СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА НА РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ДАТЧИКА ОБЛЕДЕНЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК B64D15/20 E01B7/24 E01B19/00 E01H8/08 

Группа изобретений относится к способу и устройству для обнаружения осадков в виде льда или снега на контролируемой поверхности и может быть использована на транспорте, на объектах строительства и промышленности (включая электроэнергетику). Приоритетные области применения - системы обогрева стрелочных переводов («стрелок») на железнодорожных путях и системы предотвращения обледенения летательных аппаратов (авиация).

В настоящее время применяется большое количество датчиков обледенений, работа которых основана на различных прямых или косвенных методах определения наличия обледенения или предрасположенности к обледенению.

В путевом хозяйстве рельсового транспорта для выявления заснеженности / обледенения используют (наряду с информацией с метеостанции о температуре воздуха и скорости ветра) «датчики осадков». Например, осадкомер (плювиограф) МПДО-500.400.хх с сенсорным кольцевым проводником и электрообогревателем для растапливания льда и снега, или комбинированный осадкомер МПДО-500.330 «Волна», в котором осадки собираются в улавливающей трубке, направленной в измерительную камеру с емкостным зондом, с регулируемым обогревателем и конвертированием в линейный сигнал напряжения, считываемый электронным устройством, что дает основания для заключения о наличии снега и/или льда в районе его установки и необходимости принятия мер по расчистке путевого хозяйства, главным образом стрелочных переводов [1. Датчики осадков. URL: http://merapribor.ru/upload/iblock/86c/86c338c8caa5680c55b670910fcac5fe.pclf; http://merapribor.ru/ catalog/osadkomery/datchiki-osadkov/].

Особенно остро проблема обледенения конструкций стоит в авиации, где качественная и количественная оценки обледенения делаются на основе теплового баланса принудительного тепловыделения в датчиках и естественного теплопоглощения слоем обледенения и окружающей средой, при этом датчики распределяют по конструкции в зонах с существенно различными условиями их взаимодействия с окружающей средой [2. RU 2534493 С2, B64D 15/20, 27.11.2014; 3. RU 2393976 С1, B64D 15/20, 10.07.2010; 4. RU 62082 U1, B64D 15/20, 27.03.2007; 5. RU 2243923 С1, B64D 15/20, 10.01.2005]. Льдообразование на поверхности летательных аппаратов, в частности, лед, нарастающий на фюзеляже, крыльях, пропеллерах, лопатках ротора и управляющих поверхностях самолетов способен создавать трудности для пилотирования, оказывая неблагоприятное воздействие на управляемость самолета.

Близким аналогом заявляемого устройства может служить термоэлектрический датчик обледенения, защищенный полезной моделью [6. RU 162 213 U1, B64D 15/20, 27.05.2016, фиг. 4, 6, формулы (1) и (2)]. Устройство относится к средствам сигнализации и контроля и может быть использовано для дистанционного обнаружения обледенения и определения условий окружающей среды, схожих с условиями для образования или предрасположенности к образованию обледенения различных поверхностей. Датчик содержит термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье, и снабжен соединенным нижней частью с элементом Пельтье термоэлектрическим датчиком теплового потока, противоположная верхняя часть, которого образует внешнюю чувствительную к образованию льда поверхность. Верхняя часть датчика теплового потока содержит датчик температуры. Обеспечивается повышение чувствительности льдообразования или предрасположенности к нему при одновременном повышении метрологической точности определения льдообразования или предрасположенности к его появлению. Появление водяной пленки на какой-либо поверхности сопряжено с вероятностью преобразования ее в ледяной покров, а замысел известной технологии заключается в том, что устройство определяет толщину водяной пленки, по которой определяют возможную точку замерзания. В зависимости от параметров определенного участка водной пленки его нагревают или охлаждают, а толщина пленки определяется при условии анализа границ температуры при нагревании или охлаждении. При этом элемент Пельтье используют для нагрева или охлаждения водной пленки, температура, которой измеряется с помощью термоэлемента и вычисляется с помощью микропроцессора.

Несмотря на то, что устройство-аналог решает проблему «прямым и точным путем», оно частично сохраняет недостатки его прототипа:

- чувствительность при малой интенсивности льдообразования, определение точности точностью термодатчика и алгоритмом слежения изменения температуры;

- в цикле охлаждения льдообразование определяется удовлетворительно стабилизацией температуры фазового перехода (кристаллизация воды) на определенное время, а в цикле нагрева данная стабилизация (таяние слоя льда) менее заметна, поэтому в цикле нагрева определение льдообразования затруднительно;

- оценка величины интенсивности льдообразования по энергии, затраченной элементом Пелтье, является косвенным методом, не учитывающим значительную зависимость затраченной мощности элементом Пельтье от температуры окружающей среды, теплоотдачи и др., таким образом, прототип источника [6] лишен метрологической точности и по существу является оценочным методом определения льдообразования.

Тем не менее, устройство-аналог [6] представляет интерес, с позиций заявляемого технического решения тем, что оно имеет дополнительную возможность расчета интенсивности льдообразования и толщины слоя льда путем интегрирования тепла, прошедшего через датчик теплового потока за период времени льдообразования при известной удельной теплоте льдообразования.

