em métodos e sistemas exemplares adicionais da invenção, a sequência de valores, que pode ser marcada graficamente em termos de energia (por exemplo, pressão hidráulica) através do tempo no domínio do tempo, é convertida para o domínio de frequência usando algoritmos tais como o de Transformação Rápida Fourier (FFT), Transformação Discreta Fourier (DFT) ou derivados desses, tal que os dados podem ser analisados em termos de componentes de frequência e as propriedades do material aglutinante podem ser monitoradas e/ou ajustadas com base nos dados da FFT previamente armazenados.
Os presentes inventores acreditam que o uso da FFT ou Transformação Discreta Fourier (DFT) ou variações dessas pode ser usado para transformar os sinais do domínio do tempo em um espectro do domínio de frequência mesmo embora com base nos dados rota-cionais. Por exemplo, a Patente US 6.876.168 B1 de Jones ensinou que a velocidade de um dispositivo de rotação, tal como um motor DC, poderia ser analisada no domínio da frequência utilizando FFT ou DFT para transformar os sinais, gerados por um sensor que media as características dinâmicas do motor DC. No presente caso, entretanto, um sensor de velocidade rotacional pode ser utilizado no próprio tambor de mistura, de modo que não é necessário usar FFT ou DFT para aproximar a velocidade rotacional desde que isso pode ser determinado diretamente. No lugar disso, pelo exame dos dados da forma de onda da pressão hidráulica no domínio da frequência, os presentes inventores acreditam que conjuntos complexos de características de mistura do concreto e do misturador, mesmo contra os efeitos dinâmicos da hidratação e outros fatores, podem ser monitorados, analisados e ajustados.
Os sistemas de monitoração de solidez podem ser calibrados medindo a solidez de uma mistura de concreto exemplar usando o método do cone de solidez padrão (por exem-pio, medindo a altura da queda vertical da mistura de concreto depois da remoção do cone e permitindo que a amostra caia) e correlacionando os valores da solidez com a energia necessária para girar a mesma mistura da amostra de concreto no tambor em uma dada velocidade para um dado volume do material de mistura. Essa correlação pode também ser usada com as finalidades da presente invenção, particularmente onde os valores da pressão hidráulica são analisados no domínio da frequência.
Em modalidades exemplares adicionais da invenção, a monitoração de uma mistura de concreto exemplar pode ser executada medindo o fluxo de solidez de uma amostra da mistura de concreto e isso é feito medindo o espalhamento horizontal da mistura da amostra de concreto depois da remoção do cone de solidez e permitindo que a amostra espalhe em uma superfície. Portanto, tais valores de fluxo de solidez podem também ser correlacionados com a energia média (por exemplo, pressão hidráulica) para girar o tambor de mistura em uma dada velocidade para um dado volume da mistura do concreto exemplar. O teste de fluxo de solidez é administrado de acordo com ASTM C1611 -05.
Em ainda modalidades exemplares adicionais da invenção, os presentes inventores acreditam que os sistemas de monitoração de solidez podem também ser calibrados pelo uso do teste da tabela de fluxo (EN 12350-5), com o que o concreto é cheio em um cone que é colocado em uma mesa móvel e o cone é removido, de modo que o espalhamento horizontal da amostra de concreto pode ser medido, como descrito previamente nos precedentes. Os valores da tabela de fluxo obtidos podem então ser correlacionados com a pressão hidráulica média para uma dada velocidade para um dado volume do material de mistura. Essa correlação pode também ser usada com as finalidades da presente invenção, particularmente onde os valores da pressão hidráulica são analisados no domínio da frequência.
Portanto, sistemas de mistura exemplares adicionais e métodos da invenção compreendem fornecer uma sequência de valores correspondendo com a pressão hidráulica média necessária para girar o tambor contendo um volume conhecido de uma mistura de concreto em uma dada velocidade e volume, com os valores previamente armazenados em uma localização da memória acessível pelo computador e correspondendo com valores de cone de solidez padrão (teste de queda vertical, ver ASTM C143 -05), valores do fluxo de solidez (espalhamento horizontal -ver ASTM C1611 -05) e/ou valores da tabela de fluxo (ver EN 12350-5) obtidos de uma mistura de concreto.
