СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ПРОБЫ ВОДНО-СОЛЕВЫХ РАСТВОРОВ С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ОБЛЕДЕНЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01K17/06 B64D15/20 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к области температурометрии и теплометрии и может быть использовано в работе датчиков обледенения, используемых для определения состояний, например, дорожного покрытия, взлетно-посадочных полос и др., особенно в условиях применения антиобледенительных средств на основе воды и водно-солевых растворов.

Уровень техники

В настоящее время для обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению применяются термоэлектрические датчики обледенения, в основе работы которых лежит фиксация момента и характеристик фазового перехода вода-лед и лед-вода. При этом могут определяться и количественно оцениваться такие характеристики, как температура обледенения (температура кристаллизации льда) и интенсивность обледенения (количество льда). Интенсивность обледенения и предрасположенность к обледенению определяется по объему пробы в измерительной кювете датчика и/или по толщине слоя пробы на чувствительной поверхности датчика при известной ее площади. Если проба уже находится в виде льда, это интенсивность обледенения, а если проба – это жидкость вблизи температуры кристаллизации, это предрасположенность к обледенению.

В дорожном хозяйстве применяются водно-солевые антиобледенительные составы. Для их эффективного использования необходим контроль температуры обледенения и количества жидкого компонента, примененного на дорожном покрытии.

В таких датчиках обледенения используется элемент Пельтье (термоэлектрический модуль), с помощью которого осуществляется циклическое охлаждение и нагрев испытуемой пробы в температурном диапазоне вблизи температуры кристаллизации.

Фиксация фазового перехода кристаллизации или плавления водных растворов основана на физической закономерности этого явления как фазового перехода первого рода. При таком фазовом переходе выделяется значительное количества тепла, а температура на период фазового перехода остается постоянной. Характер изменения во времени температуры и состояния испытуемой пробы (например, тепловыделения) позволяет определить как температуру, так и характеристику интенсивности обледенения.

Из уровня техники известен способ измерения (D.I.Katz, Frensor: A New Smart Pavement Sensor, Transportation Research Record #1387, pp. 147-150, 1993, ISBN 0309054583 [1]), в котором датчик обледенения состоит из элемента Пельтье и термодатчика, расположенного под охлаждаемой поверхностью элемента Пельтье. При охлаждении пробы воды по известной физической закономерности сначала имеет место заметное переохлаждение жидкости (вода или водные растворы) и только после этого происходит спонтанный фазовый переход кристаллизации с выделением значительного количества тепла и повышение температуры в пробе до температуры, которая трактуется как искомая температуры фазового перехода.

Способ определения с помощью такого датчика заключается в последовательной фиксации сначала резкого изменения температуры после переохлаждения (первая точка) и максимальной температуры после этого (вторая точка), которая идентифицируется как температура кристаллизации.

Данный способ и устройство, реализующее его, обладают недостатками. Прежде всего, в них интенсивность кристаллизации определяется косвенно, не количественно, по длительности во времени фазы кристаллизации, фиксируемой по измерению температуры.

Из уровня техники известен термоэлектрический датчик обледенения (см. RU2534493, кл. B64D15/20, публ. 27.11.2014г. [2]), который содержит термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье, выполняющего функцию теплового насоса, и датчик температур, установленный на внешней чувствительной поверхности.

В зависимости от температуры окружающей среды и ее близости к температуре замерзания элемент Пельтье по заданному алгоритму нагревает или охлаждает чувствительную поверхность. Температурный датчик отслеживает изменение температуры. В случае наличия на поверхности условий для образования льда температура чувствительной поверхности на период фазового перехода вода-лед стабилизируется, и выделяется скрытая теплота льдообразования. Датчик фиксирует указанную температуру, она считается искомой температурой фазового перехода. А интенсивность льдообразования оценивается по величине мощности питания элемента Пельтье в этот период, так как это коррелирует напрямую с выделяемой или поглощаемой теплотой фазового перехода.

Недостатком данного известного устройства является то, что оценка интенсивности льдообразования приблизительная. Энергопотребление элемента Пельтье существенно зависит от условий эксплуатации (температура окружающей среды, теплообмен со средой) и от состояния работоспособности самого модуля Пельтье. Поэтому однозначной корреляции с количеством пробы нет.

Наиболее близкий к заявленному способ определения количественных характеристик обледенения — это известный способ определения температуры фазового перехода и объема пробы жидкости с помощью термоэлектрического датчика обледенения согласно RU 2779247 С1 (кл. B64D15/20, публ. 05.09.2022 г. [3]).

Известный способ реализуется с помощью термоэлектрического датчика обледенения. Встроенный в такой датчик термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье, обеспечивает режим циклического нагрева–охлаждения внешней чувствительной поверхности кюветы с образцом пробы воды или водно-солевого раствора. Датчик обледенения также может содержать встроенный датчик теплового потока для измерения интенсивности обледенения – количества жидкости в пробе.