При наличии слоя льда и достижения температуры льдообразования, лед начинает таять. При этом изменение температуры в этом слое останавливается ([6], фиг. 5) и поглощается теплота плавления льда (([6], фиг. 6). Через термоэлектрический датчик теплового потока протекает указанное тепло. Так как данный тепловой поток значительно выше обычного теплового потока теплопроводности, то термоэлектрический датчик теплового потока фиксирует начало таяния льда значительно более чувствительно, чем датчик температуры. Это позволяет по показанию термоэлектрического датчика теплового потока с высокой точностью фиксировать начало таяния льда. Суммарное значение прошедшей теплоты таяния льда показывает количество льда на внешней чувствительной поверхности верхней части датчика теплового потока. Чем больше льда, тем больше это суммарное тепло ([6], фиг. 6). Термоэлектрический датчик теплового потока, как правило, имеет калибровку измеряемого сигнала к плотности мощности проходящего теплового потока (единицы Вт/м²) или полной мощности теплового потока (единицы Вт). Это означает, что (в трактовке по тексту описания [6]) интеграл мощности теплового потока за фиксируемый период времени льдообразования, позволяет установить полную теплоту Q этого процесса в единицах Дж/м² и Дж. А по известной удельной теплоте льдообразования С_Р=335 Дж/кг и плотности льда p=917 кг/м³ возможно достаточно точно установить толщину h слоя льда или полное количество (массу) льда g на чувствительной поверхности верхней части термоэлектрического датчика теплового потока по формулам (1) или (2) в источнике [6], соответственно.

Наиболее близким к заявляемому способу аналогом (прототипом-способом) является способ обнаружения обледенения на контролируемой поверхности («Способ и устройство обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности») [7. RU 2 685 631 С1, МПК (2006.01) Е01В 7/00 Е01В 19/00, Е01Н 8/08, B64D 15/20, опубл. 22.04.2019], включающий в себя следующие операции:

- на контролируемой поверхности устанавливают датчик, имеющий два одинаковых чувствительных элемента, разнесенных на минимальное расстояние и снабженных каждый теплопроводной пластиной с внешней рабочей поверхностью площадью S для воздействия на нее окружающей среды, встроенным датчиком температуры пластины и нагревателем на тыльной ее поверхности;

- датчик подключают к аппаратной части с устройствами управления, измерения, обработки информации индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, входящей, наряду с датчиком, в состав устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, по крайней мере с возможностью предположительного обнаружения льда или снега локально в зоне расположения датчика;

- определяют начальную температуру T₁₀ рабочей поверхности пластины первого чувствительного элемента;

- если T₁₀≤0°С, то включают нагреватель первого чувствительного элемента;

- отслеживают во времени, посредством устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, изменение температуры рабочей поверхности первого чувствительного элемента

где T₁ - температура рабочей поверхности пластины первого элемента; f₁ - функция, соответствующая эмпирической зависимости (1); t - текущее время с момента включения первого нагревателя, до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» - 0°С;

- через заданный интервал задержки Δt после включения нагревателя первого чувствительного элемента, включают нагреватель второго чувствительного элемента, что определяет асинхронность включения нагревателей;

- отслеживают во времени, посредством датчика и аппаратной части, изменение температуры рабочей поверхности и второго элемента

где Т₂ - температура рабочей поверхности пластины данного элемента; f₂ - функция, соответствующая эмпирической зависимости (2),

до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» - 0°С;

- определяют, регистрируют, индицируют и/или регистрируют и передают, посредством аппаратной части устройства, значения разности

обеспечивая тем самым, совместно с упомянутой асинхронностью включения нагревателей, аннулирование вкладов полезных сигналов, обусловленных плавлением льда или снега, и обнуление величины (3) вкладов вредных сигналов, обусловленных воздействием воздушных потоков;

- в завершение всего способа как последовательности полного комплекса предусмотренных операций, делают заключение о качественной характеристике обледенения рабочих поверхностей пластин - наличии или отсутствии льда на них по установленному критерию: о наличии свидетельствует только практическое обнуление величины (3): ΔT(t) = 0, являющейся нулевой площадкой фазового превращения (перехода).

Такое техническое решение, безусловно, инновационное и решает проблему исключения «ложных температурных площадок» вследствие воздействия воздушных атмосферных потоков, имитирующих фазовое превращение (переход).

Однако в прототипе-способе [7] оговорена только качественная оценка обледенения (выявление факта обледенения, с принципиальной возможностью, разумеется, при статистическом мониторинге, сравнительной оценки типа «больше/меньше», а на практике необходима и оперативная количественная оценка обледенения, которую удобно выражать в толщине h слоя льда на рабочей стороне пластин датчика. Это обусловливает еще недостаточно широкие технико-эксплуатационные возможности способа, не обеспечивает полноты и достоверности оценки ситуации с обледенением в районе установки датчика.

Проблема (задача), на решение которой направлено заявляемое изобретение-способ, заключается в обеспечении способа, пригодного для использования в заявленных областях техники, при котором вышеупомянутый недостаток прототипа-способа отсутствует. То есть ставится задача повышения информативности и достоверности оценки ситуации с обледенением в районе установки термоэлектрического датчика.

Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что в способе определения толщины льда на рабочей поверхности датчика обледенения, включающем в себя следующие операции:

- на контролируемой поверхности устанавливают датчик, имеющий два одинаковых чувствительных элемента, разнесенных на минимальное расстояние и снабженных каждый теплопроводной пластиной с внешней рабочей поверхностью площадью S для воздействия на нее окружающей среды, встроенным датчиком температуры пластины и нагревателем на тыльной ее поверхности;

- датчик подключают к аппаратной части с устройствами управления, измерения, обработки информации индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, входящей, наряду с датчиком, в состав устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, по крайней мере с возможностью предположительного обнаружения льда или снега локально в зоне расположения датчика;

- определяют начальную температуру T₁₀ рабочей поверхности пластины первого чувствительного элемента;

- если T₁₀ ≤ 0°С, то включают нагреватель первого чувствительного элемента;

- отслеживают во времени, посредством устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, изменение температуры рабочей поверхности первого чувствительного элемента

где T₁ - температура рабочей поверхности пластины первого элемента; f₁ - функция, соответствующая эмпирической зависимости (1); t - текущее время с момента включения первого нагревателя, до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» - 0°С;

- через заданный интервал задержки Δt после включения нагревателя первого чувствительного элемента, включают нагреватель второго чувствительного элемента, что определяет асинхронность включения нагревателей;

- отслеживают во времени, посредством датчика и аппаратной части, изменение температуры рабочей поверхности и второго элемента

где Т₂ - температура рабочей поверхности пластины данного элемента; f₂ - функция, соответствующая эмпирической зависимости (2), до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» - 0°С;

- определяют, регистрируют, индицируют и/или регистрируют и передают, посредством аппаратной части устройства, значения разности

обеспечивая тем самым, совместно с упомянутой асинхронностью включения нагревателей, аннулирование вкладов полезных сигналов, обусловленных плавлением льда или снега, и обнуление величины (3) вкладов вредных сигналов, обусловленных воздействием воздушных потоков;

- делают заключение о качественной характеристике обледенения рабочих поверхностей пластин - наличии или отсутствии льда на них по установленному критерию: о наличии свидетельствует только практическое обнуление величины (3):

ΔT(t) = 0, являющейся нулевой площадкой фазового превращения (перехода), согласно заявляемому изобретению-способу, дополнительно определяют количественно толщину обледенения рабочих поверхностей пластин по формуле (4):

где h - толщина обледенения рабочих поверхностей пластин;

W - суммарная мощность нагревателей;

Δt_ф - показание продолжительности нулевого участка фазового превращения (перехода);

Δt - интервал задержки включения второго нагревателя относительно первого;

S - площадь рабочей поверхности каждой пластины;

ρ - плотность льда;

λ - удельная теплота плавления льда,

увеличивая при этом показание продолжительности Δt_ф на величину интервала Δt.

Для осуществления заявляемого способа устройство, используемое для осуществления описанного выше способа-прототипа, непригодно без внесения в него существенных изменений и дополнений конструктивного характера. Прежде всего, потому, что в нем учитывается только часть продолжительности фазового превращения (перехода).

В результате предварительного информационного поиска Заявителем не обнаружены какие-либо известные ранее устройства, конструкция которых позволила бы осуществить заявляемый способ. Однако аналоги различной степени близости к потребной совокупности существенных конструктивных признаков (но не выше уровня релевантности «А») выявлены и использованы, наряду с упоминанием выше в обзоре способов, в настоящем кратком обзоре современного уровня техники в рассматриваемой области.

Так, известно устройство для определения наличия и интенсивности обледенения, содержащее (согласно формуле изобретения) индикатор, датчик обледенения, который включает в себя датчик температуры воздуха, а также первый и второй чувствительные элементы, каждый из которых включает нагреватель и термодатчик, причем нагреватели первого и второго чувствительных элементов подключены к выходам первого и второго регуляторов мощности соответственно, отличающееся тем, что в него введены блок управления первого регулятора мощности, первый и второй сумматоры, а также усилитель, при этом термодатчик первого чувствительного элемента подключен к входу блока управления и первому входу первого сумматора, второй и третий входы которого подключены к датчику температуры воздуха и термодатчику второго чувствительного элемента соответственно, выход блока управления подключен к входу первого регулятора мощности и первому входу второго сумматора, а выход первого сумматора - к входу усилителя, выход которого подключен к входу индикатора и ко второму входу второго сумматора, подключенного своим выходом к входу второго регулятора мощности, при этом коэффициенты передачи по первому, второму и третьему входам первого сумматора равны соответственно значениям ε, (1-ε) и -1, а по первому и второму входам второго сумматора равны соответственно значениям ε и 1, причем значение е меньше единицы. [3. RU 2393976 С1, B64D 15/20, 10.07.2010]. Этим решают задачу упрощения устройства, реализующего известный способ измерения интенсивности обледенения, а также повышения его надежности.

Однако этот аналог «не доведен» до пригодности к реализации заявляемого способа из-за отсутствия в аппаратной части устройства (здесь и далее по тексту -авторское обобщение на конструкцию с условно выделенным из нее датчиком, см. также поз 10 на фиг. 2 описания заявляемой группы изобретений). В нем чувствительные элементы по-разному ориентированы в пространстве и целенаправленно удалены друг от друга на достаточно большое расстояние, то есть помещены в заведомо различные условия внешней среды (на стрелочном переводе, например, вследствие выраженной дифферентности распределения воздушных потоков, а значит и обледенения и заснеженности в пространстве практически одинаковыми условиями можно считать только на участке примерно до полуметра на сторону), устройство управления выполнено без возможности включения второго нагревателя с задержкой времени после включения первого (во всяком случае, о такой возможности в описании прототипа ничего не сказано), а величины ΔT(t) используется в аппаратной части «для внутренних нужд» - лишь как промежуточная «разностная» операция в устройстве обработки данных, не выводящаяся на устройства индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных и как таковая не используемая для окончательной оценки ситуации с обледенением и/или заснеженностью.

