DE10028949A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Verdichtungsgrades bei der Bodenverdichtung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Verdichtungsgrades bei der BodenverdichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Verdichtungsgrades bei der Bodenverdichtung mittels einer Walze oder einem Plattenrüttler, der aus einem Oberbau und einer vibrierenden Platte besteht. Dabei wird zumindest ein Amplitudenwert der annähernd bei Anregungsfrequenz erfolgenden Schwingung der Platte relativ zum Oberbau und zumindest ein Amplitudenwert zumindest einer bei maximal 60% der Anregungsfrequenz erfolgenden Schwingung der Platte relativ zum Oberbau ermittelt und aus den vorgenannten Amplitudenwerten der Quotient als Maß für den aktuellen Verdichtungsgrad ermittelt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ver
dichtungsgrades bei der Bodenverdichtung mittels einem Plattenrüttler oder einer
Walze, bestehend aus einem Oberbau und einem vibrierenden Unterbau, der mit
einer bestimmten Anregungsfrequenz angetrieben wird.
Bei der Bodenverdichtung besteht grundsätzlich der Wunsch, eine Aussage über
den jeweils erzielten Verdichtungsgrad zu erhalten, um einerseits die geforderten
Verdichtungswerte garantieren zu können, andererseits einen möglichst effizienten
Einsatz der Verdichtungsgeräte zu erreichen, insbesondere die Verdichtung abzu
brechen, wenn weitere Übergänge nicht mehr lohnend sind oder im Gegenteil zu
einer Wiederauflockerung des Bodens führen.
Es sind daher schon zahlreiche Lösungen bekannt, bei denen während des Ver
dichtungsvorganges bestimmte Schwingungsparameter gemessen und zur Be
stimmung des erzielten Verdichtungsgrades herangezogen werden. Diese Systeme
sind praktisch aber nur für Verdichtungswalzen geeignet und nicht für Plattenrütt
ler. Ursächlich hierfür ist teilweise der hohe apparative Aufwand, der sich bei
Plattenrüttlern nicht mehr rechnet, teilweise aber auch die wesentlich höheren Be
schleunigungswerte der Vibrationsplatten, die etwa doppelt so hoch liegen wie bei
Vibrationswalzen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
System zur Bestimmung des Verdichtungsgrades anzugeben, das nicht nur für
Walzen, sondern auch für Plattenrüttler geeignet ist, den bei letzteren auftreten
den, hohen Beschleunigungswerten stand hält und sich insbesondere durch relativ
günstige Herstellungskosten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Amplitu
denwert der bei Anregungsfrequenz erfolgenden Schwingung des Unterbaues rela
tiv zum Oberbau ermittelt wird, dass daneben zumindest ein Amplitudenwert zu
mindest einer bei maximal 60% der Anregungsfrequenz erfolgenden Schwingung
des Unterbaues relativ zum Oberbau ermittelt wird und dass schließlich der Quo
tient aus den vorgenannten Amplitudenwerten als Maß für den aktuellen Verdich
tungsgrad des Bodens herangezogen wird.
Untersuchungen der Anmelderin haben überraschend gezeigt, dass der oben
definierte Quotient mit der Anzahl der Übergänge kontinuierlich zunimmt und ein
zuverlässiger Indikator für die Bodensteifigkeit ist. Wie üblich ist dieser Quotient
betragsmäßig stark von den Eigenschaften des zu verdichtenden Bodens und
des eingesetzten Verdichtungsgerätes abhängig, aber seine relative Änderung
von Übergang zu Übergang zeigt der Bedienungsperson deutlich an, ob eine Er
höhung der Bodensteifigkeit eintritt bzw. ab wann sich weitere Übergänge nicht
mehr lohnen oder abträglich sind.
Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass keine Ab
solutwerte gemessen zu werden brauchen, sondern lediglich die Relativbewegun
gen zwischen Oberbau und Unterbau. Diese Schwingungsamplituden lassen sich
vom Oberbau aus berührungslos, insbesondere induktiv erfassen. Dabei braucht
kein Sensor an der schwingenden Masse befestigt werden und problematische Ka
belverbindungen zur schwingenden Masse entfallen. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, dass die Trennung der Amplituden in Abhängigkeit von ihrer Frequenz rela
tiv kostengünstig auf elektronischem Wege möglich ist.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich daher durch vergleichsweise einfa
chen und kostengünstigen Aufbau sowie durch hohe Zuverlässigkeit aus.
