概述
近年來,通過傅里葉變換紅外光譜測試方法和指紋識別技術(shù)在瀝青路面施工現(xiàn)場進(jìn)行瀝青質(zhì)量控制已經(jīng)在全國多個省份得到普及應(yīng)用。在新版本的JTG E20(JTG 3410)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程和JTG F40(JTG/T 3640)公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中均增加了紅外光譜法的相關(guān)要求。其中,新版的施工規(guī)范要求使用紅外光譜法檢驗道路石油瀝青和聚合物改性瀝青的一致性,比較進(jìn)場瀝青與首件樣品一致性,要求一致性不小于98.5%,檢驗頻率為1次/車或1次/2車。
基于這種現(xiàn)場工人操作,檢測頻率高,精度要求高的需求,我們在國內(nèi)外眾多品牌型號的紅外光譜儀選擇了日本島津的IRSpirit-X便攜式傅立葉變換紅外光譜儀,搭配硒化鋅(ZnSe)ATR多反射晶體作為硬件系統(tǒng),軟件系統(tǒng)使用我司自主開發(fā)的瀝青指紋快速識別系統(tǒng)以及云平臺。整套系統(tǒng)的特點(diǎn)在于:我們依次打開紅外光譜儀主機(jī),紅外光譜儀軟件,指紋識別軟件,三者建立通訊后,我們即可直接使用瀝青指紋快速識別系統(tǒng)完成所有的測試任務(wù),成為一款“傻瓜式”試驗設(shè)備,工程現(xiàn)場的任何工人都可快速掌握操作,而無需學(xué)習(xí)普遍非常復(fù)雜的傅里葉編號紅外光譜原廠軟件。同時,我公司基于多年來從事道路工程咨詢技術(shù)服務(wù)的經(jīng)驗為用戶終身提供技術(shù)支持,相比紅外光譜儀的制造商,解決方案更符合瀝青路面施工單位的要求。
圖1:瀝青指紋快速識別系統(tǒng)登錄界面
這套瀝青指紋快速識別系統(tǒng)具有計算機(jī)桌面安裝程序,在計算機(jī)中運(yùn)行,聯(lián)網(wǎng)后可以實現(xiàn)指紋識別,數(shù)據(jù)上傳和管理。每個用戶都可以通過登錄自己的賬號來進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽和管理。
瀝青指紋識別軟件的第一個核心功能就是檢測瀝青的相似度。施工項目的工地試驗室首先對供應(yīng)商提供的瀝青標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行全套指標(biāo)試驗,然后再將檢測合格的瀝青樣品光譜圖錄入系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)光譜,后期每車瀝青進(jìn)場時進(jìn)行光譜識別,并自動與標(biāo)準(zhǔn)樣品光譜進(jìn)行對比,根據(jù)相似度對比結(jié)果來評價供貨瀝青是否合格。
瀝青樣品的綜合相似度算法是整套指紋識別軟件的核心優(yōu)勢,這套算法由安徽中路智慧交通科技有限公司自主開發(fā)。軟件通過自動識別和提取特征峰,計算測試譜圖和標(biāo)準(zhǔn)譜圖的峰-峰值差,并將所有的特征峰對比結(jié)果加權(quán)計算,得到綜合相似度指數(shù)。
圖2:指紋識別分析結(jié)果示例
瀝青指紋識別軟件的第二個核心功能就是檢測改性劑含量。測試前,需要按照規(guī)范的要求制作5個標(biāo)樣分別測量其圖譜,軟件將自動擬合繪制CSBS-As聚合物含量-標(biāo)準(zhǔn)A值曲線。當(dāng)完成標(biāo)樣標(biāo)定后,進(jìn)行改性劑含量未知的樣品測試后,軟件即可自動與標(biāo)準(zhǔn)曲線比對,從標(biāo)準(zhǔn)曲線上獲得對應(yīng)的聚合物含量。
圖3:改性劑含量標(biāo)定
測試結(jié)果可以生成如圖4所示的測試報告,給出樣品綜合相似度的對比結(jié)果,改性劑的含量以及綜合評價結(jié)論。同時,測試樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的光譜對比圖也會顯示在報告中。測試結(jié)果可以導(dǎo)出為.pdf格式文件,也會儲存在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。
圖4:相似度檢測報告示例
云平臺服務(wù)
云平臺由安徽中路智慧交通科技有限公司自主開發(fā),云平臺具有光譜數(shù)據(jù)存儲和遠(yuǎn)程查看功能,通過授權(quán)的賬號可實現(xiàn)遠(yuǎn)程查看、統(tǒng)計分析進(jìn)場瀝青的合格率,便于管理人員及時掌握進(jìn)場瀝青質(zhì)量。
圖5:指紋識別測試結(jié)果的云平臺管理
圖6:指紋識別測試結(jié)果的云平臺查看
島津IRSpirit-X便攜式紅外光譜儀
我們選擇島津的IRSpirit-X便攜式紅外光譜儀作為整套系統(tǒng)的硬件載體主要是考慮了“準(zhǔn)確性”,“耐久性”,“經(jīng)濟(jì)性”等因素。
圖7:ATR多反射晶體瀝青測試效果
> 準(zhǔn)確性
在系統(tǒng)開發(fā)的前期調(diào)研階段,我們對國內(nèi)外主要品牌型號的紅外光譜儀均進(jìn)行了試用,島津的測試結(jié)果滿足應(yīng)用需求,綜合表現(xiàn)處于第一梯隊。
