Устройство для нагрева дорожного полотна
Устройство для нагрева дорожного полотна обеспечивает максимальное использование СВЧ-энергии на нагрев дорожного полотна, энергоэффективно и безопасно для окружающей среды и человека. Изобретение относится к технологии дорожно-строительных работ, в частности к устройствам для нагрева асфальтобетонных покрытий, и может быть использовано для отвердения свежеуложенного бетона. Устройство для нагрева дорожного полотна содержит тележку, нагревательное, устройство с СВЧ металлическим экраном, установленным на тележке, в который дополнительно в жесткий экран введена система четвертьволновых шлейфов по всему периметру жесткого экрана для образования волноводного тройника в пространстве между жестким экраном и покрытием, причем жесткий экран и система четвертьволновых шлейфов по всему периметру выполнены из материала с проводящим слоем.
Изобретение (полезная модель) относится к области строительства и ремонта автомобильных дорог.
Основное назначение устройства:
- нагрев ранее уложенного дорожного покрытия при нанесении нового слоя дорожного полотна для увеличения адгезии между сопрягаемыми асфальтобетонными массивами;
- прогрев старого дорожного покрытия перед дальнейшим укатыванием дорожным катком с целью устранения трещин и неровностей дорожного полотна.
Нагрев осуществляется с помощью электромагнитных волн СВЧ диапазона. При работе со СВЧ установками одна из проблем состоит в экранизации зоны облучения таким образом, чтобы уровень паразитного излучения, которому может подвергнуться обслуживающий персонал, соответствовал санитарным нормам. Решение этой задачи является целью данного изобретения.
Известно устройство для нагрева дорожного полотна [1] с использованием СВЧ энергии, содержащее последовательно соединенные СВЧ генератор, линию передачи и излучатель СВЧ энергии. Кроме этого, устройство содержит также последовательно соединенные приемную антенну, детектор и индикатор, служащие для определения амплитуды СВЧ волны, отраженной от поверхности дорожного полотна. Измерительная цепь устройства позволяет, как утверждает автор, минимизировать отражение от поверхности дорожного полотна вплоть до нулевой амплитуды, если с ее помощью сделать угол наклона оси излучателя к поверхности дорожного покрытия равным углу Брюстера.
Действительно, при падении электромагнитной волны на границу раздела двух сред с различными значениями диэлектрической проницаемости происходит ее разделение на отраженную и преломленную волны. В нашем случае среда, из которой падает электромагнитная волна, является воздух, коэффициент преломления для него равен 1. Асфальтобетонное покрытие имеет коэффициент преломления n2>1. Закон Брюстера устанавливает соотношение между углом падения 
естественного (неполяризованного) света на границу разделения сред, при котором отраженный от поверхности свет становится полностью поляризованным, и коэффициентом преломления n2. При этом угле отражения, называемом углом Брюстера, от поверхности отражается компонента Es, у которой вектор электрического поля перпендикулярен плоскости падения световой (электромагнитной) волны. Компонента Е, у которой вектор электрического поля лежит в плоскости падения электромагнитной волны, не отражается и полностью преломляется в среду с показателем преломления n2 под углом r. Это происходит при условии:
В соответствии с законами оптики коэффициент преломления n связан с углами отражения преломления r соотношением: sin()/sin(r)=n. Уравнение (1) можно записать в виде: sin()/cos()=n. Отсюда следует: cos()=sin(r) или +r=90°.
Таким образом, в соответствии с изобретениями [1], если на асфальтобетонное покрытие направить линейнополяризованную электромагнитную волну, у которой вектор электрического поля лежит в плоскости падения волны на покрытие, под углом Брюстера к этой поверхности, то амплитуда отраженной волны будет равна нулю. Однако имеется несколько практических аспектов, мешающих реализации этой теоретической схемы.
Во-первых, закон Брюстера не соблюдается строго. При отражении от поверхности падающего на нее под углом Брюстера неполяризованного света отраженная волна не является линейнополяризованной, но имеет эллиптическую поляризацию. Это означает, что амплитуда отраженной компоненты, у которой вектор электрического поля лежит в плоскости падения, не равна нулю. Физически это объясняется тем, что переход между средами с показателями преломления n 1 и n2 происходит быстрым непрерывным изменением, соизмеримым с длиной волны, а не скачком.
