CN110006946A - 一种沥青路面温度场的室内模拟测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沥青路面温度场的室内模拟测试系统，涉及公路沥青混合料试验技术领域。其中的沥青路面温度场的室内模拟测试系统包括：室外环境模拟控制系统、太阳光照模拟控制系统、温度采集系统以及真实路面模拟系统。本发明公开了一种沥青路面温度场的室内模拟测试方法。通过可编程逻辑控制器自动控制多功能环境箱内的温度、相对湿度和风力以及氙灯的光照强度，实现对自然环境下太阳辐射强度、气温、相对湿度和风力条件等气候变化因素的实时自动模拟，从而更准确地测试真实沥青路面温度场分布状况及其变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及一种沥青路面温度场的室内模拟测试系统及方法，属于公路沥青混合料试验技术领域。
背景技术
在进行沥青混合料高温性能的测试和评价时，通常的做法是采用烘箱保温以使沥青混合料试件内部达到设定的温度。而实际上沥青路面内的温度场是由太阳辐射、大气与路表的对流热交换、大气辐射和路表辐射共同产生辐射换热等多种物理行为所决定，受到太阳辐射强度、气温和风速等自然环境因素的显著影响。因此，室内试验中采用的恒温加热控制模式与实际路面的受热过程和温度场分布与变化规律存在较大的区别。
为了模拟在自然环境下实际沥青路面的温度场，现有的室内模拟方法一般采用在有限封闭空间内，选择辐射光谱和辐射强度与太阳光比较接近的光源，采用固定的辐射强度对沥青路面进行辐射模拟试验。此模拟方式简单易行，但这种固定辐射强度的光源与实际环境中太阳辐射强度随时间发生变化的规律差异较大，且气温、相对湿度及风力变化对沥青路面温度场的影响也被忽视，导致试验结果并不能准确反映沥青路面温度场的真实状况。因此，亟需一种能够精确模拟自然环境下沥青路面温度场的测试系统，可以通过室内模拟获取实际沥青路面内温度的分布规律及变化情况。
随着自动控制技术、信息管理技术、信息控制技术、信息交换技术、网络技术的发展，越来越多的可编程系统应运而生，利用计算机实现设备的外部控制，可为实现自动化测试奠定基础，使得通过室内模拟试验来测试沥青路面温度场的变化情况成为可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种沥青路面温度场的室内模拟测试系统及方法，采用可编程逻辑控制器系统精确地模拟自然环境下太阳辐射、气温、相对湿度及风力条件的循环变化情况，实时测试沥青路面整体结构温度场及其变化规律。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种沥青路面温度场的室内模拟测试系统，包括室外环境模拟控制系统、太阳光照模拟控制系统、温度采集系统以及真实路面模拟系统。
进一步的，前述的室外环境模拟控制系统包括设置在多功能环境箱(1)内的温度模拟控制系统、相对湿度模拟控制系统和风力模拟控制系统。环境箱(1)含有可编程鼓风功能、加热功能、加湿功能、制冷功能和除湿功能。鼓风、加热以及加湿组合功能由设置在通风道(5)内的鼓风机(2)、加湿器(3)和加热器(4)组成，可形成符合试验需求的温湿循环风路。制冷功能由制冷机(6)提供，除湿功能由除湿器(7)提供。鼓风机(2)、加湿器(3)、加热器(4)、通风道(5)、制冷机(6)和除湿器(7)由可编程逻辑控制器系统控制。
进一步的，前述的太阳光照模拟控制系统包括设置在多功能环境箱(1)顶部正中面积为1600cm2的正方形耐高温隔热透明玻璃保护层(8)、可编程的光照度控制器(9)、太阳光照辐射强度测量仪(10)、电线(11)、灯罩(12)和设置在灯罩(12)内的多个氙灯(13)。
进一步的，前述的温度采集系统包括一台电子计算机(14)、温度记录仪(15)、温度传感器(17)和数据传输线(16)。
进一步的，前述的真实路面模拟系统包括多层整体路面结构试件(18)和保温隔热装置(19)。
进一步的，前述的沥青路面温度场的室内模拟测试方法，包括以下步骤：
步骤一，为模拟实际沥青路面整体结构，通过旋转压实的方式成型不同类型的沥青混合料，然后通过乳化沥青相互黏结，制成多层整体路面结构沥青混合料试件(18)。