Für die Amplitudenwerte der bei maximal 60% der Anregungsfrequenz erfolgen
den Schwingung empfiehlt es sich, ein breites Frequenzband zugrunde zu legen,
das etwa von 1% bis etwa 50% der Anregungsfrequenz reicht. Dabei kann dieses
Frequenzband in seiner ganzen Breite ausgeschöpft werden oder es wird nur ein
relativ schmaler Frequenzbereich, der sich beispielsweise von 10 Hz bis 20 Hz
erstreckt, herausgegriffen oder es werden mehrere schmale Frequenzbereiche aus
dem genannten Frequenzband überlagert.
Hinsichtlich der bei der Anregungsfrequenz auftretenden Amplituden empfiehlt es
sich, einen festen Wert für die Anregungsfrequenz vorzugeben, d. h. die von Her
steller des Verdichtungsgerätes angegebene Rüttelfrequenz zugrunde zu legen
und für diese Frequenz die Amplitudenmessung durchzuführen. Es liegt aber statt
dessen auch im Rahmen der Erfindung, einen variablen Wert für die Anregungs
frequenz vorzugeben, insbesondere dann, wenn die tatsächliche Anregungsfre
quenz instabil ist. In diesem Fall empfiehlt die kontinuierliche Messung eines
Wertes, der proportional zur Anregungsfrequenz ist und die Verwendung dieses
Messwertes für die Signalfilterung, so dass die Amplitude jeweils bei der aktuellen
Anregungsfrequenz gemessen wird.
Grundsätzlich sollten die ermittelten Amplitudenwerte und/oder der daraus berech
neten Quotient einer Mittelwertbildung unterzogen werden, da die Signale stark
schwanken. Ein Messwert pro Sekunde ist durchaus ausreichend.
Damit die Bedienungsperson erkennt, ab wann sich weitere Übergänge mit dem
Verdichtungsgerät nicht mehr lohnen, wird zweckmäßig ein optisches oder akusti
sches Signal erzeugt, wenn der genannte Quotient einen bestimmten Grenzwert
passiert oder seine Änderungsgeschwindigkeit zu gering wird.
Zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens empfiehlt es sich, dass der
Oberbau einen Sensor zur berührungslosen Erfassung der Relativbewegungen
zwischen Oberbau und Unterbau trägt - insbesondere einen Sensor zur induktiven
Messwert-Erfassung, der mit einer gegenüberliegenden Messfläche am Unterbau
korrespondiert. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor und sein elektrischer An
schluss nicht den starken Beschleunigungen und Verzögerungen des vibrierenden
Unterbaues ausgesetzt sind. Die Messvorrichtung zeichnet sich daher durch hohe
Zuverlässigkeit und Lebensdauer aus und ist insbesondere für Plattenrüttler prä
destiniert.
Zur Trennung der Frequenzanteile wird vorzugsweise ein Hochpassfilter und ein
Bandpassfilter verwendet, wobei der Hochpassfilter den Amplitudenwert der annä
hernd bei Anregungsfrequenz erfolgenden Schwingung, der Bandpassfilter den
Amplitudenwert der bei maximal 60% der Anregungsfrequenz erfolgenden
Schwingung separiert. Der Bandpassfilter lässt vorzugsweise Amplitudenwerte aus
einem Frequenzbereich von etwa 1% bis etwa 50% der Anregungsfrequenz, in
der Praxis beispielsweise von 1 Hz bis 30 Hz passieren, wenn die Anregungsfre
quenz bei 60 Hz liegt.
Selbstverständlich kann dieser Bandpassfilter auch durch einen Hochpassfilter mit
Grenzfrequenz 1 Hz und einen dazu in Reihe geschalteten Tiefpassfilter mit 30 Hz
ersetzt werden.
Zur Mittelwertbildung kann entweder direkt auf die Amplitudenwerte oder den dar
aus gebildeten Quotienten zurückgegriffen werden, wobei jeweils ein Tiefpassfilter
eingesetzt wird, dessen Grenzfrequenz bei etwa 0,2 Hz bis 1 Hz liegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung; dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Plattenrüttlers;
Fig. 2 eine Ausschnittvergrößerung von Detail A;
Fig. 3 ein Schaltbild für die Auswertung der Messwerte;
Fig. 4 den Verlauf des bei der Wegmessung sich ergebenden Signals über der
Zeit;
Fig. 5 den Amplitudenverlauf mit einem Frequenzanteil von 1 Hz bis 29 Hz;
Fig. 6 den Amplitudenverlauf bei der Anregungsfrequenz von 52 Hz und
Fig. 7 den Verlauf des Quotienten über der Anzahl der Übergänge.