A figura 1 mostra no domínio de tempo típico, a forma de onda de energia (pressão hidráulica) através do tempo (segundos) necessária para girar um tambor de mistura de concreto vazio. Essas formas de onda aparecem como uma sequência de curvas senoidais contínuas. Embora a pressão hidráulica seja primariamente mencionada aqui, desde que a maior parte dos caminhões de mistura de entrega de concreto utiliza a pressão hidráulica para girar o tambor, referências a pressão hidráulica devem ser entendidas como se aplicando também a ou incluindo energia elétrica (por exemplo, corrente, tensão ou leituras de potência) que é similarmente oscilatória por natureza, tendo a amplitude variando com o tempo.
A figura 2 mostra uma forma de onda de pressão hidráulica típica para um tambor de mistura rotativo carregado com uma mistura de concreto. A superfície interior do tambor de mistura continha duas lâminas de mistura presas na superfície interior do tambor e dispostas em modo espiral ao redor do eixo geométrico rotacional do tambor. Os presentes inventores acreditam que o número de lâminas, duas nesse caso, e as características do tambor vazio são refletidos pelo par de picos baixos e altos marcados no gráfico.
A forma de onda da pressão hidráulica de um dado material de concreto tendo uma consistência relativamente uniforme e uma solidez conhecida ou fluxo de solidez (tal como determinado pelo cone de solidez padrão) e a quantidade conhecida podem ser armazenadas em memória acessível pelo computador como uma sequência de valores (a partir da saída de um sensor de pressão hidráulica) correspondendo com a quantidade da pressão hidráulica necessária durante o giro do tambor de mistura em ocasiões sucessivas durante a rotação. Depois que o tambor de mistura é esvaziado e os componentes de outro lote de concreto do mesmo projeto (alguns componentes e porcentagens do mesmo) são colocados no tambor, o sistema pode ser programado para reconhecer quando os componentes (cimento, água, materiais agregados) foram adequadamente misturados e pode também determinar quanto do material aglutinante está colocado dentro do tambor, e isso pode ser feito analisando as variações na pressão hidráulica necessária para girar o tambor de mistura através do tempo. Portanto, uma pessoa pode não precisar calcular a energia média (que de outra forma exigiria a média de várias rotações do tambor), mas exigiria presumivelmente menos rotações para determinar quando a consistência uniforme foi alcançada na dada mistura simplesmente verificando quando a forma de onda da pressão hidráulica iguala ou se aproxima suficientemente de uma amostra de controle e armazenada em localização de memória acessível pelo computador. Além disso, o reconhecimento do padrão, como será ainda discutido a seguir, pode ser usado para determinar quando uma forma de onda corresponde com certos alvos. A forma de onda poderia também ser transferida para o domínio de frequência a partir do domínio de tempo.
A figura 3 ilustra a energia da pressão hidráulica em termos da análise da Transformação Rápida Fourier (FFT) da forma de onda da pressão do tambor vazio. Em outras palavras, a sequência das leituras de energia é convertida do domínio do tempo para o domínio de frequência onde a pressão hidráulica pode ser marcada graficamente como uma função da frequência e mudanças na pressão hidráulica como uma função da frequência pode ser monitorada através do tempo à medida que a mistura progride, o concreto endurece ou materiais, tais como a água ou misturas químicas, são adicionados no tambor. Portan-to, a amplitude ou a altura dos picos de frequência ou curvas representa a pressão hidráulica (em libras por polegada quadrada ou psi (x 6,895 kPa)) refletida como uma função da frequência. O pico de amplitude singular significa que a maior parte da pressão hidráulica necessária para girar o tambor vazio ocorre primariamente dentro de uma largura da banda de frequência muito estreita; isso é consistente com a observação que a pressão hidráulica necessária para girar um tambor vazio é convenientemente representada por uma única curva senoidal, representando a frequência mais baixa, como sugerido na figura 1.