步骤二，为了模拟沥青路面真实受热状态，对多层整体路面结构沥青混合料试件(18)用保温隔热装置(19)进行处理。
步骤三，为了模拟室外自然环境，获取某地区某一天内的气温、相对湿度和风力变化数据，通过可编程逻辑控制器系统进行环境参数采集，通过Jess语言编辑程序，设定逻辑关系，对采集到的各参数与设定的控制目标进行比较判断，判断结果通过可编成控制器的输出继电器转化为对多功能环境箱(1)内的鼓风机(2)、加湿器(3)、加热器(4)、通风道(5)、制冷机(6)和除湿器(7)的控制，从而实现对多功能环境箱(1)内的温度、相对湿度和风力的实时自动模拟。
步骤四，为了模拟室外太阳光照，获取某地区某一天内的太阳辐射强度变化数据，将灯罩(12)设置在正方形耐高温隔热透明玻璃保护层(8)上方，多个氙灯(13)设置在灯罩(12)内。通过太阳光照辐射强度测量仪(10)测量待测多层整体路面结构试件(18)表面处在氙灯(13)作用下产生的光照强度，通过可编程逻辑控制器系统控制光照度控制器(9)调整氙灯(13)的光照强度，从而实现对太阳辐射强度的实时自动模拟。
步骤五，为获取多层整体路面结构沥青混合料试件(18)内温度场的变化情况，在待测多层整体路面结构沥青混合料试件(18)内部的不同选定高度处钻孔后，将若干温度传感器(17)埋入孔内。将温度传感器(17)接入温度记录仪(15)，再通过数据传输线(16)将实时记录的温度数据导入电子计算机(14)。
进一步的，前述的保温隔热装置(19)包括隔热保温涂料和玻璃棉卷毡，先在多层整体路面结构沥青混合料试件(18)底面和四周均匀涂抹隔热保温涂料，待隔热保温涂料干燥后再采用玻璃棉卷毡裹附试件(18)底面和四周。
进一步的，前述的将若干温度传感器(17)埋入孔内并采用保温材料填充孔隙并通过软塞封闭孔口。
进一步的，前述的环境箱(1)顶部正中有一个面积为1600cm2正方形耐高温隔热透明玻璃保护层(8)，灯罩(12)放置在耐高温隔热透明保护层(8)上方，多个氙灯(13)呈水平且平行的方式设置在灯罩(12)内。这种方式不仅能够避免氙灯工作散发的热量对环境箱(1)内部的温度影响，还使得氙灯的辐射有较好的均匀性。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用基于计算机程序的可编程逻辑控制器实现室外环境模拟设备的外部控制，从而达到对自然环境下太阳辐射、气温、相对湿度和风力条件等变化因素进行实时精确模拟的目的，通过室内测试获取的沥青路面整体结构内温度场的分布特征及其变化规律更符合工程实际情况。
本发明在环境箱顶部正中设置有一个面积为1600cm2的正方形耐高温隔热透明保护层，灯罩放置在耐高温隔热透明保护层上方，多个氙灯呈水平且平行的方式设置在灯罩内。这种方式不仅能够避免氙灯工作散发的热量对环境箱内部温度的影响，还使得氙灯的辐射有较好的均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明测量系统及方法，下面将对实施例中的表述用附图进行简单地说明。
图1为沥青路面温度场的室内模拟测试系统内部结构示意图。
图2为实施例中在室外自然条件和室内模拟条件下试件内温度场测试结果对比图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明测试系统及方法进行清楚、完整地描述。
本实施例采用的材料和仪器包括：1.中石油70#沥青。2. 0.075mm～31.5mm粒径的集料。3.矿粉。4.旋转压实仪一台。5.沥青混合料拌和仪一台。6.烘箱一台。7.乳化沥青。8.隔热保温涂料一桶。9.玻璃棉卷毡一卷。10.灯罩一个。11. 1000W氙灯三个。12.太阳光照辐射强度测量仪一台。13.光照度控制器一台。14.电线一根。15.温度传感器二根。16.温度记录仪一台。17.数据传输线一根。18.电子计算机一台。19.多功能环境箱。
图1为沥青路面温度场的室内模拟测试系统内部结构示意图，包括室外环境模拟控制系统、太阳光照模拟控制系统、温度采集系统以及真实路面模拟系统。
室外环境模拟控制系统包括设置在多功能环境箱(1)内的温度模拟控制系统、相对湿度模拟控制系统和风力模拟控制系统。多功能环境箱(1)内包括可编程控制的鼓风机(2)、加湿器(3)、加热器(4)、通风道(5)、制冷机(6)和除湿器(7)。