Во-вторых, реальные излучатели (если говорить более правильно - антенны, поскольку в соответствии с принципом взаимности они одинаково успешно могут и излучать, и принимать электромагнитные волны) имеют диаграмму направленности, отражающую то обстоятельство, что излучение из антенны происходит в некотором телесном угле. Вообще говоря, диаграмма направленности имеет смысл как установившаяся радиофизическая характеристика только для так называемой дальней зоны излучения, то есть для области пространства, удаленной от антенны на расстояние D>10L, где L - наибольшее измерение апертуры антенны. На расстояниях от антенны меньше D происходит интерференция парциальных волн, излучаемых антенной, и распределение поля имеет более объемный характер. Но даже если использовать для рассмотрения отражений от асфальтобетонного покрытия диаграмму направленности, излучение из антенны нельзя характеризовать как электромагнитную волну, распространяющуюся в одном направлении. Скорее это набор парциальных волн различной интенсивности, распространяющихся под разными углами относительно главной оси диаграммы направленности. Поэтому при выполнении условия равенства угла падения углу Брюстера для парциальной волны, распространяющейся в направлении главной оси диаграммы направленности, это условие не будет выполняться для остальных парциальных волн. Таким образом, подстройкой угла наклона излучающей антенны к поверхности асфальтобетонного покрытия нельзя добиться отсутствия отражения от него СВЧ мощности, можно только минимизировать отражение в направлении измерительной антенны, позиционированной под определенным углом. Это не решает проблемы обеспечения уровня паразитного излучения, соответствующего санитарным нормам РФ.
По-видимому, понимание этого обстоятельства явилось причиной того, что автор [1] уже не в одиночку предложил другое техническое решение для уменьшения уровня паразитного излучения. Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является устройство для разогрева оснований и покрытий [2], где помимо СВЧ генераторов, линий передачи и излучателей СВЧ энергии, расположенных на подвижной тележке, введен дополнительно СВЧ металлический экран в виде жестких бортов платформы, высота которых меньше высоты платформы, и закрепленных на нижней поверхности платформы между колес тележки. Это также не решает проблемы обеспечения уровня паразитного излучения, соответствующего санитарным нормам РФ.
В дополнительном пункте формулы изобретения в устройство введен гибкий экран, выполненный в виде металлических цепей или усов, одними концами прикрепленных к кромке бортов жесткого экрана, другие концы касаются нагреваемой поверхности, причем расстояние между цепями и усами много меньше длины волны СВЧ генераторов.
Предлагаемая конструкция экрана призвана создать замкнутое с точки зрения распространения СВЧ волн пространство, за пределы которого не излучалась бы СВЧ мощность. Однако щели между цепями и усами, хотя и расстояние между которыми много меньше длины волны СВЧ колебаний, являются источниками возбуждения паразитных волн в случае, если вектор электрического поля падающей на гибкий экран СВЧ волны не будет совпадать с направлением цепей или усов. Для надежного экранирования гибкий экран должен иметь сеточную структуру, которая обеспечивает протекание экранирующих токов во всех направлениях, подобно тому, как это сделано в окнах СВЧ (микроволновых) печей. Кроме того, паразитные потоки СВЧ мощности будут проходить через асфальтобетонное покрытие в точках соприкосновения цепей и усов с этим покрытием за счет дифракции СВЧ волн на их концах. Таким образом, недостатком данного устройства является то, что гибкий экран, создаваемый цепями и усами, не обеспечивает необходимого ослабления паразитного СВЧ излучения из зоны нагрева асфальтобетонного покрытия.
Основная задача полезной модели заключается в создании устройства, позволяющего увеличить энергоэффективность разогрева дорожного полотна и свести к минимуму уровень СВЧ излучения, сделав его безопасным для окружающей среды и человека.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для нагрева дорожного полотна, содержащее тележку, нагревательное устройство с СВЧ металлическим экраном, установленным на тележке, дополнительно в жесткий экран введена система четвертьволновых шлейфов по всему периметру жесткого экрана для образования волноводного тройника в пространстве между жестким экраном и покрытием, причем жесткий экран и система четвертьволновых шлейфов по всему периметру выполнены из материала с проводящим слоем.
Для надежного запирания СВЧ мощности нами предлагается на краях жесткого экрана использовать четвертьволновые шлейфовые системы. Конструкция такой системы показана на фигуре 1. На краю жесткого экрана формируется изгиб проводящей поверхности таким образом, чтобы образовывалась полосковая линия, оканчивающаяся закорачивающей стенкой на расстоянии четверти длины волны от ее входа.
