Способ и устройство формирования сигнала в зависимости от толщины жидкостной пленки на поверхности - RU2223548C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу формирования сигнала в зависимости от толщины жидкостной пленки на поверхности, в частности на поверхности движения транспорта. Далее изобретение относится к устройству формирования сигнала в зависимости от толщины жидкостной пленки на поверхности, в частности на поверхности движения транспорта, а также применения способа и соответственно устройства в установке для определения точки замерзания жидкости.

Известно, что желательно формирование сигнала, который несет информацию о толщине жидкостной пленки на поверхности движения транспорта, под которой понимаются, например, дороги (трассы), рулежные дорожки и взлетно-посадочные полосы для самолетов. Таким образом может быть получена информация об опасности так называемого аквапланирования шин (всплывания колес самолета на уже невытесняемой больше колесами части водяной пленки) и соответственно выдано предупреждение водителю. Уже известно, что опасность аквапланирования (гидропланирования) возрастает с увеличением толщины водяной пленки.

Из заявки на Европатент ЕР-А-0 432 360 известно, что по отражению микроволн можно достаточно точно измерить толщину водяной пленки. Однако этот способ очень трудоемкий. Из американской заявки US-A-4 897 597 известно, что толщину водяной пленки можно определить измерением проводимости, что, однако, не всегда приводит к удовлетворительным результатам. В немецкой заявке DE-A-31 18 997, в европейской заявке ЕР-А-0 045 106 и в европейском патенте 362 173 описаны способы определения точки замерзания жидкости, но не определения толщины водяной пленки. В японской публикации "Patent Abstracts of Japan, том 97, ном. 8, 29, август 1997 г., "описывается определение толщины пленки льда, причем последняя определяется монтажным расстоянием датчика температуры от подвергающегося обледенению трубопровода теплообменника.

Поэтому задача предлагаемого изобретения состоит в создании по возможности простого и сравнительно недорогого способа формирования сигнала, зависимого от толщины жидкостной пленки, а также устройства для формирования такого сигнала.

Эта задача согласно способу указанного выше типа решается признаками отличительной части пункта 1 формулы изобретения.

Было установлено, что при нагревании, соответственно охлаждении части жидкостной пленки и измерении увеличения, соответственно уменьшения температуры можно было с достаточной точностью сделать вывод о том, в каком диапазоне значений находится толщина жидкостной пленки. Как правило, вполне достаточно одного такого упорядочения значений толщины жидкостной пленки в диапазон значений толщины, соответственно класс для цели предупреждения аквапланирования шин колес. Этот способ обеспечивает определение абсолютной толщины пленки с достаточной точностью, если при оценке температурной характеристики используется увеличенный объем оценочных (обработанных) данных.

Поставленная задача согласно устройству вышеуказанного типа решается признаками отличительной части пункта 6 формулы изобретения.

Предпочтительно, когда такое устройство снабжено элементом Пельтье для нагрева жидкостной пленки. Такое устройство обеспечивает при реверсивном режиме работы элемента Пельтье также охлаждение жидкостной пленки. Таким образом данное устройство дополнительно может быть применено также для определения точки замерзания жидкости в соответствии со способом согласно европейской заявке ЕР-А-0 045 106 или согласно европейской заявке ЕР-А-0 362 173.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах выполнения способа соответственно устройства со ссылкой на чертежи, на которых показано:
фиг. 1 - схематическое изображение блок-схемы устройства для осуществления способа согласно изобретению;
фиг. 2 - схематическое изображение конструкции устройства для осуществления способа согласно изобретению;
фиг.3 - аппроксимационная зависимость нагретого объема жидкости от толщины жидкостной пленки в устройстве согласно фиг.2;
фиг.4 - схематическое изображение повышения температуры жидкости;
фиг. 5 - схематическое изображение повышения температуры для трех различных значений толщины жидкостной пленки;
фиг. 6 - схематическое изображение снижения температуры для трех различных значений толщины жидкостной пленки.