В фазе охлаждения, обеспечиваемой элементом Пельтье, если в кювете присутствует проба жидкости (вода или раствор), то кристаллизация фиксируется по резкому изменению температуры, измеряемой термодатчиком, и резкому скачку сигнала измеряемого датчиком теплового потока. При этом температура фазового перехода определяется в максимуме скачка температуры в фазе охлаждения. Также температура кристаллизации определяется в фазе нагрева по характерному перелому температурной временной кривой.

Объем пробы определяется по интегралу тепла, выделившегося в фазе охлаждения от начала кристаллизации до возвращения фиксируемого тепловыделения к значению, предшествующему началу кристаллизации. Измеренное количество выделившегося тепла кристаллизации пересчитывается в объём пробы по известной величине удельной теплоты кристаллизации воды.

Известный способ применим, в первую очередь, для определения температуры кристаллизации и объема пробы в случае чистой воды. Однако здесь есть недостатки, связанные с тем, что определение момента возвращения тепловыделения к начальному уровню (до наступления кристаллизации) еще не означает полной кристаллизации пробы. Поэтому результат измерения может иметь значительную ошибку, особенно сильно она будет проявляться при больших количествах испытуемой пробы.

В случае водно-солевых растворов данный способ (и все указанные выше аналоги в целом) имеет еще более существенный недостаток, связанный с тем, что водно-солевые растворы являются двукомпонентными составами (вода и соль). Фазовое превращение необходимо рассматривать в контексте двухкомпонентной фазовой диаграммы вводно-солевого раствора (температура-концентрация), в отличие от чистой воды. Большинство практически значимых водно-солевых растворов солей, как-то NaCl, CaCl₂ и др., имеют вид эвтектической фазовой диаграммы, характеризуемой эвтектическим составом раствора с минимальной температурой кристаллизации. В эту точку ведет линия ликвидуса.

Переохлаждённый двухкомпонентный водно-солевой раствор претерпевает несколько этапов кристаллизации. Сначала переохлажденная проба начинает кристаллизацию с выделением тепла за счет кристаллизации воды с одновременным насыщением оставшегося раствора солью и ростом температуры (рис. 1). Это первый этап. Температура не может превысить значение температуры, лежащее на линии ликвидуса в точке, соответствующей максимальному увеличению температуры пробы за счет выделившегося тепла кристаллизации. Далее кристаллизация воды из раствора продолжится, но уже со снижением температуры. Это второй этап кристаллизации. Тогда также постепенно кристаллизуется водная фракция раствора в лед, а концентрация соли оставшегося раствора будет далее увеличиваться соответственно ходу линии ликвидуса фазовой диаграммы. И только достигнув температуры эвтектического раствора, закристаллизуется оставшаяся в жидком состоянии часть пробы с уже максимальной эвтектической концентрацией. Это третий этап кристаллизации.

Такой длительный трехэтапный процесс хорошо иллюстрируется кривой тепловыделения во времени (рис. 2) при охлаждении пробы водно-солевого раствора.

Поэтому принципиальным недостатком известного способа [3] является то, что измеренное в нем количество тепла трактуется как тепло кристаллизации всей пробы. По нему рассчитывается масса m, трактуемая как масса (и через плотность – объем v) всей пробы. Однако для водно-солевого раствора при кристаллизации вплоть до достижения температуры эвтектического раствора проба будет состоять из двух фаз - закристаллизовавшегося льда и обогащенного солевого раствора, т.е. не вся проба закристаллизовалась, если температура не понизилась до и ниже температуры Tэ эвтектического состава раствора. А кроме того, заранее состав раствора (какая соль присутствует) неизвестен, и неизвестна эта низшая температура. Измеренные известным способом значения m и v нельзя трактовать соответственно как полную массу M и объем V пробы. Расхождение значительное – в разы для водно-солевых растворов, а зависимости от исходной концентрации.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание способа работы термоэлектрического датчика обледенения с целью получения точных, достоверных количественных характеристик льдообразования воды и водно-солевых.

Техническим результатом предлагаемого изобретения, который объективно проявляется при его осуществлении, является повышение точности измерений.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет следующего.

Элемент Пельтье термоэлектрического датчика обледенения обеспечивает цикл нагрева и охлаждения пробы раствора. Сначала следует фаза нагрева до температуры заметно выше температуры кристаллизации, например +15°С. Это позволяет растопить пробу, если изначально это был уже лед. Далее с постоянной скоростью проба охлаждается до достижения нижнего предела, который заведомо значительно ниже температуры кристаллизации.