Nas modalidades preferidas da invenção, os dados da forma de onda da pressão hidráulica (sequência de valores correspondendo com a pressão hidráulica necessária para girar o tambor e material aglutinante) são convertidos para o domínio de frequência, tal como pelo uso de FFT ou DFT, de modo que o comportamento harmônico superior dos conteúdos do tambor pode ser analisado ainda.
Em modalidades exemplares adicionais da presente invenção, a altura dos picos pode ser avaliada, bem como a largura na base dos picos, e também incluindo a área total dos picos, como desejado.
A figura 4 indica o que acontece quando o concreto é carregado no tambor de mistura e a forma de onda hidráulica resultante é convertida pela Transformação Rápida Fourier (FFT) para o domínio de frequência onde os componentes de frequência são marcados como uma função da frequência. Embora a forma de onda para o tambor vazio exiba uma amplitude de pico na frequência correspondendo com a taxa de revolução do tambor, a forma de onda da energia hidráulica do tambor de mistura carregado com concreto demonstra amplitudes de pico em frequências mais altas. Acredita-se que esse aparecimento de frequências mais altas seja gerado pelas lâminas de mistura ou pás montadas na superfície interna da parede do tambor de mistura. Um tambor misturador de caminhão típico inclui duas lâminas helicoidais ou espirais iguais montadas opostas entre si no interior do tambor. A forma de onda medida proporcionada pela análise FFT é uma soma da frequência associada com a rotação do próprio tambor e outras frequências associadas com o concreto sendo deslocado ou cortado pelas lâminas. Um segundo pico que aparece em uma frequência mais alta (para o lado direito do primeiro pico) representa uma duplicação da frequência da rotação do tambor. Acredita-se que esse fenômeno seja causado por ter duas lâminas de mistura igualmente separadas, que são montadas na parede interna do tambor de rotação.
A figura 5 mostra a forma de onda da pressão hidráulica quando o concreto em lote é misturado. Dentro desta marcação do domínio do tempo, é observado que a forma de onda muda gradualmente através do tempo durante a operação de mistura. Especificamente, a forma de onda do domínio do tempo muda de uma curva predominantemente senoidal com um pico de repetição único para uma curva com dois picos por rotação e com cada pico em uma altura diferente. A última porção da forma de onda é configurada como uma configuração de “M” ou “W”. Portanto, métodos e sistemas exemplares da invenção envolvem a análise das propriedades da forma de onda dos dados correspondendo com “picos” e “vales” das formas de onda configuradas como “M” ou “W” como graficamente ilustrado na figura 5. O aparecimento da forma de onda configurada como “M” ou “W” é associado com um determinado grau de mistura. Além disso, a redução na variação da pressão hidráulica não mediada (por exemplo, como medido pelo desvio padrão sobre um determinado intervalo de tempo) e o declínio e a eventual estabilização da pressão hidráulica mediada são também associados com um determinado grau de mistura. Portanto, essas características da forma de onda da pressão hidráulica podem ser analisadas e usadas para avaliar o progresso da mistura e garantem que o concreto está totalmente misturado. É importante confirmar as propriedades do concreto depois preferivelmente do que antes que ele seja totalmente misturado. Além disso, pelo conhecimento da extensão da mistura, é possível estimar as pro-priedades finais do concreto totalmente misturado. Os presentes inventores acreditam que os dados da pressão hidráulica depois da mistura total podem ser usados para correlacionar com uma ou mais propriedades físicas do material aglutinante contido no tambor de mistura, tais como (a) peso da carga, (b) volume da carga, (c) densidade do concreto, (d) conteúdo de ar do concreto, (e) solidez do concreto, (f) fluxo de solidez do concreto, (g) valor da tabela de fluxo do concreto, (h) reologia do concreto (por exemplo, tensão de deformação, viscosidade, tixotropia), (i) segregação dos componentes do concreto, (j) cura do concreto, (k) inclinação do tambor de mistura, (I) tamanho e configuração da estrutura interna do tambor e (m) formação de concreto no tambor. Tais propriedades físicas ou informação sobre o pró-prio tambor de mistura poderiam ser armazenadas em uma localização da memória de dados, exibidas graficamente em um monitor ou impressas em papel.