На фиг. 1 и 2 в упрощенном виде схематически показано выполнение блок-схемы и конструкции устройства согласно изобретению. При этом для нагрева жидкостной пленки применяется элемент Пельтье. Этот элемент взят только в качестве примера, т. е. для нагрева пленки жидкости может быть применен в принципе любой другой источник тепла, например с резистивным нагревателем. Как уже было упомянуто, вместо нагрева может осуществляться также охлаждение жидкостной пленки, однако ниже в качестве примера приведен только нагрев упомянутой пленки. На фиг.1 элемент 1 Пельтье показан схематически в виде блока. Этот элемент электрически запитывается от схемы 2 питания, которая согласно данному примеру выполнения размещена внутри схемы 3 управления и обработки данных. Схема 2 питания включает в себя электрический источник, которым может быть, например, стабилизированный источник тока с постоянным током i, или источник тока с непостоянной, но известной характеристикой изменения тока. Количество тепла Q_н, образующееся на теплой стороне элемента Пельтье, определяется по формуле Q_н= Q_с+U•i, причем Q_с обозначает тепло, выделяемое холодной стороной упомянутого элемента, a U и i соответственно означают напряжение и ток на термоэлементе Пельтье. Температуры Т_с и Т_н - это температуры холодной и соответственно теплой сторон элемента Пельтье. При реверсивном направлении тока элемент Пельтье может использоваться также для охлаждения жидкостной пленки, так как тогда меняются холодная и теплая стороны.

На фиг.2 показан элемент Пельтье 1, зажатый между первым теплопроводным телом 10, например из меди, и вторым теплопроводным телом 11, например из алюминия. Вместе с корпусом 12, выполненным из плохо проводящего материала, элементы 1, 10 и 11 образуют устройство 13, которое в форме почвенного зонда может встраиваться под какую-либо поверхность, на которой может находиться водяная пленка. В показанном примере выполнения для этого выбрана трасса 14 с различными схематически показанными слоями, в которую встроен зонд 13, так что поверхность 18 зонда 13 оказывается в связке с поверхностью 19 полотна трассы 14. При этом тело 10 зонда уложено в землю соответственно в дорожный балласт, чтобы отводить тепло, применяемое для нагрева водяной пленки 17. Расположенное над элементом 1 Пельтье теплопроводное тело 11 своей поверхностью 15 образует поверхность нагрева для водяной пленки. В зонде 13 могут быть предусмотрены электроды 4, с помощью которых за счет измерения проводимости может быть установлено наличие водяной пленки. Для этой цели электроды 4 соединены с соответствующим измерительным устройством 6, которое в свою очередь соединено с элементом 8 управления и обработки данных, в частности с микропроцессором схемы 3 управления и обработки данных. Такого типа электроды могут быть предусмотрены также в других местах трассы, а не в зонде 13. Кроме того, в зонде размещен также измерительный резистор 5 температуры, контактирующий с водяной пленкой 17, с помощью которого может быть измерена температура жидкостной пленки. Этот измерительный резистор, как правило, уже известный Pt 100 - элемент или также термоэлемент, через соответствующую измерительную схему 7 также соединен с микропроцессором 8. Температура может быть измерена также элементом Пельтье, как это известно из европейской заявки ЕР-А-0 362 173.

Представленную конструкцию зонда 13 и его встроенное размещение нужно принимать только в качестве примера. Как уже было упомянуто, зонд может содержать также другой вид нагревательного элемента и он может быть размещен другим образом рядом с поверхностью или также над поверхностью, на которой, конечно, должна находиться водяная пленка, причем тогда нужно обратить внимание на то, что поверхность зонда расположена таким образом, что на ней, как правило, образуется водяная пленка такого же типа, что и на контролируемой поверхности. Схема обработки данных и схема управления могут также иметь другую конструкцию, например, состоящую из отдельных элементов, как это показано в примере выполнения. Как уже было сказано выше, также необязательно размещение электродов 4 в зонде.

В приведенном примере выполнения поверхность 18 зонда имеет углубление, которое образовано поверхностью 15 тела 11 и в данном примере образует округлую зону с диаметром А. Переход этой поверхности 15 к неопущенной поверхности 18 зонда 13 согласно данному примеру выполнения скошен под углом 45^o. При нагреве водяной пленки 17 нагревательным устройством в грубом приближении можно исходить из того, что нагрев водяной пленки осуществляется в круговой зоне с диаметром В. Зона углубления в поверхности зонда 13 может, например, иметь глубину Е_о - 0,5 мм. Диаметр А может составлять 14 мм, а диаметр В - 20 мм. Углубление дает нелинейную зависимость объема V водяной пленки от толщины Е водяной пленки, как это схематически показано на фиг.3. Углубление в зонде является предпочтительным для того, чтобы иметь определенное количество воды даже при очень незначительной толщине Е водяной пленки. В противном случае появляется опасность, что при очень незначительной толщине водяной пленки наступает момент испарения водяной пленки при ее нагреве, что делает невозможным проведение нужных измерений.