Fig. 1 zeigt einen im Prinzip bekannten Plattenrüttler bestehend aus einem Ober
bau 1 und einer vibrierenden Platte 2. Im Oberbau 1 sind in üblicher Weise der
Antriebsmotor 1a mit seinem Zubehör untergebracht; außerdem trägt er einen Füh
rungsbügel 1b, damit die Bedienungsperson den Plattenrüttler bedienen und in der
gewünschten Richtung steuern kann. Am oberen Ende dieses Führungsbügels 1b
befindet sich neben den üblichen Bedienelementen zum An- und Abschalten, und
gegebenenfalls zur Veränderung der Frequenz, ein Anzeigegerät 1c für den Ver
dichtungsgrad.
Die Vibrationsplatte 2 ist federnd mit dem Oberbau 1 verbunden und wird durch
Exzenterwellen mit einer bestimmten Anregungsfrequenz in Schwingungen ver
setzt.
Die Ausschnittvergrößerung gemäß Fig. 3 verdeutlicht das Messprinzip: Dazu
trägt der Oberbau 1, zweckmäßig sein starrer Maschinenrahmen, an der Unterseite
einen Sensor 3, der mit einer gegenüberliegenden Messfläche 4 an der Oberseite
der Rüttelplatte zusammenwirkt. Dieser Sensor ist im Ausführungsbeispiel als
Wegsensor ausgebildet. Es liegt aber gleichermaßen im Rahmen der Erfindung,
nicht den Schwingungsweg, sondern stattdessen die Schwingungsgeschwindigkeit,
die Schwingungs-Beschleunigung oder einen anderen für die Relativbewegung der
Platte gegenüber dem Oberbau charakteristischen Wert heranzuziehen. Vorzugs
weise wird in Vertikalrichtung gemessen; die Messrichtung kann aber auch geneigt
sein.
Zweckmäßig erfolgt die Messung induktiv; es sind aber auch optische oder andere
Messverfahren geeignet. Grundsätzlich sollte jedoch an der vibrierenden Platte
kein elektrischer Anschluss notwendig sein.
Die Auswertung des Messsignals erfolgt über das Schaltbild gemäß Fig. 3. Dem
gemäss durchläuft das vom Sensor 3 erfasste Wegsignal zunächst einen Mess
wandler und einen Verstärker, worauf die Signaltrennung auf unterschiedliche Fre
quenzbereiche erfolgt. Im Hochpassfilter werden die Schwingungen selektiert, die
etwa mit der Anregungsfrequenz des Plattenrüttlers erfolgen. Geht man beispiels
weise von einer üblichen Rüttlerfrequenz von 60 Hz aus, so wird die Grenzfre
quenz f3 des Hochpassfilters auf knapp 60 Hz eingestellt. Es wäre stattdessen a
ber auch möglich, die Anregungsfrequenz zu messen und den Hochpassfilter ent
sprechend der tatsächlich gemessenen Anregungsfrequenz nachzuführen.
Parallel zum Hochpassfilter ist ein Bandpassfilter geschaltet, der die Amplituden
aus einem relativ breiten Frequenzspektrum von etwa 1% bis etwa 50% der An
regungsfrequenz, hier also von etwa 1 Hz bis etwa 30 Hz erfasst.
Die Amplituden der so gemäß ihren Frequenzen getrennten Signale werden dann
ermittelt, indem z. B. eine Betragsbildung durch Diodenbrückenschaltung, Quadrie
ren oder Spitzenwertmessung erfolgt. Anschließend werden die vom Bandpassfilter
kommenden Signale dividiert durch die hochpassgefilterten Signale. Dieser noch
stark streuende Quotient durchläuft dann einen Tiefpassfilter, der auf eine so nied
rige Grenzfrequenz eingestellt ist, dass keine plötzlichen Sprünge des von der An
zeige 1c ablesbaren Wertes auftreten.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen die entsprechenden Signalverläufe, nämlich Fig. 4 den