Por exemplo, na figura 5, entre 900-930 segundos, as variações entre o pico mais superior e o vale mais inferior (ou base da onda) são muito maiores do que essas que aparecem entre, por exemplo, 1020-1080 segundos, sugerindo que o concreto ainda não obteve uniformidade em 900 segundos. Assim, depois que a variação entre os picos diminui, tal como sugerido pelo gráfico em 1020 -1080 segundos, a configuração “M” ou “W” da forma de onda é evidente e a pressão hidráulica média é estabilizada, o sistema do tambor de mistura pode indicar que a mistura está completa e pode ser programado para calcular a quantidade do concreto ou propriedades, diminuir a velocidade rotacional para conservar a energia, permitir a descarga do concreto totalmente misturado ou fazer adições a mais de materiais aglutinantes para ajustar as propriedades do concreto.
Nos métodos e sistemas exemplares da invenção, essa informação pode ser exibida graficamente em um monitor, de modo que é possível para o operador começar a mistura dos componentes em um determinado tempo antes do derramamento (no local de entrega), e as formas de onda podem ser comparadas com as formas de onda armazenadas, de modo que o operador pode determinar visualmente quando a uniformidade da mistura do concreto foi atingida. Alternativamente, a forma de onda pode ser analisada para determinar o estado da mistura (por exemplo, parcialmente misturado, totalmente misturado ou o tempo estimado para o concreto totalmente misturado) e esse estado pode ser graficamente exibido em um monitor, de modo que o operador pode determinar visualmente quando a uniformidade da mistura do concreto foi obtida.
Os presentes inventores acreditam que os padrões da forma de onda na sequência dos dados da pressão hidráulica podem ser correlacionados com um ou mais parâmetros do material aglutinante, e verificados visualmente no monitor ou por programação de um processador de computador para comparar os dados armazenados com os dados obtidos durante o processo de entrega e/ou derramamento do concreto.
Por exemplo, um peso de carga conhecido pode ser correlacionado com uma altura de pico particular em um dado tempo e armazenado em localização de memória acessível pelo computador, tal que para cargas de concreto subsequentes tendo os mesmos componentes, formulação e velocidade de rotação, o peso da carga pode ser automaticamente detectado como uma função da amplitude de pico. Um pico da mesma altura como previamente gravado significaria que a carga do concreto tinha o mesmo peso (quando registrado pelo sensor de pressão ao mesmo tempo e velocidade de rotação do tambor); enquanto um pico que fosse a metade da altura poderia significar que a carga era de determinado peso menor.
Similarmente, os presentes inventores acreditam que outras partes da configuração da forma de onda, ou certos padrões das configurações da forma de onda através do tempo, podem ser usados para analisar outros parâmetros (ou características físicas) do material aglutinante, tais como solidez e fluxo da solidez. Por exemplo, seria esperado que um concreto tendo uma baixa solidez exigisse mais energia para girar o tambor e fosse menos suscetível a fluir sobre as aletas montadas dentro do tambor, tal que a configuração da forma de onda quando passando entre um pico mais alto e um vale mais baixo dentro de um ciclo rotacional do tambor de mistura seria acompanhada por muita atividade de energia “pontuda”. Isso é claramente observado quando comparando a configuração das formas de onda na faixa de 900 -930 segundos com a configuração das formas de onda na faixa de 1050 -1080 segundos, como ilustrado graficamente na figura 5. As formas de onda observadas na faixa de 900 -930 demonstram um grande grau de oscilação, sugerindo que o concreto fluiu menos sobre as lâminas de mistura rotativas; enquanto que a transição mais suave entre a amplitude do pico e os vales sugere que o concreto fluiu de maneira relativamente mais fácil sobre as lâminas de mistura rotativas na faixa de 1050 -1080 segundos.
Por outro lado, quando a sequência de valores de energia hidráulica é convertida para o domínio de frequência usando FFT, outra informação valiosa começa a aparecer.