Для пояснения работы такой структуры рассмотрим распространение волны через последовательный тройник, которым является, по сути, предложенная структура в области четвертьволнового шлейфа, используя формализм матрицы рассеяния [3]. В этом формализме любая пассивная волноводная структура описывается матрицей рассеяния |S|. Вектор амплитуд исходящих (рассеянных) от структуры волн |b| определяется произведением матрицы рассеяния |S| и вектора амплитуд падающих на структуру волн |а|:
Схема последовательного тройника и обозначение волн в этом тройнике показаны на фигуре 2. Будем считать, что волна b3, прошедшая в плечо 3, излучается в пространство без отражения. Тогда последовательный тройник нужно считать согласованным со стороны плеча 3, и амплитуда волны, падающей на тройник из этого плеча, всегда будет равна нулю: а3=0. Для последовательного тройника матрица рассеяния имеет вид [3]:
Тогда в соответствии с выражением (1) амплитуды рассеянных волн будут складываться из амплитуд падающих волн следующим образом:
Проанализируем переходной процесс в таком тройнике с момента включения СВЧ генераторов для прогрева дорожного покрытия. Будем считать, что в этот момент и далее амплитуда падающей на тройник волны из плеча 1, то есть с области прогрева дорожного покрытия, равна 1. Амплитуда волны а2 в этот момент, естественно, равна 0, и напомни что амплитуда волны а3 всегда равна 0. Тогда в соответствии с выражениями (3) амплитуды рассеянных волн в момент времени t=0 будут равны:
b1(0)=1/2; b2(0)=1/2; b 3(0)=
2/2;
Далее будем отслеживать изменение амплитуд рассеянных волн итерационным образом через период времени 
, равный времени пробега волны по четвертьволновому шлейфу до закорачивающей стенки и обратно до места разветвления. При рабочей длине волны 12 см длина этого пробега составит половину длины волны, то есть 6 см, и время пробега составит величину, равную 2·10-10 с. Тогда в момент времени t= амплитуда волны, падающей на тройник из плеча 1 по-прежнему будет равна 1, а амплитуда волны, падающей из четвертьволнового шлейфа, будет равна 1/2. Значение амплитуды волны, падающей на тройник из шлейфа, определяется выражением:
a 2(n)=b2(n-1)·exp(+
)=b2(n-1),
где n означает номер итерации, - фазовый набег при прохождении волны по четвертьволновому шлейфу до закорачивающей стенки и обратно, - изменение фазы волны при отражении от закорачивающей стенки. Поскольку фазовый набег =, суммарное изменение фазы волны в шлейфе будет равно 2, и волны a1(n) и a2(n) будут иметь одинаковый знак. Таким образом, после одного оборота волны по шлейфу амплитуды падающих волн будут иметь следующие значения:
a1(1)=1; а2(1)=1/2.
Соответственно, согласно выражениям (3) амплитуды рассеянных волн будут равны:
b1(1)=3/4; b 2(1)=3/4; b3(1)=2/4;
На следующей итерации в момент времени t=2 амплитуды падающих волн будут равны: a1(2)=1; а2(2)=3/4, и амплитуды рассеянных волн, соответственно, равны: b1(2)=7/8; b2(2)=7/8; b3 (2)=2/8.
Еще через интервал времени, равный , на четвертой итерации амплитуды волн примут значения:
a1(3)=1; a2(3)=7/8.
b1(3)=15/16; b2(3)=15/16, b3 (3)=2/16.
Сравнивая амплитуды волны b3 , выходящей из тройниковой структуры в плечо 3 и далее в окружающее пространство, можно видеть, что с каждой итерацией модуль амплитуды уменьшается по закону b3(n)=2/2n+1, где n - номер итерации. Отсюда следует, что уже на десятой итерации, то есть через 2 наносекунды после включения СВЧ генераторов, амплитуда волны, уходящей из тройника в плечо 3, будет меньше амплитуды волны в пространстве нагрева в 1000 раз, а еще через две наносекунды - в миллион раз.
Таким образом, в предложенной структуре СВЧ волна а1 , распространяющаяся по волноводу (полосковой линии), образованному жестким экраном, с одной стороны, и асфальтобетонным покрытием, с другой стороны, в месте пересечения с четвертьволновым шлейфом делится на две части (волны), одна из которых распространяется далее по волноводу «жесткий экран - асфальтобетонное покрытие», а другая - по четвертьволновому шлейфу. После оборота волны в четвертьволновом шлейфе волны в тройнике интерферируют, в результате чего волна на выходе плеча 3 уменьшается. Это уменьшение происходит в геометрической прогрессии с каждым последующим оборотом волны в четвертьволновом шлейфе, стремясь к нулю в наносекундном масштабе времени. Таким образом, структура с четвертьволновым шлейфом обеспечивает надежную изоляцию окружающей среды от СВЧ поля в пространстве нагрева дорожного полотна.