Известно также устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда, содержащее (согласно формуле изобретения) датчик обледенения, включающий рабочий и компенсирующий чувствительные элементы, имеющие нагреватели и термодатчики, первый термостабилизатор, первым входом подключенный к термодатчику рабочего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю рабочего чувствительного элемента, второй термостабилизатор, первым входом подключенный к термодатчику компенсирующего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю компенсирующего чувствительного элемента, устройство выделения разности мощностей, подключенное первым входом к выходу первого термостабилизатора, вторым входом к выходу второго термостабилизатора, а своим выходом к входу первого нелинейного элемента, а также первый индикатор и интегратор, подключенный ко второму индикатору, отличающееся тем, что в него введены измеритель температуры наружного воздуха, второй нелинейный элемент и блок умножения, причем выход измерителя температуры наружного воздуха подключен к входу второго нелинейного элемента, выход которого подключен ко второму входу блока умножения, выход первого нелинейного элемента соединен с первым входом блока умножения, выход которого соединен с интегратором и первым [4. RU 62082 U1, B64D 15/20, 27.03.2007]. Этим решают задачу уменьшения влияния изменения температуры наружного воздуха на показания устройства, а технический результат формулируют как «повышение точности определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда на поверхностях летательного аппарата, находящихся в воздушном потоке во всем эксплуатационном диапазоне изменения температуры наружного воздуха».

Однако и этот аналог «не доведен» до пригодности к реализации заявляемого способа по той же причине (см. критику предыдущего аналога).

Близким аналогом заявляемого устройства является устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда, содержащее (согласно формуле изобретения) датчик обледенения, включающий рабочий и компенсирующий чувствительные элементы, имеющие нагреватели и термодатчики, а также первый индикатор, отличающееся тем, что в него введены первый и второй термостабилизаторы, устройство выделения разности мощностей, нелинейный элемент, интегратор и второй индикатор, причем первый термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику рабочего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю рабочего чувствительного элемента, второй термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику компенсирующего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю компенсирующего чувствительного элемента, устройство выделения разности мощностей подключено своим первым входом к выходу первого термостабилизатора, вторым входом к выходу второго термостабилизатора, а своим выходом к входу нелинейного элемента, выход которого подключен к входам первого индикатора и интегратора, к выходу которого подключен второй индикатор [5. RU 2243923 С1, B64D 15/20, 10.01.2005, пп. 27-33 ф-лы]. Технической задачей устройства [5] является «повышение точности определения интенсивности обледенения поверхностей, находящихся в воздушном потоке, а также повышение надежности устройства».

В адаптированном (прежде всего, по терминологии) к сравнительному анализу с заявляемым устройством, с перспективой построения формулы изобретения в части устройства, устройство-прототип можно охарактеризовать общей с заявляемым устройством совокупностью признаков (ограничительная часть будущей формулы изобретения): устройство определения толщины льда на рабочей поверхности датчика обледенения, содержащее датчик с конструктивно одинаковыми, разнесенными на минимальное расстояние, изолированными друг от друга и первым и вторым чувствительными элементами и одинаково, горизонтально ориентированными в пространстве, в составе каждого из которых имеются теплопроводная пластина с внешней рабочей поверхностью площадью S для атмосферного воздействия, встроенный датчик температуры пластины T₁, Т₂, нагреватель с тыльной ее стороны, а также аппаратную часть с устройствами управления, измерения, обработки информации, индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, при этом в устройстве обработки информации предусмотрена разностная схема определения, согласно выражению (3), величины ΔT(t) = T₁(t) - Т₂(t), при этом устройство управления выполнено с возможностью включения второго нагревателя с задержкой времени после включения первого, а устройства индикации и/или регистрации сигналов выполнены с возможностью независимых прямых индикации и регистрации величины ΔT(t) [7. RU 2 685 631 С1, МПК (2006.01) Е01В 7/00 Е01В 19/00, Е01Н 8/08, B64D 15/20, опубл. 22.04.2019].

При всех своих несомненных положительных качествах, прототип-устройство также непригоден (без изменения и дополнения конструкции) к реализации заявляемого способа: У него физически отсутствует устройство определения величины h толщины обледенения, а при традиционном теплофизическом расчете [6] естественный для нулевой площадки Δt_ф фазового превращения (перехода) не учет интервалов Δt слева (нисходящий сигнал) и справа (восходящий сигнал) в определении и регистрации продолжительности этого определяющего процесса плавления льда вносит погрешность, приводящую к занижению толщины обледенения, особенно при больших значениях отношения Δt/Δt_ф (в частности при малых толщинах h). Это, в свою очередь, может отрицательно сказаться на эксплуатационной безопасности обслуживаемых объектов, особенно в области железной дороги и авиации.

Собственно, в прототипе-устройстве чего-либо иного и не требовалось, поскольку это устройство было создано под прототип-способ, отличающийся от заявляемого.

Проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение-устройство, заключается в создании устройства, лишенного отмеченных недостатков прототипа-устройства и пригодного для использования для осуществления заявляемого способа. То есть ставится та же задача, что и в предложении нового способа - повышения достоверности и информативности оценки ситуации с обледенением и/или заснеженностью в районе установки датчика, расширения технико-эксплуатационных характеристик (ТЭХ) способа и устройства за счет дополнительной возможности оперативной количественной оценки толщины обледенения.

Решение обозначенной очередной проблемы (задачи) достигается тем, что в устройстве определения толщины льда на рабочей поверхности датчика обледенения, содержащее датчик с конструктивно одинаковыми, разнесенными на минимальное расстояние, изолированными друг от друга и первым и вторым чувствительными элементами и одинаково, горизонтально ориентированными в пространстве, в составе каждого из которых имеются теплопроводная пластина с внешней рабочей поверхностью площадью S для атмосферного воздействия, встроенный датчик температуры пластины T₁, Т₂, нагреватель с тыльной ее стороны, а также аппаратную часть с устройствами управления, измерения, обработки информации, индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, при этом в устройстве обработки информации предусмотрена разностная схема определения, согласно выражению (3), величины ΔТ(t)=Т₁(t) - Т₂(t), при этом устройство управления выполнено с возможностью включения второго нагревателя с задержкой времени после включения первого, а устройства индикации и/или регистрации сигналов выполнены с возможностью независимых прямых индикации и регистрации величины ΔТ(t), согласно заявляемому изобретению-устройству, в его аппаратной части дополнительно предусмотрен канал определения, индикации и регистрации толщины h обледенения рабочей поверхности датчика по формуле (4) заявляемого способа, включающий в себя измеритель мощности W нагревателей датчика и измеритель продолжительности нулевого участка фазового превращения (перехода) по условию ΔT(t)=0, выходы которых соединены с входом умножителя указанных входных сигналов, с алгоритмом (4) заявляемого способа, с возможностью определения, индикации и регистрации величины h на выходе.

На фиг. 1 показаны графики значений температуры чувствительных элементов датчика и их разности с течением времени работы нагревателей при асинхронном включении их нагревателей при равной мощности тепловыделения (теоретический график), где T₁ и Т₂ - измеряемая температура рабочих поверхностей обледенелых пластин первого и второго чувствительных элементов датчика; T₁ - Т₂ - разность температуры в каждый момент времени; Δt - временная задержка включения второго нагревателя после включения первого; t_ф1, t_ф2 - продолжительность (периоды) фазовых превращений (таяния льда) на рабочих поверхностях первого и второго чувствительных элементов датчика соответственно, Δt_ф - перекрытие периодов t_ф2 и t_ф1;

на фиг. 2 изображена укрупненная блок-схема заявляемого устройства для осуществления заявляемого способа определения толщины льда на контролируемой поверхности, вид в плане, где позициями обозначены:

1 - датчик; 2 - первый чувствительный элемент датчика; 3 - второй чувствительный элемент датчика; 4 и 5 - электрические нагреватели первого и второго чувствительных элементов соответственно; 6 и 7 - датчики температуры (термодатчики, преимущественно термопары) первого и второго чувствительных элементов соответственно; 8 и 9 - нормально-разомкнутые контакты (условно, для наглядности, с вероятной заменой эквивалентной электронной схемой) раздельного включения/выключения нагревателей 4 и 5; 10 - аппаратная часть заявляемого устройства; 18 - измеритель мощности электронагревателей датчика; 19 - измеритель продолжительности нулевого участка фазового превращения (перехода); 20 - умножитель (устройство умножения) входных сигналов (вычислитель толщины обледенения);

на фиг. 3 упрощенно показана конструкция датчика как основного составного узла заявляемого устройства для осуществления заявляемого способа, в продольном вертикальном сечении, где сохранены номера позиций фигуры 2 и дополнительно введены позиции: 11 и 12 - теплопроводные пластины (с рабочей 13 и 14 и тыльной 15 и 16 поверхностями каждая); 17 - теплоизоляционный зазор/слой между чувствительными элементами 2 и 3; L - величина зазора/слоя 17.

на фиг. 4 - внешний вид (фото) одного из нескольких экспериментальных действующих макетов (а именно образца ЛОИ - для лабораторно-отработочных испытаний) заявляемого устройства, успешно прошедшего комплекс климатических ЛОИ в приложении к задачам путевого хозяйства на железной дороге.

на фиг. 5 - графики значений температуры чувствительных элементов датчика и их разности с течением времени работы нагревателей при асинхронном включении их нагревателей (экспериментальный, при обледенелых рабочих поверхностях, как один из результатов испытаний образца ЛОИ по фиг. 4), где измеряемая термодатчиками температура T₁ и Т₂ обозначены позициями 1 и 2 соответственно, а их разность T₁ - Т₂ - позицией 3.

На фиг. 6 - графики значений температуры чувствительных элементов датчика и их разности с течением времени работы нагревателей при асинхронном включении их нагревателей (экспериментальный, при «чистых» пластинах, как другой из результатов испытаний образца ЛОИ по фиг. 4), где измеряемая термодатчиками температура Т₁' и Т₂' обозначены позициями 1 и 2 соответственно, а их разность Т₁' - Т₂' - позицией 3.