Для формирования сигнала, который зависит от толщины водяной пленки и который показывает ее толщину, осуществляют следующее. Предпочтительно сначала электродами 4, поскольку это предусмотрено, посредством измерения сопротивления установить, имеется вообще вода на измерительном зонде 13. При этом очень высокое соответственно бесконечное значение сопротивления свидетельствует о том, что поверхность зонда сухая. В этом случае не осуществляется нагрев элементом Пельтье, а выходной сигнал зонда 13 или его блока управления и обработки данных указывает на то, что никакой пленки нет. Если с другой стороны при измерении сопротивления выдается конечное значение, показывающее наличие жидкости, запускается нагревательное устройство 1, 10, 11.

Подводимая к воде энергия следует из удельного количества теплоты воды, котороесоставляет 4,185•10³ Дж кг^-1К^-1. Причем в этом случае нужно исходить из того, что вначале нагрева вода находится в жидкой фазе. Если же это не тот случай, то тогда должно приниматься во внимание удельное количество теплоты льда и теплоты плавления. Для известного значения объема соответственно следующей из него толщины водяной пленки можно исходить в первом приближении из экспоненциальной характеристики температур Т в функции от времени, которая может быть выражена следующим уравнением

На фиг.4 схематически показана соответствующая температурная характеристика. Согласно аспекту данного изобретения, толщина водяной пленки не указывается точным количественным значением, а приводится качественно в виде диапазона значений толщины водяной пленки, в котором находится фактическое значение толщины водяной пленки. По этой причине нет необходимости в проведении точного расчета динамической характеристики нагрева водяной пленки. Такого рода расчет можно производить в том случае, если должно быть точно указано значение толщины водяной пленки. Для такого расчета необходимо знать теплопроводность водяной пленки (температурный градиент), теплообмен между воздухом и водой вследствие конвенции, излучения и испарения воды, тепловые потери в зонде, характеристику элемента Пельтье и алюминиевой детали 11, причем кроме того должны быть приняты во внимание различия в термических характеристиках между чистой водой и солевым раствором и т.д.

Но, как правило, оказывается вполне достаточным указать толщину водяной пленки через сигнал зонда, что позволяет разделить значения толщины водяной пленки по разным классам. Эти значения могут быть сведены в следующую таблицу (см. в конце описания).

При этом предусмотрено 5 классов значений толщины Е водяной пленки, причем в классе 1 указана сухость полотна дороги, в классе 2 указана только влажность поверхности движения транспорта, а в классах с 3 по 5 указаны разные диапазоны мокрого полотна дороги. Такого рода распределения по классам, как правило, вполне достаточно для необходимого предупреждения аквапланирования.

На фиг.4 показан, как уже было упомянуто, ход температуры подогреваемой части пленки жидкости и тем самым также рост температуры водяной пленки.