На фигуре 1 схематично представлено сечение края жесткого экрана с четвертьволновым шлейфом по всему периметру экрана. На фигуре 2 показана схема волноводного тройника, образованного жестким экраном, четвертьволновым шлейфом и дорожным покрытием. На этой же фигуре показаны обозначения падающих на тройник и рассеянных от него СВЧ волн, использованные при объяснении работы предлагаемого устройства. На фигуре 3 показана функциональная схема предлагаемого устройства для нагрева дорожного полотна, а на фигуре 4 - общий вид сверху на жесткий экран с четвертьволновыми шлейфами по его периметру и расположенными над ним СВЧ генераторами, линиями передачи и излучателями СВЧ мощности.
На фигурах 3 и 4 введены обозначения:
1 - блок питания СВЧ генераторов;
2 - СВЧ генераторы;
3 - линии передачи СВЧ мощности;
4 - излучатели СВЧ энергии;
5 - жесткий экран над пространством нагрева дорожного полотна;
6 - система четвертьволновых шлейфов;
7 - асфальто-бетонное покрытие.
Блок питания 1 должен обеспечивать автоматическую регулировку уровня выходной мощности СВЧ генераторов за счет петли обратной связи и аварийное выключение генерации СВЧ мощности при превышении уровня паразитного излучения выше значения, допустимого санитарными нормами РФ.
СВЧ генераторы 2 могут быть выполнены на основе любого типа приборов, преобразующих постоянный ток в СВЧ колебания.
Линии передачи 3 могут быть выполнены коаксиальными или волноводными и обеспечивать полную изоляцию передаваемой СВЧ мощности.
Излучатели СВЧ энергии 4 могут быть выполнены в виде рупорных антенн.
Жесткий экран 5 выполнен из материала с проводящим слоем, включает выходные окна излучателей и соединен с ними электрически плотно, что полностью исключает излучение СВЧ волн наружу из пространства нагрева дорожного полотна в месте их соединения и через материал экрана.
Система четвертьволновых шлейфов 6 выполнена также из материала с проводящим слоем и соединена с жестким экраном также электрически плотно, что полностью исключает излучение СВЧ волн наружу из пространства нагрева дорожного полотна в месте их соединения и через материал четвертьволновых шлейфов.
Устройство разогрева дорожного полотна работает следующим образом. Устройство доставляют на место ремонта дорожного полотна и устанавливают над ремонтируемым участком с предварительно насыпанным слоем асфальто-битумной смеси. С помощью пульта управления включают блок питания 1, который подает питание на СВЧ генераторы 2. Генерируемая ими СВЧ мощность по линиям передачи 3 поступает в излучатели 4 и направляется на ремонтируемое дорожное покрытие с имеющимся на нем свежей асфальтобитумной смесью. Частично отраженная от покрытия СВЧ мощность направляется жестким экраном 5 вновь на дорожное покрытие. Расположенная по периметру жесткого экрана система четвертьволновых шлейфов 6 за счет интерференции волн эффективно запирает СВЧ мощность в пространстве нагрева дорожного полотна и не позволяет СВЧ волнам распространяться в окружающее пространство. При достижении дорожным покрытием температуры, предписанной регламентом ремонта дорожного покрытия, СВЧ генераторы 2 выключаются, и устройство перемещается к следующему участку ремонтируемого дорожного покрытия.
Используемые источники
1. Патент 2093635 (Россия), МПК Е01С 23/06, Е01С 23/14 Способ нагрева дорожного покрытия и устройство для его осуществления/ Валеев Г.Г., опубликовано 20.10.1997. Заявка на изобретение 96103188/03, заявлено 27.01.1998.
2. 3аявка на изобретение 96103187/03 РФ, E04D 15/06, Е01С 23/14 МПК. Устройство для разогрева оснований и покрытий/, Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н., заявл. 16.02.1996, публикация 27.01.1998.
3. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М., «Высшая школа», 1970
Устройство для нагрева дорожного полотна, содержащее тележку, нагревательное устройство с СВЧ металлическим экраном, установленным на тележке, отличающееся тем, что дополнительно в жесткий экран введена система четвертьволновых шлейфов по всему периметру жесткого экрана для образования волноводного тройника в пространстве между жестким экраном и покрытием, причем жесткий экран и система четвертьволновых шлейфов по всему периметру выполнены из материала с проводящим слоем.