太阳光照模拟控制系统包括设置在多功能环境箱(1)顶部正中面积为1600cm2的正方形耐高温隔热透明玻璃保护层(8)、可编程的光照度控制器(9)、太阳光照辐射强度测量仪(10)、电线(11)、灯罩(12)和设置在灯罩(12)内的多个氙灯(13)。
温度采集系统包括一台电子计算机(14)、温度记录仪(15)、温度传感器(17)和数据传输线(16)。
真实路面模拟系统包括待测多层整体路面结构沥青混合料试件(18)和保温隔热装置(19)。
具体操作步骤如下：
第一步、真实路面模拟系统的设置：为模拟实际路面结构，进行待测试件(18)的制作。通过旋转压实仪成型直径均为150mm，高度分别为4cm、6cm和8cm的AC-13、AC-20和AC-25沥青混合料圆柱体试件，然后通过乳化沥青依次相互黏结，制成多层整体路面结构沥青混合料试件(18)。试件养护24h后，将隔热保温涂料均匀涂抹在待测试件底部和四周，涂料涂抹厚度为5mm。待隔热保温涂料干燥后，将玻璃棉卷毡裹覆住待着试件的底部和四周，玻璃棉卷毡裹覆厚度为5cm。
第二步、室外环境模拟控制系统的设置：获取南京地区某日的气象资料，包括24h范围内的气温、相对湿度和风力数据。通过可编程逻辑控制器系统内的传感器进行环境参数采集，通过Jess语言编辑程序设定温度、湿度和风力的控制目标为随时间呈多项式分布规律，对采集到的各参数与设定的控制目标进行比较判断，判断结果通过可编成控制器的输出继电器转化为对多功能环境箱(1)内的鼓风机(2)、加湿器(3)、加热器(4)、通风道(5)、制冷机(6)和除湿器(7)的控制，从而实现对多功能环境箱(1)内的温度、相对湿度和风力自动控制。且控制温度偏差在±1℃以内；控制相对湿度偏差在±1％以内；控制风力偏差在±0.01m/s以内。
第三步、太阳光照模拟控制系统的设置：灯罩(12)放置在耐高温隔热透明保护层(8)上方，三个1000W氙灯(13)呈水平且平行的方式设置在灯罩(12)内。通过太阳光照辐射强度测量仪(10)测量待测多层整体路面结构沥青混合料试件(18)表面处在氙灯(13)作用下产生的光照强度，通过可编程的光照度控制器(9)调整氙灯(13)的光照强度。可编程的光照度控制器(9)由可编程逻辑控制器实现控制，通过Jess语言对内部控制程序进行设计，使得可编程的光照度器(9)控制设置在灯罩(12)内的多个氙灯(13)的辐射强度随时间呈余弦函数变化规律。且控制辐射强度偏差在±5w/m2以内。
第四步、温度采集系统的设置：在待测多层整体路面结构沥青混合料试件(18)距上表面以下2cm和4cm高度处钻孔后，将两个温度传感器(17)埋入孔内，采用保温棉填充孔隙并通过软塞封闭孔口。将温度传感器(17)接入温度记录仪(15)，再通过数据传输线(16)将实时记录的温度数据导入电子计算机(14)。
图2为在室外自然条件和通过本发明涉及的室内模拟条件下测试获取的多层整体路面结构沥青混合料试件距上表面以下2cm和4cm高度处温度场随时间的变化规律对比图。
对比室内和室外试验结果可以看出：本发明涉及的沥青路面温度场的室内模拟测试系统及方法测得的沥青路面温度场分布规律及其变化情况与室外测试结果具有高度的一致性，温度变化偏差均在±2℃以内。考虑到实体道路工程的测试误差要求(一般20％以内)，基于本发明获取的沥青路面温度场试验结果符合工程测试和分析的精度要求。另外，本发明涉及的沥青路面温度场的室内模拟测试系统及方法采用多层整体路面结构沥青混合料试件，并通过保温装置对圆柱体试件底部和四周进行隔热处理。试验结果表明距试件上表面以下2cm和4cm高度处存在明显的温度梯度，这与实际路面的温度场分布特征相符。而传统的烘箱保温法只能使得沥青混合料试件内部达到统一的设定温度，无法模拟沥青路面结构内的温度梯度。因此，本发明涉及的沥青路面温度场的室内模拟测试系统及方法更适用于进行沥青混合料高温性能的测试和评价。
本发明涉及的沥青路面温度场的室内模拟测试系统及方法具有可调性，能够模拟不同季节的温度、相对湿度、风力等自然气候条件。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种沥青路面温度场的室内模拟测试系统，其特征在于，包括室外环境模拟控制系统、太阳光照模拟控制系统、温度采集系统以及真实路面模拟系统。
