JP2012522215A - コンクリートの監視及び制御のためのミキサー波形分析 - Google Patents

Abstract

回転混合ドラム中のセメント性材料の量及び特性についての情報を監視し、且つ得るための方法及びシステム。本発明は、回転の間の連続的な瞬間（ｉｎｓｔａｎｃｅｓ）にコンクリート混合ドラムを回転させるのに必要な液圧を反映する波形に対応する１連続の値の分析を含む。好ましい態様は、この時間−領域データの周波数−領域への転換を含む。多くの高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）の挙動を実時間で調べ、コンクリートの物理的性質に関するさらなる情報を得ることができる。ドラム中の試料コンクリートに由来する時間−領域及び／又は周波数−領域値と、好ましくはコンクリートの物理的特性、例えばスランプ、スランプ流、装入物の重量及び他の因子と関連づけられた以前に保存された時間−領域及び／又は周波数−領域値の間の比較に基づいて、コンクリート中に液体を導入することにより、流動学又は他の性質を調整することができる。
【選択図】 図５

Description

発明の分野
本発明はコンクリートの製造に関し、さらに特定的に、エネルギー波形（例えば液圧）の分析により混合ドラム中のセメント材料の量及び／又は特性ついての情報を監視し、且つ得、ならびにより好ましくは時間−領域（ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ）波形を周波数−領域（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ）スペクトルに転換し、それによりさらなる情報を得、且つ評価することができるようにするための方法に関する。

発明の背景
混合ドラムを回転させるために必要なエネルギー（例えば特許文献１）及び／又は液圧によりドラムに適用されるトルク（例えば特許文献２）を監視するためのセンサーの使用により、ミキサー車（ｒｅａｄｙ−ｍｉｘ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｔｒｕｃｋｓ）中のコンクリートの「スランプ」又は流動性を監視し、且つ制御することは既知である。与えられた速度でドラムを回転させるのに必要なアンペア数又は液圧がより高いほど、コンクリート混合物はより剛い（ｓｔｉｆｆｅｒ）か、又は低流動性（ｌｅｓｓ ｆｌｏｗ−ａｂｌｅ）（より低いスランプ）である。

自動制御システムは、水又は他の液体の添加を介して運送中のスランプの調整を可能にすることにより、より長い距離に及んでミキサートラック中のコンクリートを輸送することを可能にする。液圧駆動装置と結び付けられた液圧センサー又はドラムに連結された回転速度センサーを、監視目的のために用いることができる。操作中に修正することを可能にするために、そのようなセンサーをコンピューター処理装置及び無線通信システムに無線で連結することができる。例えば特許文献３を参照されたい。

コンクリートスランプの監視は、混合トラック上の液圧センサー及び／又は電気センサーから得られる出力又は値をキュリブレーションし、これらを標準的なスランプコーンテストを用いて得られるスランプ値と関連付けることを含む。標準的なスランプコーンテストでは、新しいコンクリートを含有する１２−インチの円錐台（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ ｃｏｎｅ）を取り除いてコンクリートを落下させ、コンクリートの落下の鉛直高さ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｈｅｉｇｈｔ ｄｒｏｐ）を測定する（ＡＳＴＭ Ｃ１４３−０５）。この既知のスランプ性を有するコンクリートを、次いで回転可能なドラムミキサーに加え、センサーからの出力として得られる液圧値又は電気的値をメモリ域中に保存し、続いてコンピューター処理装置により関連付けられるようにする。消費者へのコンクリートの送達の間、コンクリートは水和、蒸発及び他の因子の結果として時間と共に剛化し、センサーは混合ドラムの回転に必要な液圧エネルギー又は電気エネルギーの増加としてこれを検出する。車上コンピューター処理装置は、単数もしくは複数のセンサーから得られる検出されたエネルギー値を比較し、これをコンピューター−アクセス可能なメモリ中に保存されている値又は値の範囲と比較する。コンクリートが剛くなり始めていることをセンサー及びコンピューター処理装置（ＣＰＵ）が検出すると、スランプを所望の値に復帰させるために、ＣＰＵはコンクリート中に水又は他の液体（例えば化学的分散剤）を注入するように計量又はポンプ装置を活性化することを開始させることができる。

作業性（コンクリートを混合し、配置し（ｐｌａｃｅ）、締固め、且つ仕上げることができる容易さ及び均質性として定義される）を手動で測定するための他の方法を利用することができる。例えばフローテーブルテスト（ＥＮ １２３５０−５）では、動いているテーブル上に置かれたコーン中にコンクリートを充填する。テーブルは、片端上にちょう
つがいが付けられて、他端を固定された距離だけ持ち上げ且つ落下させることができる平らな板から成る。コーンを除去した後、ある回数、板を持ち上げて落下させ、コンクリートの水平流を測定する。自己−締固めコンクリート（ｓｅｌｆ−ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ）のような高度に流動性のコンクリート混合物の場合には、スランプフローテストを用いる（ＡＳＴＭ Ｃ １６１１−０５）。このテストでは、コンクリートを標準的なスランプコーン中に入れ、コーンを除去し−鉛直落下ではなくて−水平広がり（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｐｒｅａｄ）を測定する。

本発明者らは、現在のスランプ監視情報の主要な問題が、そのような装置がスランプについての情報のみを与えることだと考える。コンクリートの性質をより完全且つ有効に監視し、且つ制御するために、ドラム中のコンクリートの量及び性質ならびにドラム自身の特性についての追加の情報を知るべきである。

本発明者らは、現在のスランプ監視装置の主要な問題は、均一な混合物を生ずるための成分の混合が完了する時を決定することであるとも考える。成分が最初にミキサーに加えられると、ドラムを回転させるエネルギーは成分が合される時に増加し、次いで混合が進行してコンクリートがより流動性になる時に減少する。現在の実施では、十分な混合を保証するために、ドラム回転の数を固定する。この数が十分な混合を達成するのに実際に必要な数より大きいと、不必要なエネルギー及び時間が浪費される。この数が十分な混合を達成するのに実際に必要な数より小さいと、未−混合の材料が早期にドラムから排出され得る。混合の完了を監視する方法を有することが望ましい。

従って、混合ドラム中のコンクリートの流動学的性質を監視し、且つ調整するための新規な方法及びシステムが必要である。

米国特許第４，００８，０９３号明細書 米国特許第５，７１３，６３３号明細書 米国特許出願第１０／５９９１３０号明細書（公告番号第２００７／０１８５６Ａ１号）

発明の概略
本発明は、回転可能な混合ドラム中で混合されているセメント性材料の流動学的性質及び他の特性を監視し、且つ制御するための方法及びシステムを提供する。先行技術の方法は、単一の液圧−即時に測定されるか、又は時間に沿った（ｏｖｅｒ ｔｉｍｅ）測定値から平均される−を分析し、スランプ又は稠度（ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ）を計算したが、本発明は、混合の程度、回転ドラム速度又は材料の量のようなセメント性材料についてのさらなる情報を得るために、平均エネルギーの他に測定されるエネルギー（例えば液圧）における変動の考察及び分析を含む。さらに別の代表的な態様において、この時間−領域情報を、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）又はそれらの変形を用いることにより、周波数−領域に転換する。与えられるセメント性混合物から得られる波形（時間−領域）又は転換された波形データ（例えばＦＦＴ）を比較し、且つ保存されている値と比較することにより、材料の量及び特性を得ることができ、例えば液体又は他の成分の添加を介して、流動学及び他の性質を調整することができる。

かくしてセメント性材料の混合のための本発明の代表的な方法は：内部ドラム壁及び内部ドラム壁上に取り付けられた少なくとも１つの混合翼を有する回転可能な混合ドラムを与え、混合ドラムは水和可能なセメント性材料を作るための成分を含有し；該混合ドラムを分当たり１〜２５回転の範囲内の一定の速度Ｓ^Ｃ１において回転させ；混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーに対応する時間に沿った１連続の値を与え、該連続の値は一定の速度Ｓ^Ｃ１の少なくとも１０倍の周波数で監視され；与えられる連続の値をデータメモリ保存域内に以前に保存された連続の値と比較し；そして混合ドラム中に液体又は他のセメント性材料成分を導入することにより、該混合ドラム中に含有されるセメント性材料の流動学又は他の性質を調整することを含む。

好ましい方法において、時間に沿って監視されるのは液圧であり、液圧に対応する得られる連続の値はコンピューター−アクセス可能データメモリ保存域中に保存され、それをモニター上に表示するか又は紙上に印刷することができ、且つまたそれを標準セメント性試料から得た以前に保存された連続の値と比較することができる。

好ましい方法及びシステムにおいて、エネルギー（例えば液圧）に関してグラフ的にプロットすることができる時間−領域における連続の値を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを用いて周波数−領域に転換し、データを周波数成分に関して分析できるようにする。従って、セメント性材料のレオロジーを、以前に保存されたＦＦＴデータに基づいて監視することができる。例えばセメント性材料が剛くなりつつあることをデータが示したら、周波数−領域におけるピーク振幅における変化及び位相シフトの測定によりこれを迅速に決定し、液体（例えば水、化学混和剤又は両方）を混合ドラム中に導入することにより、セメント性材料のレオロジー及び他の性質を迅速に調整できるようにすることができる。

かくして本発明の好ましい方法は：セメント性混合物を含有する混合ドラムを分当たり１〜２５回転の範囲内の一定の速度で回転させ；混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーの量に対応する１連続の時間−領域値を与え、連続の時間−領域値を周波数−領域値に転換し、周波数−領域値を保存されている周波数−領域値と比較し、比較される値に基づいて液体を混合ドラム中に導入することを含む。

ドラムの回転に必要な電気エネルギーの量に対応する、又はより好ましくは液圧の量に対応するセンサーからの値又は電気出力をコンピューター−アクセス可能メモリ域内に保存することができ、且つそれを周期的波形としてグラフ的に表示することができる。時間に沿った連続のエネルギー値は、回転する混合ドラムの回転当たり少なくとも１０倍のサンプリング周波数に基づいていなければならず、あるいはさらにもっと高い精度さえ望ましい。好ましくは、混合ドラムは、時間−領域において周期当たりに２つもしくはそれより多いピークを有する周期的波形のプロットを可能にするために、少なくとも１つもしくはそれより多い内部混合翼を有する。従って本発明の好ましい態様において、これらの波形値を、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）及び／又は離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を用いる転換により、周波数−領域に転換することができる。時間−領域又は周波数−領域データあるいは両方の分析は、（ａ）装入材料の重量、（ｂ）装入材料の体積、（ｃ）コンクリート密度、（ｄ）コンクリート空気含有率、（ｅ）コンクリートスランプ、（ｆ）コンクリートスランプ流、（ｇ）コンクリートフローテーブル値、（ｈ）コンクリートレオロジー（例えば降伏応力、粘度、チキソトロピー）、（ｉ）コンクリート成分の分離（ｓｅｇｒｅｇａｔｏｎ）、（ｊ）コンクリート凝結、（ｋ）混合ドラムの傾斜（ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ）、（ｌ）内部ドラム構造の寸法及び配置（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）；ならびに（ｍ）ドラム内におけるコンクリートの堆積より成る群から選ばれる１つもしくはそれより多い物理的セメント性材料混合パラメーターの分析を可能にすることができる。さらに、時間−領域又は周波数−領域データの分析を、混合の進行の決定において用
いることができる。

例えば周波数−領域データの分析に基づいて、液体（例えば水、化学混和剤又は両方）を混合ドラム中に導入することができる。ＦＦＴ又は離散フーリエ変換（ＤＦＴ）のような変換アルゴリズムの使用は、１連続の液圧エネルギー値を周波数−領域において分析される種々の周波数の成分に分解するか、又はそうでなければ転換し、上記で挙げたようなコンクリートの物理的パラメーターの１つもしくはそれより多くを監視し、分析し、且つ必要なら混合ドラム中への液体又は他のセメント性成分の導入により調整することができるようにする有効な方法である。

本発明は：内部ドラム壁及び該内部ドラム壁上に取り付けられた少なくとも１つの混合翼を有し、水和可能なセメント性材料を作るための成分を含有する混合ドラム；該混合ドラムを分当たり１〜２５回転の範囲内の一定の速度Ｓ^Ｃ１において回転させるように運転可能な液圧駆動装置；混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーに対応する時間に沿った１連続の値を与えるように操作可能なセンサー；液圧センサーにより与えられる液圧駆動装置により必要とされる液圧の量に対応する値を監視するためのコンピューター処理装置；第１の水和可能なセメント性材料を含有する混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーに対応する、一定の速度Ｓ^Ｃ１の少なくとも１０倍の周波数で監視される、時間に沿った第１の連続の値に対応するデータの第１の組を保存するためのデータメモリ保存域を含んでなる混合システムも提供し；該コンピューター処理装置はさらに、第２の水和可能なセメント性材料を含有する混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーに対応する、一定の速度Ｓ^Ｃ１の少なくとも１０倍の周波数で監視される、時間に沿った第２の連続の値を受け取るために操作可能であり；該コンピューター処理装置はさらに、該第２の連続の値を該第１の連続の値と比較し、且つ該比較に基づいて該混合ドラム中に液体又は他のセメント性材料成分を導入することにより、該第２の水和可能なセメント性材料のレオロジー又は他の性質を調整するために操作可能である。好ましい混合システムにおいて、コンピューター処理装置は、（ａ）セメント性材料を含有する混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーに対応する該第１及び第２の連続の値を周波数−領域に転換するため；（ｂ）周波数−領域に転換した後に該第１及び第２の連続の値を比較するため、ならびに（ｃ）該比較に基づいて液体の添加により該混合ドラム中に含有されるセメント性材料のレオロジーを調整するために操作可能である。時間−領域又は周波数−領域データのいずれか又は両方を用い、セメント性材料の１つもしくはそれより多くの性質（例えばスランプ、スランプ流、装入材料の重量、空気含有率など）を分析し、且つ例えばセメント性材料中に液体又は他の成分を導入することにより、修正することができる。

本発明の方法及びシステムを、固定混合ドラムにおいて、例えば回分処理プラントで、又は混合ドラムを有する送達トラックにおいて用いることができる。分析法をドラムミキサー以外のミキサー、例えば一軸ミキサー、二軸ミキサー及びパンミキサーにおいて用いることもできる。本発明のさらなる利点及び特徴を本明細書下記に記載することができる。

図面の簡単な記述
以下の好ましい態様の詳細な記述を添付の図面と結び付けて理解すると、本発明のさらなる利点及び特徴をより容易に理解することができる。

空の混合ドラムを回転させるのに必要な液圧（すなわち波形により示されるエネルギー）のグラフ図。 コンクリートが装入された混合ドラムを回転させるのに必要な液圧のグラフ図。 高速フーリエ変換（ＦＦＴ）分析から計算される図１の空の混合ドラムの周波数領域スペクトルのグラフ図。 高速フーリエ変換（ＦＦＴ）分析から計算される図２のコンクリートが装入された混合ドラムの周波数領域スペクトルのグラフ図。 コンクリートバッチの混合の間の時間に沿った液圧のグラフ図（波形）。 図５の部分的に混合されたコンクリートに関してＦＦＴ分析を用いて計算される振幅対周波数のグラフ図。 図５の十分に混合されたコンクリートに関してＦＦＴ分析を用いて計算される振幅対周波数のグラフ図。 エンコーダーを用いて測定される実際に回転しているドラム速度と液圧波形のＦＦＴ分析を用いて計算されるドラム速度の間の関係のグラフ図。

代表的な態様の詳細な説明
本明細書で用いられる「セメント性」という用語は、ポルトランドセメント又は細かい骨材（例えば砂）、粗い骨材（例えば砕石又は砂利）を結合させるための結合剤として他のやり方で（ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ）機能するポルトランドセメント置換物を含む材料を指す。

そのようなセメント性材料は、さらにフライアッシュ、顆粒化された噴射炉（ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ）スラグ、石灰石又は天然ポゾランを含むことができ、それらはポルトランドセメントと組み合わされているか、あるいは水和可能な性質を重大に減損させることなくポルトランドセメントの一部にとって代わるかもしくはそれと置き換えられるように用いられ得る。ついでながら、「モルタル」は、砂のような細かい骨材を有するセメント又はセメント性混合物を指し；一方「コンクリート」は、さらに正確には砕石又は砂利のような粗い骨材も含有するモルタルを指す。「セメント性材料」という用語の使用は「コンクリート」という用語と互換的に用いられ得、それは、コンクリートが回転可能な混合ドラムを有するミキサー車（ｒｅａｄｙ−ｍｉｘ ｔｒｕｃｋｓ）により最も普通に与えられるからであるが、本明細書で用いられる「コンクリート」という用語は、セメント又はセメント置換物（例えばポゾラン）あるいはモルタルのみを含有する材料の送達のために本発明を用いることができるということを必ずしも排除しない。

「水和可能」とみなされるセメント性材料は、水との化学的相互作用により硬化するものである。

セメント性材料はさらに化学混和剤、例えば減水剤又は高性能減水剤、粘度調整剤、腐食防止剤、収縮低減剤、急結剤、凝結遅延剤、ＡＥ剤（ａｉｒ ｅｎｔｒａｉｎｅｒｓ）、エアデトレイナー（ａｉｒ ｄｅｔｒａｉｎｅｒｓ）、顔料、着色剤、プラスチック収縮抑制又は構造的強化のための繊維などを含有することができる。

混合ドラムの回転のためのエネルギーの測定用の液圧及び／又は電気センサー、回転の速度の測定用の速度センサー、大気温度ならびに混合物温度の監視用の温度センサーのようなスランプ制御監視及び制御装置ならびに分配装置ならびにセンサーからのシグナルを監視し、分配装置を作動させるためのコンピューター処理装置を有するコンクリート送達混合トラックは、産業においてこれまでに比較的周知であった。例えば無線通信システムと一緒に用いることができるそのようなスランプ制御システムは、米国特許第５，７１３，６６３号明細書；米国特許第６，４８４，０７９号明細書；米国特許出願第０９／８４５，６６０号明細書（公告番号第２００２／００１５３５４Ａ１号）；米国特許出願第１０／５９９，１３０号明細書（公告番号第２００７／０１８５６Ａ１号）；特許出願第１１／７６４，８３２号明細書（公告番号第２００８／０３１６８５６号）；及び特許出願
第１１／８３４，００２号明細書（公告番号第２００９／００３７０２６号）に開示されている。コンクリート混合物の種々の物理的性質を監視するためのセンサーと組み合わされた無線通信を用いる監視及び制御のためのさらに別の代表的なシステムは、Ｃｏｆｆｅｅの米国特許第６，６１１，７５５号明細書に記載されている。これらの記載は、引用することにより本明細書の内容となる。

前記の記載を見て、本発明者らは、通常の自動コンクリート混合物監視装置を用いて本発明の代表的な態様の複数を実施できると考える。例えばＧｒａｃｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ及びＲＳ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ＬＬＣ，Ｗｅｓｔ Ｃｈｅｓｔｅｒ，ＯｈｉｏからＶＥＲＩＦＩ^（Ｒ）の名前の下に入手可能な自動スランプ−監視装置を用い、この商業的に入手可能なスランプ−監視装置をわずかに修正して、以下の：内部ドラム壁上に取り付けられた少なくとも１つ、そして好ましくは２つ又はそれより多い混合翼を有する回転可能な混合ドラム中にセメント性材料を導入し；分当たり１−２５回転（ｒｐｍ）の範囲内の一定の速度Ｓ^Ｃ１でドラムを回転させ；ドラムの回転に必要なエネルギー（例えば液圧（“Ｐ^Ｈ”））に対応する、一定の速度Ｓ^Ｃ１におけるドラムの回転当たり少なくとも１０倍の周波数で監視される、時間に沿った１連続の値を与え；好ましくはこれらの値を第１のコンピューター−アクセス可能データメモリ保存域内に保存し；一定の速度Ｓ^Ｃ１における時間に沿ったＰ^Ｈの連続の測定値を、別のデータメモリ保存域内に以前に保存された一定の速度Ｓ^Ｃ１におけるＰ^Ｈの連続の測定値と比較し；そしてこの比較に反応して混合ドラム中に液体を導入することにより、セメント性材料のレオロジー又は他の性質を調整する段階を行うことができる。

本発明のさらに別の代表的な方法及びシステムにおいて、時間−領域において時間に沿ってエネルギー（例えば液圧）に関してグラフ的にプロットされ得る連続の値を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）又はそれらの誘導アルゴリズムのようなアルゴリズムを用いて周波数−領域に転換し、周波数成分に関してデータを分析でき、且つ以前に保存されたＦＦＴデータに基づいてセメント性材料の性質を監視及び／又は調整できるようにすることができる。

本発明者らは、回転データに基づいていても、時間領域からのシグナルを周波数領域スペクトルに変換するために、ＦＦＴ又は離散フーリエ変換（ＤＦＴ）あるいはそれらの変形の使用を用いることができると考える。例えばＪｏｎｅｓの米国特許第６，８７６，１６８Ｂ１号明細書は、ＦＦＴ又はＤＦＴを用いてＤＣモーターの動的特性を測定するセンサーにより生ずるシグナルを変換することにより、ＤＣモーターのような回転装置の速度を周波数領域において分析できると記載している。しかしながら本発明の場合、混合ドラム自身上で回転速度センサーを用いることができ、従って回転速度を近似するためにＦＦＴ又はＤＦＴを用いる必要はなく、それは、これを直接決定することができるからである。その代わりに本発明者らは、液圧波形データを周波数−領域において調べることにより、コンクリート混合物及びミキサー特性の複雑な組を、水和及び他の因子の動的効果に対してさえ、監視し、分析し、且つ調整することができると考える。

標準的なスランプコーン法を用いて試料コンクリート混合物のスランプを測定し（例えばコーンを取り除いて試料を落下させた後にコンクリート混合物の鉛直落下高を測定し）、与えられる混合材料の体積の場合に与えられる速度においてドラム中の同じコンクリート試料混合物を回転させるのに必要なエネルギーとスランプ値を関連付けることにより、スランプ−監視システムをキャリブレーションすることができる。この関係を、特に液圧値を周波数領域において分析する本発明の目的のためにも用いることができる。

本発明のさらに別の代表的な態様において、コンクリート混合物試料のスランプ流を測
定することにより試料コンクリート混合物の監視を行うことができ、これは、スランプコーンを取り除いて試料が表面上で広がるのを許した後にコンクリート試料混合物の水平広がりを測定することにより成される。従って、そのようなスランプ流値を、与えられる試料コンクリート混合物の体積の場合に与えられる速度において混合ドラムを回転させるのに必要な平均エネルギー（例えば液圧）と関連付けることもできる。スランプ流テストは、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１−０５に従って施行される。

本発明のさらにもっと別の代表的な態様において、本発明者らは、フローテーブルテスト（ＥＮ １２３５０−５）を用いることによりスランプ−監視システムをキャリブレーションすることもできると考え、そのテストでは、以前に背景において記載した通り、動いているテーブル上に置かれたコーン中にコンクリートを充填し、コーンを取り除いてコンクリート試料の水平広がりを測定できるようにする。得られるフローテーブル値を、次いで与えられる混合材料の体積の場合の与えられる速度に関する平均液圧と関連付けることができる。この関係を、特に周波数領域において液圧値を分析する本発明の目的のためにも用いることができる。

従って本発明のさらに別の代表的な混合システム及び方法は、既知の体積のコンクリート混合物を含有するドラムを与えられる速度及び体積において回転させるのに必要な平均液圧に対応する１連続の値を、コンピューターアクセス可能メモリ域内に以前に保存され、且つコンクリート混合物から得られる標準的なスランプコーン値（鉛直落下テスト；ＡＳＴＭ Ｃ１４３−０５を参照されたい）、スランプ流値（水平広がり、ＡＳＴＭ Ｃ１６１１−０５を参照されたい）及びフローテーブル値（ＥＮ １２３５０−５）に対応する値と一緒に与えることを含んでなる。

図１は、空のコンクリート混合ドラムを回転させるのに必要な、時間（秒）に沿った典型的な時間−領域エネルギー波形（液圧）を示す。これらの波形は、１連続の連続正弦曲線として現れる。ほとんどのコンクリート送達混合トラックはドラムを回転させるために液圧を用いるので、本明細書では主に液圧に言及するが、液圧への言及は、類似して振動性であり、時間とともに変化する振幅を有する電気エネルギー（例えば電流、電圧又は出力読み取り値（ｒｅａｄｉｎｇ））に同様に適用されるか、又はそれを含むと理解されるべきである。

図２は、コンクリート混合物が装入された回転混合ドラムに関する典型的な液圧波形を示す。混合ドラムの内面は、ドラムの内面に取り付けられ、且つドラムの回転軸の周りに渦巻き状に（ｉｎ ｓｐｉｒａｌ ｆａｓｈｉｏｎ）配置された２つの混合翼を含有した。本発明者らは、この場合には２つである翼の数及び空のドラムの特性が、グラフ中にプロットされる低いピークと高いピークの対により反映されていると考える。

比較的均一な稠度及び既知のスランプ又はスランプ流（例えば標準的なスランプコーンにより決定される）及び既知の量を有する与えられるコンクリート材料の液圧波形を、混合ドラムの回転の間に、回転の間の連続的な瞬間（ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｉｎｓｔａｎｃｅ）に必要な液圧の量に対応する１連続の値（液圧センサーの出力から）としてコンピューター−アクセス可能メモリ内に保存することができる。混合ドラムを空にし、同じ設計（同じ成分及びそのパーセンテージ）の別のコンクリートバッチの成分をドラム中に入れた後、成分（セメント、水、骨材材料）が十分に混合された時を認識するようにシステムをプログラミングすることができ、且つシステムはドラム中に入れられたセメント性材料の量を決定することもでき、これを、時間に沿った混合ドラムの回転に必要な液圧における変動を分析することにより行うことができる。従って、平均エネルギーを計算する必要はなく（そうでなければ平均されるべき複数のドラム回転が必要であろう）、おそらく単に液圧波形が標準試料と一致するか又はそれに十分に近づき、コンピューター−アクセ
ス可能なメモリ域に保存される時を突き止めることにより、与えられる混合物において均一な稠度に達した時を決定するのに必要な回転はより少ないであろう。さらに、下記でさらに議論する通り、パターン認識を用いて、波形がある目標に対応する時を決定することができる。波形を時間領域から周波数領域に移す（ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ）こともできる。

図３は、空のドラム圧波形の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）分析による液圧エネルギーを示す。言い換えると、連続のエネルギー読み取り値を時間−領域から周波数−領域に転換し、周波数−領域では液圧を周波数の関数としてグラフ的にプロットすることができ、混合が進行するか、コンクリートが剛くなるか、又は水もしくは化学混和剤のような材料がドラム中に加えられる時の周波数の関数としての液圧における変化を、時間に沿って監視することができる。従って、周波数ピーク又は曲線の振幅又は高さは、周波数の関数として反映される液圧（平方当たりのポンド又はｐｓｉ）を示す。単独の振幅ピークは、空のドラムを回転させるのに必要な液圧のほとんどが主に非常に狭い周波数帯の幅内に存在することを意味し；これは、空のドラムを回転させるのに必要な液圧が図１に示唆される通り、最低の周波数を示す正に単一正弦波曲線（ｓｉｎｇｌｅ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｃｕｒｖｅ）により示されるという観察と一致する。

本発明の好ましい態様において、液圧波形データ（ドラム及びセメント性材料を回転させるのに必要な液圧に対応する連続の値）を、例えばＦＦＴ又はＤＦＴの使用により、周波数−領域に転換し、ドラム内容物の高調波挙動（ｕｐｐｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ）をさらに分析できるようにする。

本発明のさらに別の代表的な態様において、ピークの高さならびにピークの基部（ｂａｓｅ）における幅を、及びまた必要な場合にはピークの面積全体を含んで、評価することができる。

図４は、コンクリートが混合ドラム中に装入され、得られる液圧波形が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により周波数成分が周波数の関数としてプロットされる周波数−領域に転換される時に何が起こるかを示す。空のドラムに関する波形はドラムの回転速度に対応する周波数におけるピーク振幅を示すが、コンクリートが装入された混合ドラムの液圧エネルギー波形は、もっと高い周波数におけるピーク振幅を示す。このより高い周波数の出現は、混合ドラムの内壁表面上に取り付けられた混合翼又は櫂により発生すると思われる。典型的なトラックミキサードラムは、ドラムの内側に互いに向かい合って取り付けられる２つの同じらせん形又は渦巻き状の翼を含む。ＦＦＴ分析により与えられる測定波形は、ドラム自身の回転と関連する周波数及び翼により置き換えられている（ｄｉｓｐｌａｃｅｄ）、又はせん断されているコンクリートと関連する他の周波数の合計である。より高い周波数において現れる第２のピーク（第１のピークの右側に）は、ドラム回転の周波数の二倍（ｄｏｕｂｌｉｎｇ）を示す。この現象は、回転するドラムの内壁上に取り付けられた２つの同じに離れた混合翼を有することにより、引き起こされると思われる。

図５は、バッチ処理される（ｂａｔｃｈｅｄ）コンクリートが混合される時の液圧波形を示す。この時間−領域プロット内で、波形は混合運転の間に時間に沿って徐々に変化することがわかる。特定的に、時間領域波形は単一繰り返しピークを有する主に正弦波の曲線から、回転当たりに２つのピークを有し、且つ各ピークが異なる高さを有する曲線に変化する。波形の後者の部分は「Ｍ」又は「Ｗ」形を成している。従って、本発明の代表的な方法及びシステムは、図５にグラフ的に示される「Ｍ」又は「Ｗ」形波形の「ピーク」及び「谷」に対応するデータの波形の性質の分析を含む。「Ｍ」又は「Ｗ」形波形の出現は、ある混合度と関連する。さらに、平均されない液圧の変動における減少（例えばある時間間隔に及ぶ標準偏差により測定される）ならびに平均された液圧の下傾及び終局的な
安定化も、ある混合度と関連する。従って、これらの液圧波形の特性を分析し、混合の進行を評価して、コンクリートが十分に混合されていることを保証するために用いることができる。コンクリートが十分に混合される前ではなくて、その後にコンクリートの性質を確証することが重要である。さらに、混合の程度を知ることにより、完全に混合されたコンクリートの最終的な性質を見積もることができる。本発明者らは、十分な混合の後の液圧データを、混合ドラム中に含有されるセメント性材料の１つもしくはそれより多くの物理的性質、例えば（ａ）装入材料の重量、（ｂ）装入材料の体積、（ｃ）コンクリート密度、（ｄ）コンクリート空気含有率、（ｅ）コンクリートスランプ、（ｆ）コンクリートスランプ流、（ｇ）コンクリートフローテーブル値、（ｈ）コンクリートレオロジー（例えば降伏応力、粘度、チキソトロピー）、（ｉ）コンクリート成分の分離、（ｊ）コンクリート凝結、（ｋ）混合ドラムの傾斜、（ｌ）内部ドラム構造の寸法及び配置；ならびに（ｍ）ドラム内におけるコンクリートの堆積と関連付けるために用いることができると考える。混合ドラム自身についてのそのような物理的性質又は情報をデータメモリ域内に保存するか、モニター上にグラフ的に表示するか、紙上に印刷することができる。

例えば図５において、９００−９３０秒の間、最高のピークと最低の谷（又は波の底）の間の変動は、例えば１０２０−１０８０秒の間に出現するものよりずっと大きく、９００秒においてコンクリートがまだ均一性を得ていなかったことを示唆している。かくして１０２０−１０８０秒においてグラフにより示唆されるように、ピークの間の変動が減少し、波形の「Ｍ」又は「Ｗ」形が明白となり、平均液圧が安定化したら、混合ドラムシステムは、混合が完了したことを示すことができ、コンクリートの量又は性質を計算するか、回転速度を維持エネルギーまで下げるか、十分に混合されコンクリートの排出を許すか、あるいはコンクリートの性質の調整のためにセメント性材料をさらに加えるようにプログラミングすることができる。

本発明の代表的な方法及びシステムにおいて、（送達場所における）注入の前のある時点に操作者が成分の混合を開始することが可能であるように、この情報をモニター上にグラフ的に表示することができ、操作者がコンクリート混合物の均一性が得られた時を視覚により突き止めることができるように、波形を保存されている波形と比較することができる。あるいはまた、波形を分析して混合の状態（例えば部分的混合、十分な混合又は十分に混合されたコンクリートまでの見積もり時間）を決定することができ、操作者がコンクリート混合物の均一性が得られる時を視覚により突き止めることができるように、この状態をモニター上にグラフ的に表示することができる。

本発明者らは、連続の液圧データにおける波形パターンを１つもしくはそれより多くのセメント性材料パラメーターと関連付け、モニター上で視覚により、あるいは保存されているデータをコンクリート送達及び／又は注入過程の間に得られるデータと比較するようにコンピューター処理機をプログラミングすることにより、立証することができると考える。

例えば既知の装入材料の重量を与えられる時間における特定のピークの高さと関連付け、コンピューター−アクセス可能なメモリ域内に保存し、同じ成分、処方及び回転速度を有するその後のコンクリート装入材料の場合に、装入材料の重量をピーク振幅の関数として自動的に検出できるようにすることができる。以前に記録されたと同じ高さのピークは、コンクリート装入材料が同じ重量を有したことを意味し（同じ時間及びドラム回転速度において圧力センサーにより記録される時）；半分の高さであったピークは、装入材料がより少ないある重量のものであったことを意味する。

類似して本発明者らは、波形の他の部分又は時間に沿った波形のあるパターンを用いて、セメント性材料の他のパラメーター（又は物理的特性）、例えばスランプ及びスランプ
流を分析することができると考える。例えば低いスランプを有するコンクリートはドラムを回転させるのにより多くのエネルギーを要すると予測され、ドラム内に取り付けられたフィン上を流れ難くて、混合ドラムの１回の回転サイクル内のより高いピークとより低い谷の間を推移する時の波形（ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ）は、多くの「スパイク状の」エネルギー活性を伴うであろう。これは、図５にグラフ的に示される通り、９００−９３０秒の領域内の波形を１０５０−１０８０秒の領域内の波形と比較すると、明白にわかる。９００−９３０の領域内で見られる波形は大きな振動度を示し、コンクリートが回転する混合翼上をあまり流れなかったことを示唆しているが；ピーク振幅及び谷の間のより滑らかな推移は、１０５０−１０８０秒の領域内でコンクリートが回転する混合翼上を比較的より容易に流れたことを示唆している。

他方、ＦＦＴを用いて連続の液圧エネルギー値を周波数−領域に転換すると、他の価値のある情報が現れ始める。

図６は、ＦＦＴを用いて液圧エネルギー値を周波数領域に転換した後の周波数−領域におけるグラフプロットであり、このプロットにおいて０．１５６Ｈｚの周波数を有する第１のピーク及び０．４３０Ｈｚの周波数を有する第２のピークの両方が現れる。図７は、混合が進行する時間に沿って、第１のピークの振幅が減少し、第２のピークの振幅が増加することを示す。本発明者らは、この異なる高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）及び分数−調波（ｓｕｂ−ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）の振幅及び位相変化を用い、回転するドラム中のセメント性混合物の種々の物理的性質の影響を監視することができると考える。この場合、部分的に混合されコンクリートは剛い粒状の材料であり、それはミキサー内の翼上を流れない。混合が進行し、ミキサー内のバッチ処理成分が均質化され、粒状のバルク材料（ｂｕｌｋ ｍａｔｅｒｉａｌ）が流体のバルク材料に推移するとともに、コンクリートはミキサー内の翼上を流れ始める。翼上を流れる流体コンクリートの作用は、種々の周波数におけるピーク振幅の出現と関連すると、発明者らは考える。さらに、各ピークと関連する周波数は高調波又は分数−調波となり−すなわちそれぞれは他の倍数である。従って、異なる周波数におけるこの第２のピークの出現及び安定化は、混合の進行と関連する。

図８は、エンコーダーを用いて測定される実際のドラム速度と液圧波形のＦＦＴ分析に基づいて計算されるドラム速度の間の関係を示す。ＦＦＴから決定される第１の振幅ピークと関連する周波数は、Ｈｚから分当たりの回転に転換されると、ドラム速度に等しかった。第２の振幅ピークと関連する周波数は、ドラム速度の２倍に等しかった。第２の振幅ピークはドラム内の翼へのコンクリートの作用と関連すると考えられるので、第２の振幅ピークと関連する周波数はドラム速度の２倍である。ドラム内に２つの翼が存在することは、ドラム速度の２倍と関連する周波数を生ずる。ＦＦＴデータの使用は、エンコーダーの必要性を取り除く。

高速フーリエ変換は、離散フーリエ変換の計算を可能にするアルゴリズムであり、それは時間領域データを周波数領域データに転換する。実際に、利用できる多くのＦＦＴアルゴリズムがある。周波数、振幅、位相、パワースペクトル及びパワースペクトル密度あるいは実数成分及び虚数成分（ｒｅａｌ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎａｒｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を報告するためにＦＦＴを用いることができる。

前記の明細書において、本発明の原理、好ましい態様及び操作様式を記載してきた。しかしながら、本明細書中で保護されるべきことが意図されている本発明は、開示されている特定の形態に制限されるとみなされるべきではなく、それは、これらが制限的なものではなくて例示的なものであるとみなされるべきだからである。熟練者は、本発明の精神から逸脱することなく、変動させたり変更したりすることができる。

Claims (17)

1. 内部ドラム壁及び該内部ドラム壁上に取り付けられた少なくとも１つの混合翼を有し、水和可能なセメント性材料を作るための成分を含有する回転可能な混合ドラムを与え；
   該混合ドラムを分当たり１〜２５回転の範囲内の一定の速度Ｓ^Ｃ１において回転させ；
   混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーに対応する時間に沿った（ｏｖｅｒ ｔｉｍｅ）１連続の値を与え、該連続の値は一定の速度Ｓ^Ｃ１の少なくとも１０倍の周波数で監視され；
   与えられる連続の値をデータメモリ保存域内に以前に保存された連続の値と比較し；そして
   混合ドラム中に液体又は他のセメント性材料成分を導入することにより、該混合ドラム中に含有されるセメント性材料のレオロジー又は他の性質を調整する
   ことを含んでなるセメント性材料の混合方法。
2. 該回転可能な混合ドラムが内部ドラム壁上に取り付けられた少なくとも２つの混合翼を有する請求項１の方法。
3. 該連続の値が液圧に対応する請求項１の方法。
4. 該連続の値をコンピューター−アクセス可能なデータメモリ保存域内に保存する請求項１の方法。
5. 該水和可能なセメント性材料のための該成分を均一な稠度が得られるまで該混合ドラム中で混合する請求項１の方法。
6. 該得られる連続の値をデータメモリ保存域内に以前に保存された連続の値と比較する段階において、該連続の値を（ａ）装入材料の重量、（ｂ）装入材料の体積、（ｃ）コンクリート密度、（ｄ）コンクリート空気含有率、（ｅ）コンクリートスランプ、（ｆ）コンクリートスランプ流、（ｇ）コンクリートフローテーブル値、（ｈ）コンクリートレオロジー（例えば降伏応力、粘度、チキソトロピー）、（ｉ）コンクリート成分の分離（ｓｅｇｒｅｇａｔｏｎ）、（ｊ）コンクリート凝結、（ｋ）混合ドラムの傾斜（ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ）、（ｌ）内部ドラム構造の寸法及び配置（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）；ならびに（ｍ）ドラム内におけるコンクリートの堆積から選ばれるセメント性材料混合パラメーターの少なくとも１つと関連付ける請求項１の方法。
7. 該データメモリ保存域内に保存された連続の値がスランプ又はスランプ流と対応する請求項６の方法。
8. 該与えられる連続の値を視覚ディスプレー又は図表上に、波形としてグラフ的に表示する請求項６の方法。
9. 該与えられる連続の値を波形パターンとして分析し、該波形を該パラメーター（ａ）〜（ｍ）の少なくとも１つに関連付け、且つ該波形パターンとして分析された連続の値を、コンピューター−アクセス可能なメモリ域内に保存するか、モニター上に表示するか、紙上に印刷するか、あるいはそれらを組み合わせる請求項６の方法。
10. 該液体が水、少なくとも１種の化学混和剤又はそれらの混合物である請求項１の方法。
11. 該与えられる連続の値を周波数−領域に転換し、第２のデータセットを得る請求項１の方法。
12. 高速フーリエ変換及び離散フーリエ変換ならびにそれらの変形から選ばれるアルゴリズムを用いて転換を行う請求項１１の方法。
13. セメント性混合物を含有する混合ドラムを分当たり１〜２５回転の範囲内の一定の速度で回転させ；該混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーの量に対応する１連続の時間−領域値を与え；該連続の時間−領域値を周波数−領域値に転換し；該転換された周波数−領域値を保存されている周波数−領域値と比較し；該比較に反応して液体を該混合ドラム中に導入することを含んでなる請求項１の方法。
14. 該連続の時間−領域値の周波数−領域値への転換において、方法がさらに該周波数−領域値を（ａ）装入材料の重量、（ｂ）装入材料の体積、（ｃ）コンクリート密度、（ｄ）コンクリート空気含有率、（ｅ）コンクリートスランプ、（ｆ）コンクリートスランプ流、（ｇ）コンクリートフローテーブル値、（ｈ）コンクリート流動学（例えば降伏応力、粘度、チキソトロピー）、（ｉ）コンクリート成分の分離、（ｊ）コンクリート凝結、（ｋ）混合ドラムの傾斜、（ｌ）内部ドラム構造の寸法及び配置；ならびに（ｍ）ドラム内におけるコンクリートの堆積から選ばれるセメント性材料混合パラメーターの少なくとも１つと関連付けることを含んでなる請求項１３の方法。
15. 該与えられる連続の値の該以前に保存された連続の値との比較に基づいて混合の進行を決定し、保存し、報告することをさらに含んでなり、該比較は、水和可能なセメント性材料を含有する混合ドラムを回転させるための時間又は周波数の関数として液圧データをグラフ的に描く時の「Ｍ」又は「Ｗ」形時間−領域波形の特徴に対応する値、平均されない液圧における変動、平均された液圧の安定化あるいはその組み合わせを含む請求項１の方法。
16. 内部ドラム壁及び該内部ドラム壁上に取り付けられた少なくとも１つの混合翼を有し、水和可能なセメント性材料を作るための成分を含有する混合ドラム；
    該混合ドラムを分当たり１〜２５回転の範囲内の一定の速度Ｓ^Ｃ１において回転させるように操作可能な液圧駆動装置；
    混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーに対応する時間に沿った１連続の値を与えるよう操作可能なセンサー；
    液圧センサーにより与えられる液圧駆動装置により必要とされる液圧の量に対応する値を監視するためのコンピューター処理装置；
    第１の水和可能なセメント性材料を含有する混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーに対応する、一定の速度Ｓ^Ｃ１の少なくとも１０倍の周波数で監視される時間に沿った第１の連続の値に対応するデータの第１の組を保存するためのデータメモリ保存域
    を含んでなり；
    該コンピューター処理装置はさらに、第２の水和可能なセメント性材料を含有する混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーに対応する、一定の速度Ｓ^Ｃ１の少なくとも１０倍の周波数で監視される時間に沿った第２の連続の値を受け取るために操作可能であり；該コンピューター処理装置はさらに、該第２の連続の値を該第１の連続の値と比較し、且つ該比較に基づいて該混合ドラム中に液体又は他のセメント性材料成分を導入することにより、該第２の水和可能なセメント性材料のレオロジー又は他の性質を調整するために操作可能である
    混合システム。
17. 該コンピューター処理装置が（ａ）セメント性材料を含有する混合ドラムを回転させるのに必要なエネルギーに対応する該第１及び第２の連続の値を周波数−領域に転換するため；（ｂ）周波数−領域に転換した後に該第１及び第２の連続の値を比較するため、なら
    びに（ｃ）該比較に基づいて液体の添加により該混合ドラム中に含有されるセメント性材料のレオロジーを調整するために操作可能である請求項１６の混合システム。

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