На фиг. 5 и 6 по оси абсцисс отложено условное время в дискретных отсчетах, а по оси ординат - температура в условных единицах, которые могут быть приведены к градусам Цельсия, поскольку получены в результате реального опыта.

Для наглядности кривые 1 и 2 разогрева сдвинуты вниз на значение температуры (см. ось ординат), соответствующее моменту включения. В результате нулю на графиках отвечает температура в момент включения нагревателей.

В основу предлагаемого способа положено явление (используемое и в прототипе): кривая роста температуры металлической пластины, одна сторона которой граничит с контролируемой средой, а к другой присоединен нагреватель, в идеальном случае отсутствия атмосферных возмущений и загрязнений ее поверхности, имеет горизонтальный участок. Этому горизонтальному участку отвечают моменты времени, соответствующие плавлению льда или снега (фазовому переходу в жидкое состояние), находящегося на рабочей поверхности пластины чувствительного элемента.

Сигнал, используемый для выработки решения о наличии осадков, является разностью сигналов от двух идентичных чувствительных элементов (на минимальном расстоянии друг от друга в составе датчика), причем в процессе измерения температуры нагреватель одного из них включается с опережением относительно другого (см. фиг. 1). Такое асинхронное включение нагревателей обеспечивает асинхронность вкладов полезного сигнала, обусловленного плавлением льда или снега, в сигнал каждого из каналов (первого и второго по номеру чувствительного элемента), в то время как мешающий сигнал, обусловленный атмосферными воздействиями, является синхронным вкладом.

Математически это подробно объяснено в прототипе [7]: при синхронном (в каждый момент времени) вычитании T₁ - Т₂ влияние потоков воздуха (как вредный сигнал) обнуляются, и при отсутствии льда или снега:

Т_синхр. - Т_синхр.=0;

T₁ - Т₂ = Т_синхр.₁ - Т_синхр.₂ ≠ 0,

а при наличии на пластинах льда и/или снега, вклады полезных сигналов в моменты времени, соответствующие фазовому превращению (переходу), аннулируются:

Т_{асинхр.1} = Т_{асинхр.2} ',

T₁ - Т₂ = Т_{асинхр.1} - _{Tасинхр.2} = 0.

Обнуление разности T₁ - Т₂ свидетельствует о наличии льда или снега на датчике, а значит и в локальной зоне контролируемой поверхности. На практике отслеживаются моменты времени, в которые разность T₁ - Т₂ становится меньше заданного порогового значения.

На достигнутом этапе (или по окончании всех операций способа) делают заключение о качественной характеристике обледенения рабочих поверхностей пластин - наличии или отсутствии льда на них по установленному критерию: о наличии свидетельствует только практическое обнуление величины (3): ΔT(t)=0, являющейся нулевой площадкой фазового превращения (перехода).

Согласно основному изобретательскому замыслу, введена дополнительная операция: определяют количественно толщину обледенения рабочих поверхностей пластин по формуле (4):

где h - толщина обледенения рабочих поверхностей пластин;

W - суммарная мощность нагревателей;

Δt_ф - показание продолжительности нулевого участка фазового превращения (перехода);

Δt - интервал задержки включения второго нагревателя относительно первого;

S - площадь рабочей поверхности каждой пластины;

ρ - плотность льда;

λ - удельная теплота плавления льда,

увеличивая при этом показание продолжительности Δt_ф на величину интервала Δt.

После чего может быть дана окончательная (полная, с учетом количественной характеристики) оценка «ледовой обстановки» на месте установки датчика.

Рассмотрим пример конструктивного выполнения заявляемого устройства с привлечением иллюстративного материала (см. фиг. 2-4).

Устройство обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности для осуществления заявляемого способа содержит датчик 1 с конструктивно одинаковыми, изолированными друг от друга чувствительными элементами (ЧЭ) первым 2 и вторым 3 (последовательность их нумерации не принципиальна).

В составе каждого ЧЭ (2 и 3) имеются:

- теплопроводная пластина (11 для первого ЧЭ 2 и 12 для второго ЧЭ 3) с внешней рабочей поверхностью (13 и 14 для пластин 11 и 12 соответственно);

- встроенный датчик температуры (температуры T₁ пластины 11, и температуры Т₂ пластины 12, иначе говоря - термодатчики, преимущественно одинаковые термопары, спай которых расположен максимально близко к рабочей поверхности 13 и 14 соответственно);

- нагреватель (4 и 5 с тыльной стороны 15 и 16 для пластин 11 и 12 соответственно, преимущественно одинаковые конструктивно).

- аппаратная часть 10 с устройствами управления, измерения, обработки информации, индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных (как в пределах устройства, так и с удаленными устройствами (кабельная, радио- или иная связь).

Нагреватели 4 и 5, преимущественно электрические, первого ЧЭ 2 и второго ЧЭ 3 рассчитаны преимущественно под одинаковую мощность тепловыделения в них (в пределах 20…80 Вт).

В устройстве обработки информации предусмотрена (на иллюстрациях не показана) разностная схема определения, согласно выражению (3), величины

ΔT(t) = T₁(t) - T₂(t).

Устройства индикации и/или регистрации сигналов выполнены с возможностью независимых прямых индикации и регистрации величины ΔT(t), а также, при необходимости, передачи удаленному пользователю (например, диспетчеру или дежурному), посредством устройства передачи данных.