2.根据权利要求1所述的沥青路面温度场的室内模拟测试系统，其特征在于，所述的室外环境模拟控制系统包括设置在多功能环境箱(1)内的温度模拟控制系统、相对湿度模拟控制系统和风力模拟控制系统。通过多功能环境箱(1)实现可编程鼓风功能、加热功能、加湿功能、制冷功能和除湿功能。由设置在通风道(5)内的鼓风机(2)、加湿器(3)和加热器(4)实现鼓风、加热以及加湿组合功能，形成符合试验需求的温湿循环风路。制冷功能由制冷机(6)提供，除湿功能由除湿器(7)提供。鼓风机(2)、加湿器(3)、加热器(4)、通风道(5)、制冷机(6)和除湿器(7)由可编程逻辑控制器系统控制。
3.根据权利要求1所述的沥青路面温度场的室内模拟测试系统，其特征在于，所述的太阳光照模拟控制系统包括设置在多功能环境箱(1)顶部正中面积为1600cm2的正方形耐高温隔热透明玻璃保护层(8)、可编程的光照度控制器(9)、太阳光照辐射强度测量仪(10)、电线(11)、灯罩(12)和设置在灯罩(12)内的多个氙灯(13)。
4.根据权利要求1所述的沥青路面温度场的室内模拟测试系统，其特征在于，所述的温度采集系统包括一台电子计算机(14)、温度记录仪(15)、温度传感器(17)和数据传输线(16)。
5.根据权利要求1所述的沥青路面温度场的室内模拟测试系统，其特征在于，所述的真实路面模拟系统包括待测多层整体路面结构沥青混合料试件(18)和保温隔热装置(19)。
6.一种沥青路面温度场的室内模拟测试方法，其特征在于，基于权利要求1所述的沥青路面温度场的室内模拟测试系统，包括以下步骤：
步骤一，为模拟实际沥青路面整体结构，通过旋转压实的方式成型不同类型的沥青混合料，然后通过乳化沥青相互黏结，制成多层整体路面结构沥青混合料试件(18)。
步骤二，为了模拟沥青路面真实受热状态，对多层整体路面结构沥青混合料试件(18)用保温隔热装置(19)进行处理。
步骤三，为了模拟室外自然环境，获取某地区某一天内的气温、相对湿度和风力变化数据，通过可编程逻辑控制器系统进行环境参数采集，通过Jess语言编辑程序，设定逻辑关系，对采集到的各参数与设定的控制目标进行比较判断，判断结果通过可编成控制器的输出继电器转化为对多功能环境箱(1)内的鼓风机(2)、加湿器(3)、加热器(4)、通风道(5)、制冷机(6)和除湿器(7)的控制，从而实现对多功能环境箱(1)内的温度、相对湿度和风力的实时自动模拟。
步骤四，为了模拟室外太阳光照，获取某地区某一天内的太阳辐射强度变化数据，将灯罩(12)设置在正方形耐高温隔热透明玻璃保护层(8)上方，多个氙灯(13)设置在灯罩(12)内。通过太阳光照辐射强度测量仪(10)测量待测多层整体路面结构试件(18)表面处在氙灯(13)作用下产生的光照强度，通过可编程逻辑控制器系统控制光照度控制器(9)调整氙灯(13)的光照强度，从而实现对太阳辐射强度的实时自动模拟。
步骤五，为获取多层整体路面结构沥青混合料试件(18)内温度场的变化情况，在待测多层整体路面结构沥青混合料试件(18)内部的不同选定高度处钻孔后，将若干温度传感器(17)埋入孔内。将温度传感器(17)接入温度记录仪(15)，再通过数据传输线(16)将实时记录的温度数据导入电子计算机(14)。
7.根据权利要求6所述的沥青路面温度场的室内模拟测试方法，其特征在于，所述的保温隔热装置(19)包括隔热保温涂料和玻璃棉卷毡。先在多层整体路面结构沥青混合料试件(18)底面和四周均匀涂抹隔热保温涂料，待隔热保温涂料干燥后再采用玻璃棉卷毡裹附试件(18)底面和四周。
8.根据权利要求6所述的沥青路面温度场的室内模拟测试方法，其特征在于，将若干温度传感器(17)埋入孔内并采用保温材料填充孔隙并通过软塞封闭孔口。
9.根据权利要求6所述的沥青路面温度场的室内模拟测试方法，其特征在于，所述的灯罩(12)放置在耐高温隔热透明玻璃保护层(8)上方，多个氙灯(13)呈水平且平行的方式设置在灯罩(12)内。
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2019
- 2019-05-07 CN CN201910382254.7A patent/CN110006946A/zh active Pending
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