A figura 6 é um desenho gráfico no domínio da frequência depois que os valores de energia hidráulica são convertidos usando FFT para o domínio de frequência onde o primeiro pico com a frequência de 0,156 Hz e um segundo pico com a frequência de 0,430 Hz aparecem ambos. Através do tempo, à medida que a mistura progride, a figura 7 indica que a amplitude do primeiro pico diminui e a amplitude do segundo pico aumenta. Os presentes inventores acreditam que essa mudança de amplitude e fase de harmônicos e sub-harmônicos diferentes pode ser usada para monitorar o efeito de propriedades físicas diferentes da mistura aglutinante no tambor rotativo. Nesse caso, o concreto parcialmente misturado é um material granular rígido que não flui sobre as lâminas dentro do misturador. À medida que a mistura progride e os ingredientes em lote no misturador homogeneízam e passam de um material de volume granular para um material de volume fluido, o concreto começa a fluir sobre as lâminas dentro do misturador. Os inventores acreditam que a ação do concreto fluido fluindo sobre as lâminas seja associada com o aparecimento das amplitudes de pico em frequências diferentes. Além disso, as frequências associadas com cada pico se tornam harmônicos ou sub-harmônicos -isto é, cada uma é um múltiplo da outra. Portanto, o aparecimento e a estabilização desse segundo pico em uma frequência diferente são associados com o progresso da mistura.
A figura 8 indica a relação entre a velocidade real do tambor, medida com um codificador, e a velocidade do tambor calculada com base na análise FFT da forma de onda da pressão hidráulica. A frequência associada com o primeiro pico de amplitude determinado a partir da FFT, quando convertido de Hz para revoluções por minuto, foi igual à velocidade do tambor. A frequência associada com o segundo pico de amplitude foi igual a duas vezes a velocidade do tambor. A frequência associada com o segundo pico de amplitude é duas vezes a velocidade do tambor porque se acredita que esteja associada com o concreto agindo nas lâminas no tambor. A presença de duas lâminas no tambor resulta em uma frequência associada com duas vezes a velocidade do tambor. O uso dos dados da FFT elimina a necessidade do codificador.
A Transformação Rápida Fourier é um algoritmo que permite o cálculo da Transformação Discreta Fourier, que converte os dados do domínio do tempo para dados do domínio da frequência. Na realidade, existem múltiplos algoritmos de FFT disponíveis. A FFT pode ser usada para relatar frequência, amplitude, fase, espectro de potência e densidade do espectro de potência ou componentes reais e imaginários.
Os princípios, modalidades preferidas e modos de operação da presente invenção foram descritos no relatório descritivo precedente. A invenção que é planejada para ser protegida aqui, entretanto, não deve ser interpretada como limitada às formas particulares reveladas, desde que essas devem ser consideradas como ilustrativas ao invés de restritivas. Os versados podem fazer variações e mudanças sem se afastar do espírito da invenção.
Claims (9)
1. Sistema de mistura para monitorar concreto em um tambor de mistura tendo uma parede interna do tambor e pelo menos duas lâminas de mistura montadas na parede interna do tambor para misturar concreto fornecido dentro do tambor de mistura, utilizando um meio de acionamento para girar o tambor de mistura contendo o concreto fornecido em velocidade constante SC1 na faixa de 1 a 25 revoluções por minuto, o sistema de mistura CARACTERIZADO por compreender: um sensor para fornecer uma sequência de valores através do tempo correspondendo com a energia necessária pelo meio de acionamento para girar o tambor de mistura, a sequência fornecida de valores permitindo que uma unidade de processamento de computador detecte a transição de forma nos dados de forma de onda correspondentes ao concreto que flui sobre as pelo menos duas lâminas montadas no tambor dentro de um ciclo rota-cional do tambor de mistura; uma localização de armazenamento da memória de dados tendo dados de forma de onda derivadas da sequência de valores através do tempo previamente armazenada correspondendo com a energia necessária para girar um tambor de mistura contendo concreto anterior como monitorado por um sensor durante a rotação do tambor de mistura em uma frequência de pelo menos 10 vezes a velocidade constante SC1 da rotação de tambor de mistura, os dados de forma de onda permitindo que uma unidade de processamento de computador detecte a transição de forma nos dados de forma de onda correspondentes ao concreto que flui sobre as pelo menos duas lâminas montadas no tambor dentro de um