В обеспечение равнозначных условий атмосферного воздействия на рабочие поверхности 13 и 14, первого и второго ЧЭ (2 и 3), во-первых, лежат в одной плоскости и на стрелочном переводе железнодорожных путей, например, подлежат установке с горизонтальной ориентацией в пространстве и, во-вторых, удалены друг от друга (зазор воздушный или слой иной теплоизоляции 17) на минимальное расстояние L (в пределах 4…10 мм).

Устройство управления выполнено с возможностью включения второго нагревателя 5 с задержкой времени Δt (см. фиг. 1) после включения первого 4.

Для этого в устройстве (точнее, в аппаратной его части 10, которая в принципе может быть размещена как отдельно от датчика 1, так и вместе с ним - скомпонована в едином корпусе с датчиком 1) предусмотрено устройство независимого включения/выключения подачи электропитания на нагреватели 4 и 5 на базе известных электронных средств. Для очевидности иллюстративного материала на фиг. 2 приведена условная электрическая аналогия - нормально-разомкнутые контакты 8, 9).

Рекомендуется интервал задержки Δt включения нагревателя 5 второго ЧЭ 3 задавать величиной, меньшей продолжительности фазового перехода минимально значимого количества льда или снега на рабочей поверхности 14 первого чувствительного элемента 2, но большей интервала, при котором разностный сигнал является величиной того же порядка, что и сигнал помехи измерения. Практически величина Δt составляет, как правило, несколько секунд.

В аппаратной части 10 такого термоэлектрического датчика 1 (или комплекса «датчик 1 плюс аппаратная часть 10) дополнительно предусмотрен (см. фиг. 2) канал определения, индикации и регистрации толщины h обледенения рабочей поверхности 13+14 датчика 1 по формуле (4) заявляемого способа, включающий в себя измеритель 18 мощности W нагревателей 4+5 датчика 1 и измеритель 19 продолжительности нулевого участка Δt_ф (см. фиг. 1) фазового превращения (перехода) по условию ΔT(t)=0, выходы которых соединены с входом умножителя 20 указанных входных сигналов (см. фиг. 2), с алгоритмом (4) заявляемого способа, с возможностью определения, индикации и регистрации величины h на выходе.

Работа (функционирование) заявляемого устройства, в соответствии с его назначением как средства реализации заявляемого способа, соответствует этому способу и представляет собой изложенную выше по тексту последовательность операций (с указанием введенных позиций для составных элементов устройства).

Возможность технологической/промышленной реализации заявляемой группы изобретений, а также работоспособность и эффективность (в соответствии с техническими требованиями) подтверждена Заявителем путем изготовления и успешных лабораторно-отработочных испытаний в климатических условиях, аналогичных заданным эксплуатационным (см. фото/фиг. 4). Все комплектующие и материалы для изготовления образца ЛОИ освоены промышленностью и находятся в свободном доступе. В частности, в качестве электронагревателей использованы транзисторы КТ818Б. Электронные и электрические компоненты аппаратной части 10 также известны и широко применяются в промышленности и НИОКР.

При испытаниях образца ЛОИ (см. фиг. 4), были получены эмпирические данные:

- графики нагрева (см. фиг. 5) обледенелого датчика 1 с фазовым переходом (плавлением льда), с демонстрацией практического обнуления разности температуры первой и второй пластин 11 и 12 на перекрытии «площадок фазового перехода»;

- графики нагрева (см. фиг. 6) «чистого» датчика 1, для сравнения с графиками фиг. 6 и визуализации при этом технического результата.

Измеренные посредством экспериментального образца устройства толщины h обледенения достаточно точно совпали с измеренными (априорно известными) величинами h_{эксперимент} непосредственно на пластинах 11 и 12 датчика 1.

Для экономии времени на поверхность пластин помещались, с целью имитации их обледенения, заранее заготовленные кусочки льда. При включении нагревателей лед начинал плавиться только в точках контакта с поверхностью пластин, этим моментам соответствуют максимумы на кривых (см. фиг. 5). При дальнейшем расплавлении лед опускался на пластины, приходя с ними в полный контакт. При этом теплоотдача пластин увеличивалась, их температура падала, а затем стабилизировалась до момента полного расплавления льда.

Таким образом, использование заявляемой группы изобретений (способа и устройства) позволяет достичь технического результата в соответствии с решаемой проблемой, а именно - повышения достоверности оценки ситуации с обледенением в районе установки датчика, с получением информации не только о качественной, но и количественной оценке обледенения - толщине обледенения.