Это увеличение прогрессивно снижается, стремясь к нулю, если температура достигает асимптотического значения Т_А. В этот момент система находится в динамическом равновесии и отдаваемая энергия равна подводимой от нагревательного устройства энергии. Характеристика роста температуры характерна теперь для объема жидкости соответственно толщины водяной пленки,
На фиг. 5 показаны три примера для различного вида толщины водяной пленки, причем характеристика кривой 1 представляет незначительную толщину водяной пленки, кривая 2 - среднюю величину толщины пленки, а кривая 3 - большую толщину пленки. Причем тарировка на фиг.5 для времени и температуры выбрана в произвольных единицах, а не в секундах и^oС. Теперь из характеристики кривой через блок обработки данных делают вывод, в какой класс диапазона значений толщины водяной пленки должно быть включено фактическое значение толщины пленки, которая обуславливает ту или иную характеристику кривой при нагреве пленки. Таким образом, естественно в зависимости от конкретной тарировки на фиг.5, которая не указана, ту толщину водяной пленки, которая приводит к появлению характеристики кривой 1, нужно было бы отнести к классу 2 или 3, толщину водяной пленки, обусловленную характеристикой кривой 2, к классу 3 или 4, и наконец толщину водяной пленки, которая обуславливает появление кривой 3, в класс 4 или 5. На фиг. 6 показаны соответствующие характеристики кривых при охлаждении водяной пленки. Естественно, что кривые роста температуры представлены в блоке 3 обработки данных не в виде графиков, а в виде последовательности запомненных, измеренных значений температуры датчика 5 температуры, которые занесены в файл запоминающего устройства (ЗУ) микропроцессора 8. Естественно, что характер кривой может быть выражен меньшим или большим числом измеренных значений температуры. Предпочтительно, что первое измеренное значение температуры Т_о образуется до начала или как раз в начале нагрева и показывает начальную температуру водяной пленки. В последующем в различные временные интервалы могут быть получены еще измеренные значения температуры, причем очевидно, что характер кривой может быть определен тем точнее, чем больше будет запомнено измеренных значений в интервале между Т₀ и моментом достижения асимптотической температуры Т_А. Для оценки запомненных, измеренных значений температуры могут быть применены уже известные методы обработки информации для блока 3 обработки данных соответственно микропроцессора. Сначала может быть проведена аппроксимация измеренных значений в соответствии с формулой (1) и тем самым может быть выведена на значения Т_А и τ, которые в свою очередь являются функцией толщины Е водяной пленки (при заданном объеме подлежащей нагреву воды, который задан введенным радиусом В подогреваемой зоны воды). Альтернативно методу аппроксимации может быть измерено увеличение температуры ΔТ при фиксированном интервале времени t* после начала нагрева. Это ΔТ* может быть выражено уравнением:

Для точного измерения толщины водяной пленки значения толщины пленки могут быть запомнены произвольно более точно в виде таблицы. Тогда за счет оценкихарактеристики кривой выходят на соответствующее значение в таблице.

В качестве следующего варианта с момента начала нагрева при времени t=0 может быть измерено время t_x, которое необходимо до момента заранее определенного повышения температуры ΔТ_x. Тогда из уравнения 2 и нижеследующих уравнений 5 и 6 может быть опять определена толщина Е водяной пленки по значениям Т_A и τ.:

Как уже было упомянуто выше, из европейских заявок ЕР-А-0 045 106 и ЕР-А-0 362 173 известен способ определения точки замерзания жидкости. Такие способы могут быть осуществлены также с описанным выше зондом, так что одним единственным зондом в полотне дороги может быть сформирован сигнал предупреждения как о гололеде, так и об аквапланировании.

Если на зонде имеется лед, то последний сначала может быть расплавлен для определения толщины водяной пленки. Затем он может быть снова охлажден для определения точки замерзания. Кроме того, также можно определить точку плавления при таянии, благодаря чему известна также температура точки замерзания. Но могут быть предусмотрены и отдельные зонды соответственно для определения толщины водяной пленки и точки замерзания. В этом случае устройство для определения толщины водяной пленки применяется предпочтительно в устройстве для определения точки замерзания. Знание толщины водяной пленки очень важно для определения точки замерзания, так как из этого - при известном количестве нанесенного на единицу поверхности средства для расстаивания льда - можно сделать вывод о концентрации средства для расстаивания в жидкости.

Реферат

Изобретение относится к методам и устройствам определения толщины водяной пленки на поверхности дорожного полотна. Способ формирования сигнала в зависимости от толщины жидкостной пленки на поверхности движения транспорта осуществляется с помощью нагревательного устройства или устройства охлаждения, имеющего соответственно поверхность нагрева или охлаждения, контактирующую с жидкостной пленкой, соответственно нагревают или охлаждают часть жидкостной пленки, далее с помощью устройств измерения температуры определяют соответственно увеличение или уменьшение температуры соответственно нагреваемой или охлаждаемой части жидкостной пленки и с помощью элемента управления и обработки данных значениям соответственно увеличения или уменьшения температуры части жидкостной пленки присваивают значение или диапазон значений толщины жидкостной пленки и выдают в форме сигнала. Данный способ реализует соответствующее устройство. Данное изобретение направлено на создание простого и сравнительно недорогого способа контроля состояния поверхности дорожного полотна. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Формула