ciclo rotacional do tambor de mistura; e uma unidade de processamento do computador que realiza as seguintes funções: monitorar em uma frequência de pelo menos 10 vezes a velocidade constante SC1 da rotação de tambor de mistura a sequência de valores fornecidos pelo sensor de energia para obter dados de forma de onda que contenham transição de forma de dados de forma de onda correspondentes ao fluxo de concreto sobre pelo menos duas lâminas montadas no tambor dentro de um ciclo rotacional da rotação do tambor de mistura, e correspondente à quantidade de energia requerida pelos meios de acionamento para girar o tambor de mistura contendo o concreto fornecido; analisar a sequência de valores fornecida no domínio do tempo, no domínio da frequência, ou no domínio do tempo e no domínio da frequência, para variações nos dados da forma de onda dentro de um ciclo rotacional do tambor de mistura; comparar as variações de dados de formas de onda dentro da sequência de valores fornecida para fazer variações de dados de forma de onda dentro da sequência de valores armazenada anteriormente; e ajustar a solidez/consistência, fluxo de solidez/consistência ou outras propriedades do concreto fornecidas pela introdução de um líquido dentro do tambor de mistura contendo o concreto fornecido com base na comparação de variações de dados de formas de onda comparadas em sequências de valores fornecidas e armazenadas previamente; as variações de dados de forma de onda sendo correlacionadas com pelo menos duas propriedades ou condições do concreto ou do tambor de mistura selecionados de (a) peso da carga, (b) volume da carga, (c) densidade do concreto, (d) conteúdo de ar do concreto, (e) solidez/consistência do concreto, (f) fluxo de solidez/consistência do concreto, (g) valor da tabela de fluxo do concreto, (h) reologia do concreto selecionada dentre tensão de deformação, viscosidade, e tixotropia, (i) segregação dos componentes do concreto, (j) cura do concreto, (k) inclinação do tambor de mistura, (I) tamanho e configuração da estrutura interna do tambor e (m) formação do concreto no tambor.
2. Sistema de mistura, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as propriedades do concreto são conteúdo de ar do concreto e solidez/consistência.
3. Sistema de mistura, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de processamento de computador compara adicionalmente as variações de dados de forma de onda que foram derivadas de sequências de valores fornecidas e armazenadas anteriormente e correlacionadas com o fluxo de solidez/consistência do concreto.
4. Sistema de mistura, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a sequência de valores e variações de dados de forma de onda são exibidas graficamente em um monitor visual ou gráfico.
5. Sistema de mistura, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que em que o sistema fornece uma sequência de valores e variações de dados de forma de onda como um padrão de forma de onda e a forma de onda está correlacionada a pelo menos um dos parâmetros e a sequência de valores e variações são analisados como padrões de forma de onda armazenados em um local de memória acessível por computador, exibido em um monitor, impresso em papel ou uma combinação dos mesmos.
6. Sistema de mistura, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o líquido é água, pelo menos uma mistura química ou mistura dessas.
7. Sistema de mistura, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o meio de acionamento é um acionador hidráulico, e a sequência de valores detectados pelo sensor e analisados pela unidade de processamento de computador corresponde à pressão hidráulica necessária para girar o tambor de mistura.
8. Sistema de mistura, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de processamento computacional compara a sequência de valores fornecida com a sequência de valores armazenada anteriormente, e a comparação envolve valores correspondentes às características de forma de onda “M” ou “W” no domínio do tempo, variações de dados da forma de onda na pressão hidráulica não média, estabilização da pressão hidráulica média ou uma combinação dos mesmos quando os dados de pressão hidráulica, correspondentes à energia necessária para girar o tambor de mistura contendo 5 concreto, são representados graficamente em função do tempo ou da frequência.
9. Sistema de mistura, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as variações de dados da forma de onda comparadas pela unidade de processamento computacional compreendem mudanças na amplitude do pico e no deslocamento de fase no domínio da frequência.
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