Verlauf des Messsignals vor der Frequenz-Teilung, Fig. 5 das bandpassgefilterte
Signal, also die Amplituden, die zu den Schwingungen von 1 Hz bis 29 Hz gehören
und Fig. 6 die hochpassgefilterten Amplituden, die zu der Schwingung mit etwa
52 Hz gehören.
Der Quotient Q - also bandpassgefilterte Signale geteilt durch hochpassgefilterte
Signale - liegt beispielsweise zwischen 0,2 bis 2,0. Sein Verlauf über der Anzahl
der Übergänge ist in Fig. 7 dargestellt. Er entspricht qualitativ den an sich be
kannten Kurven, wie sie auch bisher schon durch andere Messverfahren ermittelt
wurden und zeigt der Bedienungsperson - gegebenenfalls unterstützt durch ein
akustisches Signal - ab wann sich weitere Übergänge mit dem Verdichtungsgerät
nicht mehr lohnen.
Zusammenfassend besteht der Vorteil der Erfindung darin, bei geringem und kos
tengünstigem apparativem Aufwand eine zuverlässige Bestimmung des Verdich
tungsgrades für Walzen oder Plattenrüttler anzuzeigen.
Claims (14)
1. Verfahren zur Bestimmung des Verdichtungsgrades bei der Bodenverdichtung
mittels einem Plattenrüttler oder einer Walze, bestehend aus einem Oberbau
(1) und einem vibrierenden Unterbau (2), der mit einer bestimmten Anre
gungsfrequenz angetrieben wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Amplitudenwert der annähernd bei Anregungsfrequenz er
folgenden Schwingung des Unterbaues (2) relativ zum Oberbau (1) ermittelt
wird, dass zumindest ein Amplitudenwert zumindest einer bei maximal 60%
der Anregungsfrequenz erfolgenden Schwingung des Unterbaues (2) relativ
zum Oberbau (1) ermittelt wird und dass der Quotient aus den vorgenannten
Amplitudenwerten als Maß für den aktuellen Verdichtungsgrad des Bodens
dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Amplitudenwerte der bei maximal 60% der Anregungsfrequenz er
folgenden Schwingung aus einem breiten Frequenzband erfasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Amplitudenwerte aus einem Frequenzband von etwa 1% bis etwa
50% der Anregungsfrequenz erfasst werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Messung der Amplituden bei Anregungsfrequenz ein fester Wert für
die Anregungsfrequenz vorgegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Messung der Amplituden bei Anregungsfrequenz ein variabler Wert
für die Anregungsfrequenz entsprechend ihrem tatsächlichen aktuellen Verlauf
eingegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Amplitudenwerte und/oder der
Quotient einer Mittelwertbildung unterzogen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittelwertbildung unter Verwendung von Hüllkurven erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Amplitudenwerte der verschiedenen Frequenzbereiche durch Fou
riertransformation, insbesondere durch FFT (Fast Fourier Transformation) er
mittelt werden und diese zur Berechnung des Verdichtungsgrades benutzt wer
den.
9. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Signal für die Bedienungsperson erzeugt wird, wenn der Quotient ei
nen bestimmten Grenzwert passiert.
10. Vorrichtung zur Bestimmung des Verdichtungsgrades bei der Bodenverdich
tung mittels einem Plattenrüttler oder einer Walze, bestehend aus einem Ober
bau (1) und einem vibrierenden Unterbau (2), der mit einer bestimmten Anre
gungsfrequenz angetrieben wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1
bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Oberbau (1) einen Sensor (3) zur berührungslosen Erfassung der
Relativbewegungen zwischen Oberbau (1) und Unterbau (2) trägt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (3) - insbesondere zur induktiven Messwert-Erfassung - mit
einer gegenüberliegenden Messfläche (4) am Unterbau (2) korrespondiert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (3) ein Weg-Aufnehmer ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch einen Hochpassfilter Amplitudenwerte der annähernd bei Anre
gungsfrequenz erfolgenden Schwingung des Unterbaues (2) relativ zum Ober
bau (1) ermittelt werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch einen Bandpassfilter Amplitudenwerten aus einem Frequenzbereich
von etwa 1% bis etwa 50% der Anregungsfrequenz ermittelt werden.
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Legal Events
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Owner name: BOMAG GMBH, 56154 BOPPARD, DE |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |