JP4060315B2 - 材料偏析、密度、および水分分析装置および方法 - Google Patents

Description

本発明の明細書は、２００１年５月２３日に出願され、「Material Segregation and Density Analyzing Apparatus and Method」と題される同時係属米国特許出願出願第０９／８６４，０５０号の一部継続出願である。

本発明は概して、試験材料の密度、偏析（つまり、不均一性）および含水量の測定のための材料分析装置および方法に関する。

本発明は、材料の密度と偏析（segregation）を分析するための材料偏析密度分析装置および方法に関する。特に、本発明は、アスファルトの密度および偏析の少なくとも１つを分析するための材料偏析密度分析装置および方法に関する。

米国におけるすべての舗装された道路と街路の９６％、つまりほぼ２，０００，０００マイルはアスファルトで舗装されている。アスファルトは、特にコンクリートなどの他の舗装材料に比較して相対的に低コストの舗装材料である。アスファルトを舗装にとってコンクリートより優れたものとするもう１つのアスファルトの特徴とはその撓み性である。また、アスファルトの保守も通常コンクリートを保守するより安上がりである。

不均一であることはアスファルト舗装の性質である。舗装にとって分離していない完全に均質なアスファルト混合物を達成することは非常に困難である。また、このアスファルト混合物は本質的に均一な舗装層に適用することも非常に困難である。したがって、舗装は材料の変動および／または偏析における測定値により特徴付けられる。これらの変動または偏析は多くの場合舗装表面上で目に見えるが、それは舗装の偏析量を定量化するための非常に主観的且つ困難なプロセスである。舗装の偏析は舗装の密度を表している。

偏析は熱い混合アスファルト混合物の中での粗い骨材粒子と細かい骨材粒子の分離として定義できる。代わりに、偏析は、アスファルトの塊を離れ、混合物の表面に上昇する、より大きな骨材アスファルト粒子の分離と圧密として説明されてきた。この偏析は、混合された材料の中で、それが幹線道路上に送られる前に発生するか、あるいはそれは路面上に設置されるにつれて分離する場合がある。研究は、偏析が混合物の空気の細孔含有量を増加し、このようにして影響を受ける路面の水分の損害、解れ（ravelling）、亀裂および完全な分解の可能性を高めることによりアスファルト舗装の長期耐久度に対して直接的に影響を及ぼすことを示している。したがって、舗装偏析を突き止めることが望ましい。

特定の幹線道路を舗装するとき、適用されるアスファルト混合物は、アスファルト混合工場で混合属性について日常的にチェックされている。該チェックは、アスファルト混合物の完全性と均質性を検証し、このようにして、適用され、圧延されるときのアスファルト混合物の究極的な密度を制御しようと試みる。アスファルト混合物のチェックは、適用時の結果的に生じる舗装密度および偏析に相関付けることができる。したがって、制御のための舗装試験片は潜在的な密度機器の較正または舗装密度インジケータ機器の参照に使用できる。

アスファルト舗装機が幹線道路上での圧密のためにアスファルト混合物の層を敷設するとき、アスファルトの品質は新しい幹線道路の寿命に関係するであろう。このような寿命に影響する要因は、それが路面上で圧密されるようになるときのアスファルト混合物の密度、およびアスファルト混合物の均質性と偏析を含むが、これに限定されない。液体アスファルトの混合と岩骨材の分離はアスファルト工場で理想的であったかもしれないが、路面に適用されるような混合物の質の保証はない。均一性の欠如は偏析として説明できる。

舗装材料（舗道）は、通常その所望される圧密の約７５％で舗装機によって固着される。例えば圧延されることによる以後の圧密の間、偏在を改変せずに、最終の所望される舗装圧密度に近く舗装材料を圧密することが非常に望ましい。舗装圧密は、結果として生じる舗装された構造に欠陥を生じさせると考えられる空気の細孔などであるが、これに限定されない材料の変動の欠如を実現するために所望される圧密に近くなければならない。

舗装圧密のレベルは、複雑な測定を行わずには容易に決定できない。これらの複雑な舗装測定値は正確でない場合がある。過去において、これらの複雑な舗装測定値は、通常、圧延された舗装の一部を中ぐりすることと（これ以降「抽出」とも称する）、研究室でそれらの密度を測定することを必要としていた。このプロセスが舗装に穴を形成してしまい、言うまでもなく望ましくない。この穴は、舗装の完全性が侵害されるため望ましくない。

これらのアスファルトに関係する問題に取り組むために、多様な複雑なアスファルト舗装測定システムおよび機器が提案され、開発されてきた。例えば、舗装誘電特性の測定が、まったく本発明に関して限定的ではなく、舗装圧密レベルのインジケータとして示唆されてきた舗装密度を求めるために提案されてきた。

１つのこのような既知の舗装密度インジケータ機器は、Blackwellに対する米国特許第３,７８４,９０５号に開示されている。このBlackwell機器は、適用され、圧延されたアスファルトの誘電特性を測定すると思われ、誘電特性は舗装つまりアスファルトの密度の変化を表すと考えられている。このBlackwell機器は、その動作が水分および温度の変動の対象となる低周波で動作すると思われるため、誤差を生じさせることがある。Blackwellは、いくつかの例で適切な動作を提供する可能性があるが、Blackwell機器は、密度示度を取得するために試験されている材料全体をきわめて低速で動かされなければならない。したがって、Blackwell機器は密度の決定を実現するために長期の作業時間を必要とする可能性があり、前述したように望ましくない。さらにBlackwell機器は大きな重量を有し、それにより大きな支持物がBlackwell機器をサポートし、輸送することを必要とする可能性がある。この大きな物体は適用された舗装面全体で引きずられ、このようにしておそらく多くの場合新しく適用された舗装に損傷を引き起こす可能性がある。

Blackwell機器のもう１つの潜在的に不利な点とは、測定のためのその限られた深度調整機能である。限られた深度調整機能は、Blackwell電極が電極の高さを変更することにより測定の深度を変化させるだけであることを原因とする可能性がある。この電極の構成は測定のための限定された深度の調整機能のために望ましくない。

別の既知の舗装インジケータ機器は、舗装材料の密度を求めるために使用される核ソース（nuclear source）を備える。この核原料（nuclear-sourced）装置には種々の欠点がある。核原料装置のこれらの欠点のいくつかは、核原料装置が免許を持った運営者、制御装置および放射線遮蔽（鉛の筐体）を必要とするという点を含む。言うまでもなく、これらの核原料装置の欠点は、核原料装置のコストの増加、操作コストの増加、および核物質に見られる固有の危険につながる。さらに、核原料装置は、舗装面積と深度については調整不能であり、非常に長い時間を要し、非常に重く、操作が困難である。また、さらに核原料装置は、核原料装置の核物質のために少なくとも部分的に非常に高価である。さらに、これらの核密度装置は、核計測器が試験されたのと同じ場所から採取されるコア密度に絶えず相関付けられる必要がある。この相関は、使用される可能性のあるそれぞれの異なる混合物について実行される必要がある。言うまでもなく、これらのステップは時間（ｔｉｍｅｌｙ）且つ費用を要し、したがってこれらの核装置の使用を望ましくないものとする。

別の従来の舗装密度インジケータ機器は、TransTech Systemsに譲渡された米国特許第５,９００,７３６号に述べられている。このTransTech Systemの舗装密度インジケータ機器は非核アスファルト密度測定機器である。TransTec System舗装密度インジケータ機器は電場または電気容量に基づいていると思われる。

最近、舗装技術における最新の開発により、舗装は、過去に適用された舗装層に比較して、より薄い層で適用できる。このさらに薄い舗装が、例えばテストコア（後述される）について延ばされた舗装から中ぐりできる舗装の量を削減する。したがって、信頼できる便利な舗装密度、圧密（compaction）および偏析度決定装置に対するニーズが存在し、この装置が機能することにより、特に厚い層または薄い層で適用される舗装で使用される場合に舗装の上部領域が材料の密度と偏析を分析するための装置および方法の操作に悪影響を及ぼさない所望される結果をもたらす。

さらに、舗装の適用は舗装の下にある基礎構造に応じて変化し、したがって、舗装の深度、面積、形状および体積に相異を生じさせることがある。言うまでもなく、このような舗装の密度、圧密、および偏析の度合いを決定することが望ましい。したがって、舗装のさまざまな深度、面積、形状および体積で舗装密度測定を行うことができる舗装の密度、圧密および偏析の度合いを決定する装置を提供することが望ましい。

さらに、舗装の密度、圧密および偏析の度合いを測定しようと試みる従来の装置の動作は多くの場合低速であり、適切な機器機能性のためには複雑な動作を必要とする。この速度の欠如は多くの場合、舗装密度および圧密の決定に不都合である。したがって、密度、圧密および偏析の度合いの測定は通常、最終的な舗装適用動作を低速化する退屈且つ長期に渡るプロセスである。したがって、アスファルト舗装密度アナライザ、または現在使用可能なものより高速でさらに便利なプロセスで舗装密度を決定できる便利な舗装密度、圧密、および偏析の度合いを決定する装置に対するニーズが存在する。

従来の舗装密度インジケータ機器のさらに別の潜在的な不利な点は形状および面積など、多様な構成に移動できないという点にある。従来の機器は多くの場合、検知領域の移動または改変を可能とせず、密度と圧密を決定するために舗装密度インジケータ機器を容易に動かすことを可能にするように構成されていない。したがって、舗装の特定の構成において舗装密度を決定できる舗装密度インジケータ装置に対するニーズが存在する。

本発明は、材料の密度と偏析を分析するための装置を目的とする。この材料分析装置は、概して絶縁性の材料ケーシングを備えるアナライザ本体と、送信機、受信機および制御装置を含む材料分析回路と、送信アンテナ、受信アンテナおよび接地層を備えるアンテナシステムと、材料分析回路にアンテナシステムを結合する結合構造とを備える。材料分析回路の送信機は、送信アンテナにより送信され、分析される材料の中に導かれるＶＨＦ電磁波信号を発生する。受信アンテナは、材料から戻され、受信機および制御装置に送信される信号を受信する。制御装置は材料特性について信号を分析することができる。

さらに、本発明の材料分析装置を説明する。材料分析装置は、概して絶縁性の材料ケーシングを備えるアナライザ本体と、送信機、受信機および制御装置を備える材料分析回路と、送信アンテナ、受信アンテナ、および接地層を備えるアンテナシステムと、アンテナシステムを材料分析回路に結合する結合構造とを備える。材料分析回路の送信機は、送信アンテナによって送信され、分析される材料の中に導かれるＶＨＦ電磁波信号を発生する。受信アンテナは材料から戻され、受信機および制御装置に送信される信号を受信する。次に制御装置は材料特性について信号を分析できる。材料特性は密度と材料偏析の少なくとも1つを含む。

本発明は、材料の密度および偏析を分析するための装置を目的とする。材料分析装置は、概して絶縁性の材料ケーシングを備えるアナライザ本体と、送信機、受信機および制御装置を含む材料分析回路と、送信アンテナ、受信アンテナ、および接地層を備えるアンテナシステムと、アンテナシステムを材料分析回路に結合する結合構造とを備える。材料分析回路の送信機は、送信アンテナにより送信され、分析される材料の中に導かれるＶＨＦ電磁波信号を発生する。受信アンテナは材料から戻され、受信機および制御装置に送信される信号を受信する。制御装置は、材料特性について信号を分析できる。材料の密度は帰還信号に対して直線性を有する。制御装置は、概して、以下：

に従って一定の傾きｍをかけ、オフセットｂを加えた測定済みの帰還電圧（returned voltage）Ｖに等しい密度Ｄを求めることができる。

本発明は、材料の密度と偏析を分析するための装置を目的とする。材料分析装置は、概して絶縁性のケーシングを備えるアナライザ本体と、送信機、受信機、および制御装置を含む材料分析回路と、送信アンテナ、受信アンテナおよび接地層を備えるアンテナシステムと、アンテナシステムを材料分析回路に結合する結合構造とを備える。材料分析回路の送信機は、送信アンテナにより送信され、分析される材料の中に導かれるＶＨＦ電磁波信号を発生する。受信アンテナは、材料から戻され、受信機におよび制御装置に送信される信号を受信する。次に制御装置は材料特性について信号を分析できる。それから、制御装置は材料特性、以下の材料偏析について信号を分析することができ、

ここで、ｋは定数、ρは舗装密度、ｓは表面全体での距離である。

本発明のさらなる態様は、材料を分析する方法を提供する。この方法は、概して絶縁性の材料ケーシングを備えるアナライザ本体を提供するステップと、送信機、受信機および制御装置を備える材料分析分析回路構成機構を提供するステップと、送信アンテナ、受信アンテナ、および接地層を備えるアンテナシステムを提供するステップと、アンテナシステムを材料分析回路に結合するステップと、ＶＨＦ電磁波を発生させるステップと、送信アンテナによりＶＨＦ電磁波信号を送信するステップと、分析される信号を導くステップと、材料からの帰還信号（returned signal）を受信するステップと、受信機と制御装置に帰還信号を送信するステップと、材料特性について信号を分析するステップとを含む。

材料偏析を測定するための材料分析装置。この装置は、概して絶縁性の材料ケーシングを備えるアナライザ本体と、送信機、受信機、および制御装置を備える材料分析回路と、送信アンテナ、受信アンテナおよび接地層を備えるアンテナシステムと、アンテナシステムを材料分析回路に結合する結合構造とを備える。材料分析回路の送信機は、送信アンテナにより送信され、分析される材料の中に導かれるＶＨＦ電磁波信号を発生させ、受信アンテナは材料から戻され、受信機におよび制御装置に送信される信号を受信し、制御装置は材料特性について信号を分析でき、材料偏析（Segつまり偏析レベル）は、Seg＝定数×ＳＤ＋オフセットで求められる。ここで、ＳＤは測定値の標準偏差である。

本発明のさらなる態様は、材料を分析する方法を備える。この方法は、概して絶縁性の材料ケーシングを備えるアナライザ本体を提供するステップと、送信機、受信機および制御装置を備える材料分析回路を提供するステップと、送信アンテナ、受信アンテナ、および接地層を備えるアンテナシステムを提供するステップと、アンテナシステムを材料分析回路に結合するステップと、ＶＨＦ電磁波信号を発生させるステップと、送信アンテナによりＶＨＦ電磁波信号を送信することと、分析される信号を導くことと、材料からの帰還信号を受信するステップと、受信機と制御装置に帰還信号を送信するステップと、材料特性について信号を分析するステップとを備える。材料偏析特性のための信号を分析するステップは、

により求めることができる。ここで、ｋは定数、ρは舗装密度、ｓは表面を横切る距離である。

本発明のさらなる態様は、材料を分析する方法を提供する。この方法は、概して絶縁性の材料ケーシングを備えるアナライザ本体を提供するステップと、送信機、受信機および制御装置を備える材料分析回路を提供するステップと、送信アンテナ、受信アンテナ、および接地層を備えるアンテナシステムを提供するステップと、材料分析回路にアンテナシステムを結合するステップと、ＶＨＦ電磁波信号を発生するステップと、送信アンテナによりＶＨＦ電磁波信号を送信することと、分析される信号を導くステップと、材料からの帰還信号を受信するステップと、帰還信号を受信機および制御装置に送信するステップと、材料特性について信号を分析し、材料の密度が帰還信号に対して直線性を有し、

に従って定数傾きｍでかけられ、オフセットｂを加えられた測定済みの帰還電圧Ｖに概して等しい密度Ｄを求めるステップと、を備える。

本発明のさらなる態様は、材料偏析を測定するための材料分析装置を提供する。この装置は、概して絶縁性の材料ケーシングを備えるアナライザ本体と、送信機、受信機および制御装置を備える材料分析回路と、送信アンテナ、受信アンテナ、および接地層を備えるアンテナシステムと、該アンテナシステムを材料分析回路に結合する結合構造と、を備える。材料分析回路の送信機は、ＶＨＦ電磁波信号を発生する。ＶＨＦ電磁波信号は送信アンテナによって送信され、分析される材料の中に導かれる。受信アンテナは材料からの帰還信号を受信し、次にこれを受信機および制御装置に送信する。それから制御装置は材料特性について信号を分析できる。材料偏析（Seg）はSeg＝定数×ＳＤ＋オフセットによって求められ、この場合、ＳＤは測定値の標準偏差である。

本発明のさらに追加の態様は、材料偏析を測定する方法を説明する。この方法は、概して絶縁性の材料ケーシングを備えるアナライザ本体を提供するステップと、送信機、受信機および制御装置を備える材料分析回路を提供するステップと、送信アンテナ、受信アンテナ、および接地層を備えるアンテナシステムを提供するステップと、材料分析回路にアンテナシステムを結合するステップと、ＶＨＦ電磁波信号を発生させるステップと、送信アンテナによってＶＨＦ電磁波信号を送信するステップと、分析される信号を導くステップと、材料からの帰還信号を受信するステップと、帰還信号を受信機および制御装置に送信するステップと、材料偏析特性について信号を分析するステップと、を備える。材料偏析（Seg）を決定することは、Seg＝定数×ＳＤ＋オフセットにより、この場合、ＳＤは測定値の標準偏差である。

本発明は、材料の密度と偏析を分析するための材料偏析密度分析装置および方法（以後「材料分析装置」）を備える。例えば、本発明はアスファルトの密度、圧密および偏析の少なくとも1つを測定および決定するための材料分析装置を備える。このアスファルトは最近に適用されたアスファルトであってよい。

材料分析装置は、本発明により具現化されるように携帯材料分析装置を備える。本文脈で使用される用語「携帯」は、材料分析装置が、ここに説明されるような動作において、材料分析装置の常任オペレータによって容易に動かすことができることを意味する。

材料分析装置は、本発明により具現化されるように、材料分析装置のユーザによって支えられる。例えば、材料分析装置は、まったく本発明について限定的ではなく、ハンドヘルド式材料分析装置として活用されてよい。材料分析装置は、本発明により具現化されるように、アスファルトの密度を測定するためにターゲット試験場所に、つまり新規に舗装された幹線道路に設置できる。測定値は立方フィートあたりポンドなどであるがこれに限定されないあらゆる適切な単位で採取されてよい。

材料分析装置１（図１）は、本発明により具現化されるように、（約４分の３ポンドから1ポンドなどの）相対的に軽量であり、相対的な周縁サイズの本体および約５インチ×約５インチの（「最下部」としても知られる）基部を備える。これらの構成および重量は、本発明により具現化されるような材料分析装置のサイズ、形状および重量を例証するだけであり、いかなる方法によっても本発明を制限することを意図していない。材料分析装置は、材料分析装置の機能性と動作が維持される限りあらゆる構成と重量を備えてよい。

材料分析装置１は、本発明により具現化されるように「相対的な」読み取り装置である。本明細書で使用される用語「相対読み取り装置」は、材料分析装置が既知の密度材料まで較正されなければならないことを意味する。材料分析装置のこの較正および参照は、通常舗装場所での使用の前に起こる。

材料分析装置１は、密度と偏析の測定を行うための携帯装置である。（以下の説明においては、本発明により具現化されるような材料分析装置は、密度測定と偏析測定の１つまたは両方を指し、一方の使用は他方の使用を示唆する。）この装置は、密度測定のためのアスファルトマット中への浸透のための技術に依存している。しかしながら、偏析測定は、偏析レベルが、装置によって自動的に多数の密度測定値から計算され、ユーザに密度ともに数と偏析レベルを提示するという点で単純な密度測定とは異なる。さらに、材料分析装置は、本発明により具現化されるように、舗装の中に導かれるＶＨＦ電磁波信号を活用する。高周波は、ＶＨＦ信号を含むがこれに限定されない。この種のＶＨＦ電磁波信号は、本発明の範囲内の信号を例証することを意図するが、いかなる方法によっても本発明を限定することを意図しない。以下の説明はＶＨＦ電磁波周波数を参照する。

材料分析装置は、本発明により具現化されるように、図１から図３に概略して描かれている。図１の材料分析装置１は、アナライザ本体１０とハンドル１２を備える。ハンドル１２は、ここに説明されるように、舗装分析のための材料分析装置１を操縦および操作するために使用できる。ハンドル１２は、その少なくとも一部が導電性ではない、あるいは絶縁性である。例えば、ハンドル１２は、本発明に関してまったく限定的ではなく、第1の部分、例えばハンドルの最初の１２インチに絶縁材料を備えることがあり、残りの部分は任意の材料から形成されてよい。前記は単に例に過ぎず、本発明の範囲はハンドルの他の構造および構成を含む。アナライザ本体１０は、前述されたように構成を備えることができる。

アナライザ本体１０は、これ以降説明されるように、材料分析装置１の回路５０が配置される概して絶縁性の材料ケーシング１４を備える。アナライザ本体１０は、非金属性の材料から形成される基部または底部表面１６を備える。アナライザ本体１０の底部表面１６は材料分析装置１の回路５０の干渉および遮蔽を妨げるために非金属性材料から形成される。

材料分析装置1のアナライザ本体１０の上面１８は、材料分析装置1の回路５０に接続される少なくとも1つのディスプレイ５１を含む。この少なくとも１つのディスプレイ５１は材料分析装置1による分析のリアルタイムまたはほぼリアルタイムの指示（indicia）を材料分析装置１のオペレータまたはユーザに提供するために使用される。この少なくとも1つのディスプレイ５１は、材料分析装置1により決定されるようなアスファルトの密度、圧密および偏析の少なくとも1つの指示も提供できる。ディスプレイ５１を使用して材料分析装置１に結果を提供する方法は、材料分析装置1のユーザまたはオペレータに結果を提供する唯一の方法として提供されてよく、代替策ではディスプレイ５１を使用して材料分析装置1に結果を提供する方法は、以下に詳細に説明されるであろう通信リンク構成と組み合わせて提供されてよい。

材料分析装置１は、本発明により具現化されるように、材料分析装置1が発生する信号を送信するために二次データ送信機を含むことがある。材料分析装置1によって発生され、送信される信号は、例えば、モデムまたはワイヤレスモデムを介してコンピュータなどであるが、これに限定されない適切な受信機により受信されてよい。これらは例示的に過ぎず、いかなる方法によっても本発明を限定することを目的としていない。受信機は材料分析装置1により分析される舗装に近接して配置してよい。材料分析装置１の送信機システム（図示せず）に十分な電力がある場合には、受信機は材料分析装置１により分析される舗装に近接して配置される必要はない。材料分析装置１により分析される舗装に対する受信機の場所に関係なく、材料分析装置１は、該材料分析装置１が発生する信号を該材料分析装置１から遠い受信機に送信できる。

材料分析装置1の絶縁ハンドル１２は、材料分析装置1のユーザまたはオペレータが使用のために該材料分析装置1を容易に操縦できるようにすることができる構造を備える。絶縁ハンドル１２を使用して、操作中の密度、圧密および偏析の少なくとも１つの決定のために材料分析装置１を移動することができる。絶縁ハンドル１２は、材料分析装置１のオペレータまたはユーザが容易に届き得るように絶縁ハンドル１２上の所定の位置にアクチュエータ１２０を備えてよい。

アクチュエータ１２０を使用して、舗装の密度、圧密および偏析の少なくとも1つを決定できるように、材料分析装置の回路５０を操作することができる。アクチュエータ１２０は、回路５０を操作し、ここに説明されているように、材料分析装置１の較正または参照のために使用し、本発明により具現化されるように、材料分析装置１の動作から舗装の密度、圧密および偏析の少なくとも1つを表す信号を送信できる。

材料分析装置1は、本発明により具現化されるように、舗装密度、圧密および偏析の少なくとも1つの決定のために使用される回路５０を備える。材料分析装置1の回路５０は、材料分析装置1の概して絶縁性の材料ケーシング１４の中に配置される。回路５０は、例えば約５０ＭＨｚでの単純な連続波の信号を含むが、これに限定されない単純な連続波の中の信号を発するために実施可能である。

材料分析装置1は、本発明により具現化されるように下部部材（図解を容易にするために図示せず）を含むことがある。下部部材は、材料分析装置１の下部構造を保護する構造を備える。下部部材は、本発明により具現化されるように、例えば、材料分析装置１が材料分析装置１の動作中舗装を横切って動かされるのに伴ない、使用中の摩耗から材料分析装置１を保護する。下部部材は、ゴム、合成材料（ＬＥＸＡＮ）、および他のこのような材料であるが、これらに限定されない非伝導性且つ非干渉性の材料を備えることが可能である。下部部材は、例えばＶＥＬＣＲＯや他のこのような接着部材により接着される材料分析装置１のアナライザ本体１０に接着される可撓材料を備えることが可能である。下部部材は信号の発生および戻りに干渉しないほど十分に薄くなくてはならない。例えば、下部部材は、本発明に関してまったく限定的ではなく約１０ミルの厚さでもよい。

図２は回路５０の詳細を示す。回路５０は、送信機５２と受信機５４を備える。回路５０により発生される約５０ＭＨｚでの単純な連続波は、マイクロパワー送信機５２と受信機５４であるが、これらに限定されない送信機５２から発することができる。受信機５４は同調ダイオード検出器を備えることが可能である。送信機５２と受信機５４は、それぞれ材料分析装置１のアナライザ本体１０に取り付けることができる。

材料分析装置１の回路５０は、本発明により具現化されるように、さらにアンテナシステム６０を備える。アンテナシステム６０は材料分析装置１上に配置され、通常、材料分析装置１の動作中、舗装５（図３）と接触している。アンテナシステム６０は、送信機５２と接続している送信アンテナ６２を備える。アンテナシステム６０は受信機５４と接続している受信アンテナ６４も備える。

送信アンテナ６２と送信機５２の間、および受信アンテナ６４と受信機５４の間の接続性は、結合構造６５とともに説明されるような任意の適切な手段によって実行できる。送信アンテナ６２と送信機５２の間、および受信アンテナ６４と受信機５４の間の結合構造６５は、図示されるようなまっすぐな硬線配線を備えることがある。送信アンテナ６２と送信機５２用、および受信アンテナ６４と受信機５４の間の結合構造６５配線は、（図示されるような）コンデンサおよびインダクタなどの多様な電気的な構成部品も含んでよい。図示される構成およびここに説明されているものは、本発明により具現化されるように単に材料分析装置１を例示するにすぎず、本発明に関して限定的となることを目的としていない。本発明の他の特徴は本発明の範囲内である。

材料分析装置１（図１）内の回路５０のアンテナシステム６０は、本発明によって具現化されるように、無線周波数電磁波（Ｅ×Ｈ）を発することができ、この場合、Ｅは電場であり、Ｈは磁場である。さらに、試験されている材料のｐｅｒｍａｔｉｖｉｔｙ（誘電体）と浸透性がそれぞれＥ場とＨ場構成要素の両方の伝搬に影響を及ぼす。（ここでは「信号」として使用されるような）無線周波数電磁波が送信アンテナ６２から舗装５の中に発せられる。受信アンテナ６４は、それが舗装５から戻るにつれて信号をピックアップまたは受信することができる。

アンテナシステム６０は、送信アンテナ６２と受信アンテナ６４を備える。送信アンテナ６２と受信アンテナ６４は２導線の伝送線路を形成する。２導線伝送線路は「Ｚ」の一般的な形状（２つの平行したセグメントと、この２つの平行したセグメントの対向する端部を連結する対角線のセグメント）の中に曲げられるが、２導線伝送線路のこの説明は、２導線伝送線路が本発明により具現化されるように形成できる多くの他の構成を例示する。この説明は、いかなる方法によっても本発明を制限することを目的としていない。

材料分析装置１は、アンテナシステム６０と舗装５の間で接触を試みる。この接触の量は、基部または下部面１６の真中部分での範囲を含む、舗装５と材料分析装置１のアンテナシステム６０の間の表面接点を最大化すると見なすことができる。

基部または下部面１６上のアンテナシステム６０の構成を注記すると、アンテナシステム６０の２導線伝送線路部分は舗装５上で平らにあることを目的としている。送信アンテナ６２と受信アンテナ６４は互いに対して概して平行な関係で配置される。送信アンテナ６２によって発生され、受信アンテナ６４によって受信される信号の強度は舗装密度に正比例する。

アンテナシステム６０は、本発明により具現化されるように、さらに接地層６８を備える。接地層６８がさらに配置され、送信アンテナ６２と受信アンテナ６４は、送信アンテナ６２と受信アンテナ６４の間で概して平行な向きにある。接地層６８はＺの「真中」であり、送信アンテナ６２と受信アンテナ６４はその間に接地層６８を挟み込むようにＺの外側側面を形成する。

接地層６８は、図３に描かれているように、材料分析装置１の本体１４の基部または下部面１６上に配置される。接地層６８は基部または下部面１６から第１の距離だけ伸張し、送信アンテナ６２と受信アンテナ６４は基部または下部面１６から第２の距離だけ伸張する。第１の距離は第２の距離より大きいため、接地層６８は送信アンテナ６２と受信アンテナ６４より多く基部または下部面１６からさらに遠くに伸張する。したがって、信号、つまり舗装５に入り、舗装５を離れるＥ構成要素とＨ構成要素の両方とも舗装５のさらに深い部分に有利に働く。これらの信号は、舗装の表面近くで舗装５によって不利に影響される傾向はさらに少ない。したがって、この構成は、舗装の表面属性、特性および構成によりあまり影響されない（less effected）戻り信号を生じさせる。例えば、接地層６８は、本発明に関してまったく限定的ではなく、送信アンテナ６２と受信アンテナ６４と比べて約０．０３０”まで舗装５に近くなることがある。この向きおよび構成は、材料分析装置１への信号までではなく、舗装の最初の約０．１２５”を引き起こすことができる。舗装作業による表面の異常および望まれていない表面の水分が密度示度をだめにする場合があるため、この影響を無視することが望ましい。

材料分析装置１は、以下に説明される相対読み取り計器を備える。舗装業界は幹線道路から抽出される直径６インチのテストコアを標準化した。さらに、このようなコアは、特定の混合物の最大理論密度を求めるために実験室で舗装混合物から作ることができる。コアは舗装の密度、圧密および偏析の少なくとも１つについて標準化された示度を提供するために使用される。例えば、道路を舗装するとき、アスファルト混合物は、このチェックが契約上の要件であるためアスファルト工場で毎日チェックされる。したがって、これらのコアまたは試験品が、材料分析層１較正の密度（および圧密と偏析）のために使用可能である。材料分析装置１は、本発明により具現化されるように、業界規格の直径６インチのテストコアを較正するほど十分に小さなサイズである。前記装置は、業界規格の直径６インチのテストコアを較正できるほど十分に小さいとは考えられない。

材料分析装置１は、本発明により具現化されるように、さらに、ユーザまたはオペレータがそれぞれのフィールド測定の前に材料分析装置１を基準規格まで較正できるようにする参照機能を有している。この較正または参照の機能は回路５０に含まれ、前述されたように絶縁ハンドルのアクチュエータ１２０によって制御できる。参照機能は、本発明により具現化されるように、速度が改善され、反復性が高い材料分析装置１の参照を可能にする。

前述されたような参照機能は、図２に関してさらに説明される。図２では、送信機５２は、例えば結合構造６５で非共鳴ＬＣによって接続されるアンテナシステム６０に結合される。結合構造６５は、材料分析装置１の受信機能性のために同調結合構造を備えることがある。検出器５４は、信号の直流（ＤＣ）への変換のために使用される単一ダイオード検出器を備えることが可能である。

参照機能の動作中、信号は直流に変換され、内部基準信号と比較される。内部基準信号は、材料分析装置１のメモリ上、または制御装置内に記憶できる。代わりに、内部基準信号は、材料分析装置１が通信できるコンピュータに記憶されるメモリであるが、これに限定されないリモートメモリに記憶されてよい。

（前述される参照とははっきりと異なる）材料分析装置の較正は、本発明により具現化されるように少なくとも２つの方法により実施できる。第１の較正方法は、本発明により具現化されるように、本発明により具現化されるような材料分析装置を使用して幹線道路データを採取することと、舗装からコアを採取することも備える。次に、実験室では、コアは密度、圧密および偏析の少なくとも１つについて分析される。それ以後、材料分析装置の計測器は、本発明により具現化されるように、このコアデータに基づいて正しく読み取られるように設定できる。

第２の較正方法は、実験室で作成されるテストコアを評価、分析するために、本発明により具現化されるように材料分析装置を使用することを備え、コアはアスファルト工場からサンプリングできる初期のアスファルト混合物からアスファルトの振動圧密を使用して作成される。材料分析装置は、本発明により具現化されるように、実験室コアの上に直に接地される。したがって、材料分析装置は、舗道として置かれるアスファルト混合物まで、迅速またはほぼリアルタイムで較正するために使用できる。複数の輸送局（ＤＯＴ）および連邦ＤＯＴが、この手法が構成の目的で望ましいことを示した。

制御装置７０が、ＰＬＤ、ＰＡＬ、ＰＬＡ等の離散素子回路またはプログラマブルロジックデバイスを含む結線された電子回路または論理回路などの、多岐に渡る別々の専用またはプログラム可能な統合された電子回路またはデバイスあるいは他の電子回路またはデバイスを使用して実現できることも当業者により理解されるであろう。制御装置７０は、単独で、あるいは１台または複数台の周辺データ信号処理装置とともに、マイクロプロセッサやマイクロコントロール、またはＣＰＵやＭＰＵなどの他のプロセッサデバイスなどの適切にプログラミングされた汎用コンピュータを使用して実現することもできる。一般的には、有限状態機械（finite state）が本願に描かれているようなフローチャートを実現できる任意のデバイスまたは類似するデバイスが制御装置として使用できる。図示されているように、分散処理アーキテクチャ 、は最大データ／信号処理機能および速度について好ましい。

動作中、材料分析装置１は、本発明により具現化されるように、舗装偏析測定を行うために使用できる。材料分析装置１を使用する舗装偏析測定は、舗装面に材料分析装置１を設置し、材料分析装置１の回路を作動し、信号を送受信し、この信号を分析し、舗装偏析測定値をオペレータのために表示することにより達成できる。

材料分析装置１の密度測定機能は、少なくとも１回の舗装密度測定を行うために、本発明により具現化されるように材料分析装置１を使用することを含む場合がある。材料分析装置１を使用し、舗装の断面分析を決定するために、舗装密度の複数の測定値を採取し、平均化することができる。この平均化は、舗装がそれがどのように注意深く適用されるのかに関係なく不均一であるために望ましい。

測定値は、概して、舗装の回りで材料分析装置１を回転させるまたは横断することにより採取される。測定値の数は例えば約４つの密度測定値から約８つの密度測定値の範囲で変化するであろう。指定された場所の回りでの密度測定の標準偏差は、舗装における材料偏析に直接関係する。

例示的な目的のために、本発明を制限することを目的とせず、高い偏析が予想される舗装において、舗装領域の標準偏差は約３.０を超えるが、これに限定されず高くなるであろう。低い偏析舗装領域または均一舗装領域は、比較的低い標準偏差、約１０を有する。これらの標準偏差は、密度値がともにより密接に集まるためである。材料分析装置１のディスプレイは、本発明により具現化されるように、試験されている舗装グループの密度標準偏差から引き出される偏析を示す。

本発明により具現化されるような材料分析装置１の動作を、ここに説明する。動作は、材料の密度と偏析を分析するための、本発明により具現化されるような材料偏析密度分析装置および方法の動作を説明する。特に、動作は舗装の密度と偏析を分析するための、本発明により具現化されるような材料偏析密度分析装置および方法の動作を説明する。本発明の動作の以下の説明は、本発明の例示的な動作を単に説明することを目的としており、いかなる方法によっても本発明を制限することを目的としていない。明らかとなるであろうように、他の動作は本発明の範囲内にある。

舗装の偏析レベルを決定するための動作において、材料分析装置１は、本発明により具現化されるように、発生した舗装密度信号の材料分析装置１の制御装置７０による分析に備える。偏析は密度値の標準偏差に比例する。したがって、
偏析レベル＝ｋ×密度標準偏差
であり、この場合、ｋは定数である。

材料分析装置１の使用および動作の例は、本発明により具現化されるように、多くの試験場所で複数の密度測定を行うことを備える。したがって（ＥＸＣＥＬなどの）数学機能性を備えるスプレッドシートソフトウェアプログラムは、標準偏差を計算するために使用できる。第１のステップでは、２つの別々の場所での複数の密度測定。場所１は高い視覚的な偏析を有し、場所２は低い視覚的な偏析を有していた。複数の測定は、本発明により具現化されるように、円形の周辺幾何学形状の回りで材料分析装置１を回転させることにより提供できる。図４はこのような動作から得られるデータを示すグラフを描いている。このグラフにより証明されるように、高い偏析場所での標準偏差は約２.２、つまり約０.８６である低い偏析場所の約２.６倍である。

次に、長さ１５フィートをわずかに上回り、輪郭が舗装を横切って採取された。材料分析装置１は、本発明により具現化されるように、１フィートの増分で複数の密度値を記録した。測定された密度のグループごとに、標準偏差および平均密度が計算され、図５に描かれた。グラフは、左垂直軸上に偏析レベル、右軸上に密度を描いている。

材料分析装置測定システムおよび材料分析装置１を使用する関連動作が、本発明により具現化されるようにここでさらに説明される。材料分析装置１を使用する測定システムおよび関連動作は、少なくとも２つの、および他の実施形態においては少なくとも４つの材料分析装置１のユニットを備えている。材料分析装置１は、適切な構成で配列できる。この構成は、未知の偏析の舗装領域上に配置できる。４回の密度の測定などであるが、これに限定されない複数回の測定を行うことができる。測定は同時に行われてよい。これらの測定は、標準偏差および密度の平均値の少なくとも１つを求めるために使用される。

決定は、本発明により具現化されるように、材料分析装置１の回路５０の制御装置７０により計算できる。これらの値決定から、密度標準偏差が制御装置７０により計算することができ、密度標準偏差は絶縁性材料ケーシング１４のディスプレイ５１上に表示できる。材料分析装置１の集合のそれぞれの材料分析装置１は、前述されたように、舗装場所から舗装場所へ迅速に移動できる。この移動により、偏析と平均密度の両方が読み出される。この方法論によって、別々の材料分析装置１のユニットは、舗装のさまざまな体積部分を調べるために単一の材料分析装置１ユニットを手動で回転させることと同等である。

舗装偏析を計算するために複数の密度値を求めることができる。材料分析装置１は、例えば人の手または他の単純な機械的な手段の少なくとも１つであるが、これに限定されず動かすことができる。移動は回転または縦方向であるであろう。この方法論を使用すると、発生した信号は、材料分析装置１が移動するのに伴なう、密度変動を加えた密度レベル（ＤＣ＋ＡＣ）を備える。最初に、発生した信号は密度変動を提供するためにＡＣ結合され、次に、発生した信号は全波整流され、濾波され、このようにしてＤＣレベルを生成するであろう。ＤＣレベルは密度変動に比例している。

材料分析装置１によるこのアナログ処理は、本発明により具現化されるように、偏析に比例している発生信号を生じさせることがある。偏析に比例する発生信号はユーザのために表示されるであろう。アクチュエータと関連付けることのできるトグルスイッチにより、ユーザまたはオペレータは偏析モードと密度モードを切り替えることができるであろう。

材料分析装置１は、本発明により具現化されるように、従来の技術のいくつかの既知の装置とは正反対に、水分および温度により悪影響を及ぼされない。材料分析装置１およびその動作は、信号が非常に高い周波数またはＶＨＦ電磁波で材料分析装置１により発生するために悪影響を及ぼされない。例示的な周波数は約５０ＭＨｚである。この一般的な周波数では、信号または材料分析装置１により作成されるフィールドは、本発明により具現化されるように、実際には電磁場である。材料分析装置１は、アンテナシステム６０の一方の側に信号を送信するが、受信された信号／帰還信号はアンテナシステム６０の反対側によって受信される。受信された信号は受信機により検出され、その出力はアスファルト密度に正比例する直流信号である。

さらに、Ｚ形状のアンテナシステム６０は一意の構成である。アンテナシステム６０は、構成のためにその中心にデッドゾーンを有していない。従来の技術の分析装置の円形アレイで示されるデッドゾーンは、重要な舗装領域を無視する傾向がある。やはり材料分析装置１により生成される電磁場は、本発明により具現化され、前述されたように、Ｍａｘｗｅｌｌの方程式とＰｏｙｎｔｉｎｇの方程式により支配され、この場合、搬送波も、媒体誘電率（誘電体）と浸透性の両方によって影響を及ぼされる。

例えば、材料分析装置１は、本発明により具現化されるように、ＶＨＦ電磁波フィールドを生成することにより、舗装などであるが、これに限定されない材料の密度を求めることができる。フィールドはその密度を測定するために材料を通される。密度は電圧として測定される測定済み戻り信号／帰還信号に対して直線性を有する。密度Ｄは、以下のように、一定の傾きｍがかけられ、オフセットｂを加えられる測定済みの電圧Ｖに等しいとして決定できる。

前述したように、水分および温度は材料分析装置１に影響を及ぼさない。

材料分析装置１は、本発明により具現化されたように、特にアスファルト舗装において試験面の材料偏析を測定する能力を有するＶＨＦ電磁波エネルギーを生成する。材料偏析レベル（偏析レベルのＳｅｇ）が、試験場所の回りでの約７の統計的な標準偏差（ＳＤ）またはさらに多くの測定を使用して決定できる偏析測定方法。したがって、偏析レベルは、以下のように標準偏差がかけられ、なんらかのオフセットが加えられる定数に等しくなる。

さらに、本発明により具現化されるように、ＶＨＦ電磁波エネルギーを生成する材料分析装置１は、舗装とアスファルトなどであるが、これらに限定されない材料の材料偏析を測定する機能を有する。さらなる偏析測定方法は、本発明により具現化されるように、以下のように（材料偏析としても知られる）偏析レベル（ＳＬ）を求めることができる。

この場合ｋは定数であり、ρは舗装密度、ｓは表面を横切る距離である。言い換えると、ＳＬは、距離の変更あたりの密度の変更の絶対値の距離ｓ１とｓ２の間の平均をかける定数に等しい。前記等式は、本発明により具現化されるように、材料分析装置１を移動することによって影響される。移動は回転または直線の少なくとも一方であるだろう。この方法論では、獲得される信号は、ユニットが移動するのに伴なう密度変動が加えられる密度レベル（ＤＣ＋ＡＣ）となるであろう。

最初に、信号は密度変動だけを提供するためにＡＣ結合され、次にこの信号は全波整流および濾波され、密度変動に比例しているＤＣレベルを生じさせるであろう。アナログである場合があるこの処理は、偏析に比例する信号を生成するであろう。この数は、材料分析装置１によりユーザのために表示できる。

材料分析装置１は、本発明により具現化されるように、舗装面全体での空間密度の小さな変動を迅速に測定することにより偏析レベルをさらに計算できる。信号はリアルタイムまたはほぼリアルタイム値でオペレータに報告できる。

図６は、本発明により具現化されるような材料特性分析装置のためのアンテナの概略図である。図６は、図２に示されている３−３断面切断を含む。図６はアナライザ本体１０（図１を参照すること）の下部面１６も示す。図６は、さらに下部面１６と分析中の表面２０２の間にある取り外し自在の下部部材２００を示す。そのどちらかの側に構造上の絶縁部２０１を備える接地層６８が層７１を形成する。層７１の上の次の層７２は送信アンテナ６２、絶縁部２０１、および受信アンテナ６４を備える。層７２の上の次の層は連続絶縁層２０３である。電気的に伝導性の構造上の上部部材２０４は連続絶縁層２０３の上にあり、やはり電気的に接地されている。図６が、続く層の間に示される空間が提示を明瞭にするために存在するが、本発明の装置、つまり層７２と絶縁層２０３の間、および絶縁層２０３と構造上の上部部材２０４の間には存在しないように、部分的に分解図として示されていることに注意する。

図７は、本発明により具現化されるように、含水量分析装置用の回路の概略図である。図７は含水量の決定のための位相ブロック２２０と、このようにして決定された含水量を表示するための水分ディスプレイ２２１を示すという主要な例外はあるが、図７は、前述された図２に類似している。
本発明が概して試験中の表面の材料特性を測定する。測定される１つのこのような材料特性は材料含水量である。図７に図示されるように、送信アンテナ６２から送信された信号は試験中の材料を通され、受信アンテナ６４によって受信される。周囲水分により生じる可能性がある材料に存在する水分は、送信信号と受信信号の間の位相関係に影響するであろう。乾燥した絶縁部は（例えば約２度の）相対的に低い移相を有する。湿気のある絶縁部は２度を大きく超え、高い水分の場合２０度まで上方への移相を示す。このようにして受信信号の位相が検出され、送信機５２からの基準信号を受信機５４からの測定された受信信号に比較することにより計算され、その結果生じる位相差が相対含水量に変換される。位相差は位相ブロック２２０により決定され、試験されている材料の含水量は決定された位相差から計算される。計算された含水量は、水分ディスプレイ２２１に表示されてよい。本発明を使用する水分の検出は、（例えばジェネレータ固定子バー上の電気絶縁部内などの）絶縁材料内の、あるいは屋根材または断熱などの（絶縁または非絶縁の）他の材料内の水分の検出を備えてよい。

他のすべての図１から図３および図６だけではなく図７の送信アンテナ６２により送信される信号は、一般的には、とりわけＶＨＦ信号（例えば５０ＭＨｚ）などの電磁波信号、１ｋＨｚから５０ＭＨｚの周波数範囲内の信号である。

実施形態をここに説明してきたが、本発明の範囲内にあるその中の要素、変形物または改善策の多様な組み合わせが当業者によりなされてよいことが明細書から理解されるであろう。

本発明による具現化された材料偏析密度分析装置の概略図である。 本発明による具現化された材料偏析密度分析装置のための回路の概略図である。 本発明による具現化された材料偏析密度分析装置のためのアンテナの概略図である。 平均化されていない密度対舗装場所のグラフである。 平均化されていない密度対舗装場所の第２のグラフである。 本発明による具現化された材料特性分析装置のアンテナの概略図である。 本発明による具現化された含水量分析装置のための回路の概略図である。

Claims (7)

1. アナライザ本体を備える材料分析装置であって、前記アナライザ本体が、
   材料ケーシングと、
   送信機、受信機および制御装置を備える材料分析回路と、
   送信アンテナ、受信アンテナ、および接地層を備えるアンテナシステムと、
   前記材料分析回路に前記アンテナシステムを結合する結合構造と、
   を含み、
   前記材料分析回路の送信機が電磁波信号を生成し、分析される材料の中に前記電磁波信号が前記送信アンテナにより送信され、前記受信アンテナが材料からの帰還信号を受信し、次に前記帰還信号が前記受信機におよび制御装置に送信され、次に前記制御装置が材料の材料特性について前記帰還信号を分析可能であり、
   前記アンテナシステムの送信アンテナと受信アンテナは、前記接地層がそれらの間に位置された２導線伝送線路の構成を備え、さらに、
   含水量を決定するための位相ブロックであって、前記送信機および前記受信機に接続されて前記送信信号と受信信号との間の位相差を検出し、それによって前記材料の含水量を決定する位相ブロックと、
   決定された前記含水量を表示する水分ディスプレイと、
   を含むことを特徴とする材料分析装置。
2. 前記材料特性が、密度、偏析および含水量の少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１に記載の材料分析装置。
3. 前記アンテナシステムの送信アンテナと受信アンテナおよび接地層が「Ｚ」の形状を備えることを特徴とする請求項１に記載の材料分析装置。
4. 材料を分析する方法であって、
   材料ケーシングを備えるアナライザ本体を提供するステップと、
   送信機、受信機および制御装置を備える材料分析回路を提供するステップと、
   送信アンテナ、受信アンテナ、および接地層を備えるアンテナシステムを提供するステップと、
   前記材料分析回路にアンテナシステムを結合するステップと、
   前記電磁波信号を発生するステップと、
   前記電磁波信号を前記送信アンテナにより送信するステップと、
   分析される信号を前記材料の中に導くステップと、
   前記材料からの帰還信号を受信するステップと、
   前記受信機と制御装置に帰還信号を送るステップと、
   前記材料の材料特性について帰還信号を分析するステップと、
   を備え、
   前記アンテナシステムの送信アンテナと受信アンテナは、前記接地層がそれらの間に位置された２導線伝送線路の構成を備え、さらに、
   含水量を決定するための位相ブロックを提供するステップと、
   前記送信信号および前記帰還信号を前記位相ブロックに導いて前記送信信号と受信信号との間の位相差を検出し、それによって前記材料の含水量を決定するステップと、
   決定された前記含水量を水分ディスプレイ上に表示するステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
5. 前記アンテナシステムの送信アンテナおよび受信アンテナおよび接地層が「Ｚ」の形状を備えることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記材料の材料特性が該材料の含水量を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 前記帰還信号を分析するステップが、前記材料の含水量により生じる該帰還信号と前記送信信号との間の位相差を測定することを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。

Images