Группа изобретений относится к способу и устройству для обнаружения осадков в виде льда или снега на контролируемой поверхности и может быть использована на транспорте (железнодорожном, авиационном и др.), на объектах строительства и промышленности (включая электроэнергетику). Устройство определения толщины льда на рабочей поверхности датчика обледенения содержит датчик (1) с конструктивно одинаковыми, разнесенными на минимальное расстояние, изолированными друг от друга (перемычка L) первым и вторым чувствительными элементами (ЧЭ 2 и ЧЭ 3) и одинаково, горизонтально ориентированными в пространстве, в составе каждого из которых имеются теплопроводная пластина (11 и 12) с внешней рабочей поверхностью площадью S для атмосферного воздействия, встроенный датчик температуры пластины T₁, Т₂, нагреватель (4, 5) с тыльной ее стороны (15, 16), а также аппаратную часть (10) с устройствами управления, измерения, обработки информации, индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных. В устройстве обработки информации предусмотрена разностная схема определения величины ΔT(t) = T₁(t) - Т₂(t). Устройство управления выполнено с возможностью включения второго нагревателя (5) с задержкой времени Δt после включения первого нагревателя (4), а устройства индикации и/или регистрации сигналов выполнены с возможностью независимых прямых индикации и регистрации величины ΔT(t). В аппаратной части (10) устройства дополнительно предусмотрен канал определения, индикации и регистрации толщины h обледенения рабочей поверхности датчика, включающий в себя измеритель мощности W нагревателей датчика и измеритель продолжительности нулевого участка фазового превращения (перехода) по условию ΔT(t) = 0, выходы которых соединены с входом умножителя с алгоритмом определения толщины h обледенения, с возможностью определения, индикации и регистрации величины h на выходе. Другое изобретение группы касается способа определения толщины льда на рабочей поверхности датчика обледенения. В результате расширяются технико-эксплуатационные характеристики способа и устройства определения толщины льда за счет дополнительной возможности оперативной количественной оценки толщины обледенения. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения толщины льда на рабочей поверхности датчика обледенения, включающий в себя следующие операции:

- на контролируемой поверхности устанавливают датчик, имеющий два одинаковых чувствительных элемента, разнесенных на минимальное расстояние и снабженных каждый теплопроводной пластиной с внешней рабочей поверхностью площадью S для воздействия на нее окружающей среды, встроенным датчиком температуры пластины и нагревателем на тыльной ее поверхности;

- датчик подключают к аппаратной части с устройствами управления, измерения, обработки информации, индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, входящей, наряду с датчиком, в состав устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, по крайней мере с возможностью предположительного обнаружения льда или снега локально в зоне расположения датчика;

- определяют начальную температуру T₁₀ рабочей поверхности пластины первого чувствительного элемента;

- если T₁₀ ≤ 0°С, то включают нагреватель первого чувствительного элемента;

- отслеживают во времени, посредством устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, изменение температуры рабочей поверхности первого чувствительного элемента

где T₁ - температура рабочей поверхности пластины первого элемента; f₁ - функция, соответствующая эмпирической зависимости (1); t - текущее время с момента включения первого нагревателя до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» - 0°С;

- через заданный интервал задержки Δt после включения нагревателя первого чувствительного элемента включают нагреватель второго чувствительного элемента, что определяет асинхронность включения нагревателей;

- отслеживают во времени, посредством датчика и аппаратной части, изменение температуры рабочей поверхности второго элемента

где T₂ - температура рабочей поверхности пластины данного элемента; f₂ - функция, соответствующая эмпирической зависимости (2),

до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» - 0°С;

- определяют, регистрируют, индицируют и/или регистрируют и передают, посредством аппаратной части устройства, значения разности

обеспечивая тем самым, совместно с упомянутой асинхронностью включения нагревателей, аннулирование вкладов полезных сигналов, обусловленных плавлением льда или снега, и обнуление величины (3) вкладов вредных сигналов, обусловленных воздействием воздушных потоков;

- делают заключение о качественной характеристике обледенения рабочих поверхностей пластин - наличии или отсутствии льда на них по установленному критерию: о наличии свидетельствует только практическое обнуление величины (3):

ΔT(t) = 0, являющейся нулевой площадкой фазового превращения (перехода), отличающийся тем, что дополнительно определяют количественно толщину обледенения рабочих поверхностей пластин по формуле (4):

где h - толщина обледенения рабочих поверхностей пластин;

W - суммарная мощность нагревателей;

Δt_ф - показание продолжительности нулевого участка фазового превращения (перехода);

Δt - интервал задержки включения второго нагревателя относительно первого;

S - площадь рабочей поверхности каждой пластины;

ρ - плотность льда;

λ - удельная теплота плавления льда,

увеличивая при этом показание продолжительности Δt_ф на величину интервала Δt.

2. Устройство определения толщины льда на рабочей поверхности датчика обледенения, содержащее датчик с конструктивно одинаковыми, разнесенными на минимальное расстояние, изолированными друг от друга первым и вторым чувствительными элементами и одинаково, горизонтально ориентированными в пространстве, в составе каждого из которых имеются теплопроводная пластина с внешней рабочей поверхностью площадью S для атмосферного воздействия, встроенный датчик температуры пластины T₁, Т₂, нагреватель с тыльной ее стороны, а также аппаратную часть с устройствами управления, измерения, обработки информации, индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, при этом в устройстве обработки информации предусмотрена разностная схема определения, согласно выражению (3), величины ΔT(t) = T₁(t) - T₂(t), при этом устройство управления выполнено с возможностью включения второго нагревателя с задержкой времени после включения первого, а устройства индикации и/или регистрации сигналов выполнены с возможностью независимых прямых индикации и регистрации величины ΔT(t), отличающееся тем, что в его аппаратной части дополнительно предусмотрен канал определения, индикации и регистрации толщины h обледенения рабочей поверхности датчика по формуле (4) способа по п. 1, включающий в себя измеритель мощности W нагревателей датчика и измеритель продолжительности нулевого участка фазового превращения (перехода) по условию ΔT(t) = 0, выходы которых соединены с входом умножителя указанных входных сигналов, с алгоритмом (4) способа по п. 1, с возможностью определения, индикации и регистрации величины h на выходе.