島津的IRSpirit-X便攜式紅外光譜儀采用了DLATGS檢測器溫控技術(shù),降低了數(shù)據(jù)基線的波動,提高數(shù)據(jù)重復(fù)性和可靠性。圖8是對比實驗示例(可以注意將縱坐標(biāo)單位變成0.01后,可以很明顯的反映出差異)
圖8:帶控溫(左)和不帶控溫(右)的DTLATGS檢測器檢測石蠟油中硅油的實測圖譜對比
> 耐久性
工程現(xiàn)場的試驗室環(huán)境一般比較惡劣,空氣潮濕,粉塵含量高,很容易造成紅外光譜儀的損壞。實際工程應(yīng)用中的紅外光譜儀發(fā)生損壞的概率要比母體檢測機(jī)構(gòu)高得多,而且一旦損壞,通常需要支付非常昂貴的維修費(fèi)用。因此,很多紅外光譜儀會配套恒溫恒濕的環(huán)境箱,但在使用時,很多紅外光譜儀仍然會面臨潮濕環(huán)境的挑戰(zhàn)。
島津的IRSpirit-X便攜式紅外光譜儀內(nèi)置電子除濕裝置(選配),采用高分子固態(tài)電解膜技術(shù),以電解方式除去干涉儀內(nèi)部的水汽,不產(chǎn)生液態(tài)水,無需定期排水或清理,即使不配備額外的電子除濕環(huán)境箱仍可長期使用。島津內(nèi)置的電子除濕裝置的功耗極低,與需要常年開機(jī)以維持儀器內(nèi)部干燥的儀器相比,可以節(jié)約多達(dá)90%的待機(jī)電量消耗。
圖9:自動電子除濕裝置的工作原理
除此以外,其他為應(yīng)對高濕度環(huán)境的防潮設(shè)計還包括:
- 防潮鍍層KBr分束器(IRSpirit-TX/LX),或ZnSe分束器(IRSpirit-ZX)
- 光學(xué)系統(tǒng)密封在鋁壓鑄件中
- 采用電子和紙基指示雙保險的狀態(tài)監(jiān)控功能
- 根據(jù)使用環(huán)境濕度,可選擇KBr光學(xué)窗片(最高相對濕度70%RH)或KRS-5光學(xué)窗片(最高相對濕度90%RH),兩者都含防潮鍍層
圖10:鋁壓鑄干涉儀外殼
> 經(jīng)濟(jì)性
整套瀝青紅外光譜儀的開發(fā)目標(biāo)主要是面向工程應(yīng)用,承諾光譜儀主機(jī)核心部件享受10年質(zhì)保,因此系統(tǒng)的價格、維護(hù)成本、耗材成本都是決定方法和設(shè)備推廣規(guī)模和應(yīng)用范圍的重要影響因素。我們目前整合的這套“瀝青紅外光譜儀”也是市場上具有明顯價格優(yōu)勢,具有卓越性價比的解決方案。
試驗標(biāo)準(zhǔn)
AASHTO T302 | JTG 3410-202X T0672紅外光譜法 | JTG 3640-202X 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(原F40)
鑒于紅外光譜測試方法和指紋識別技術(shù)近些年的廣泛應(yīng)用,新版的JTG E20公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(新編號JTG 3410)中將加入紅外光譜儀法用于現(xiàn)場施工過程中的瀝青質(zhì)量控制,該方法主要參考AASHTO T302編寫,同時收錄了ATR衰減全反射法和溶劑稀釋法。
主要特點(diǎn)
- 核心部件10年質(zhì)保(光源,激光器,干涉儀,分束器,電路板,檢測器)。
- 內(nèi)置自動電子除濕裝置(選配),不產(chǎn)生液態(tài)水,無需定期排水或清理。電子除濕裝置的功耗極低,與需要常年開機(jī)以維持儀器內(nèi)部干燥的儀器相比,可以節(jié)約多達(dá)90%的待機(jī)電量消耗。
- 高靈敏度。通過帶溫控功能的DLATGS檢測器降低了數(shù)據(jù)基線的波動,提高數(shù)據(jù)重復(fù)性和可靠性。
- 自診斷功能。儀器開機(jī)初始化過程中,自診斷功能自動檢測信號系統(tǒng)和光路狀態(tài)。包括了各種信息,并自動將結(jié)果輸出為一個文件,使得儀器設(shè)備管理更為簡單。儀器狀態(tài)的歷史記錄也可以被驗證。
- 指紋識別軟件與紅外光譜儀和紅外光譜軟件通訊后,可以直接使用指紋識別軟件控制儀器進(jìn)行試驗并得到測量結(jié)果。
- 指紋識別軟件使用安徽中路智慧交通科技有限公司的專利算法(專利申請中),完全滿足交通運(yùn)輸行業(yè)規(guī)范的要求。
- 體積小巧,占地面積<A3紙的尺寸,便于攜帶到現(xiàn)場使用。
技術(shù)規(guī)格
光譜范圍:7800~350cm-1(KBr分束器);6000~550cm-1(ZnSe分束器)
光譜分辨率:0.9cm-1,2cm-1,4cm-1,8cm-1,16cm-1,可自行設(shè)置
波數(shù)準(zhǔn)確度:±0.1cm-1
波數(shù)重復(fù)度:±0.0005cm-1(@2000cm-1)
信噪比:不低于37000:1(分辨率4cm-1)
外形尺寸:長390mm×寬250mm×高210m
主機(jī)重量:8.5kg
電源規(guī)格:220V,50Hz,單相電
環(huán)境要求:操作溫度10℃~35℃,最佳性能溫度范圍15℃~30℃;濕度范圍20~70%,無冷凝(主機(jī)面板配備濕度狀態(tài)燈)