Факт начала кристаллизации при наличии пробы воды или водно-солевого раствора фиксируется датчиком обледенения по резкому изменению температуры (встроенным термодатчиком) от локального минимума температуры Tс (это температура переохлаждения) и резкому скачку сигнала встроенного датчика теплового потока.

Интенсивность льдообразования (количество льда, воды) определяется по результату измерения датчика теплового потока. Используется измеренный датчиком теплового потока интеграл прошедшего тепла с момента начала охлаждения до момента начала кристаллизации от переохлажденного состояния. Величина, получающаяся делением этого тепла на разницу начальной и конечной температуры охлаждения, является эффективной теплоемкостью кюветы (с пробой или без), и по величине заранее измеренной теплоёмкости сухой кюветы без пробы определяется константа кюветы датчика.

Разница между измеренной теплоемкостью кюветы с пробой и без нее есть теплоемкость самой пробы. Отсюда с хорошей точностью можно определить массу и объем пробы, разделив измеренную таким образом теплоемкость на удельную теплоемкость и, соответственно, далее – на удельную плотность. Можно использовать соответствующие известные параметры воды.

Если же термоэлектрический датчик обледенения одновременно измеряет температуру кристаллизации пробы (воды или водно-солевого раствора), то по измеренной температуре кристаллизации определяется концентрация соли и отсюда – ее фактическая удельная теплоемкость и плотность, отличные от соответствующих характеристик чистой воды. Тогда с большей точностью определяется масса и объем пробы.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1а представлено изображение фазовой диаграммы водно-солевого раствора на примере NaCl и типичные изменения температуры T и концентрации X по времени при кристаллизации с переохлаждением. Отмечены: точка температуры Tf0 кристаллизации раствора начальной концентрации Xf0, точка температуры Tc переохлаждения и точка (Td, Xd) на линии ликвидуса, до которой поднимется температура, фиксируемая датчиком, а также конечная точка (Tfin, Xfin) на линии ликвидуса, соответствующая температуре окончания цикла измерения, точка (Tэ, Xэ) эвтектического раствора.

На фиг. 1б представлен типичный временной ход тепловыделения пробы при охлаждении от начала кристаллизации с момента предельного переохлаждения (Тс) сначала с подъемом температуры до значения Td, далее охлаждение до полной кристаллизации пробы при достижении температуры Тэ эвтектического раствора. Измерения обычно прекращаются ранее, при температуре Tfin.

На фиг 2 приведен пример реализации способа при начальной температуре Ta окружающей среды Ta=0°С. Концентрация Х0 соли NaCl в пробе и температура Tf0 кристаллизации пробы составляют соответственно 3,34 вес.% и -2°С. Объем пробы 50 мкл. Показаны изменение температуры Ti и величины теплового потока q), измеряемых с шагом i по времени. Отмечены характерные моменты: i=0 – начало эксперимента от температуры окружающей среды T=Ta; i=n1 – стабилизация начальной температуры Tn0=T0, начало фазы охлаждения; i=n2 – предельное переохлаждение пробы воды до Tn1=Tc; i=n3 – точка локального максимума температуры Tn2=Td; i=n3 – окончание измерения кристаллизации; i=n4, точка окончания Tn4=Tfin.

Осуществление изобретения

Осуществляется предлагаемый способ измерения термоэлектрического датчика обледенения следующим образом (фиг. 2).

В начале цикла измерения с помощью регулирования модулем Пельтье температура пробы поднимается от начальной температуры окружающей среды Ta на фиксированное значение T0, например на 15°С, и стабилизируется на короткое время. Эта температуры заметно выше температуры кристаллизации водно-солевого раствора, которая, как правило, ниже 0°С. Время выдержки позволяет растопить пробу в виде льда, если изначально это был лед (например, при низких температурах окружающей среды).

Далее с постоянный скоростью проба охлаждается модулем Пельтье в сторону нижнего предела – температуры Tc, которая заведомо значительно ниже температуры кристаллизации. При этом датчиком теплового потока измеряется накопленное тепловыделение в процессе охлаждения от T0 до Tc.

Если в кювете нет пробы, то предельная температура Tc будет достигнута без событий фазового перехода, и измерение заканчивается.

Такое измерение сухой кюветы намеренно делается для калибровки и определения константы датчика - характеристики теплоемкости сухой кюветы C_S0, которая далее будет использоваться при последующих измерениях, а именно:

(1) (2)

где Δt – временной шаг измерения величины теплового потока; q₀ – тепловой поток в начале фазы охлаждения измерительного цикла; qi – тепловой потока на i-том шаге измерения от начала кристаллизации (i=1 – начало кристаллизации), n – последний шаг измерения – при достижении Тс; C_S – теплоемкость кюветы (для сухой кюветы - C_S0); T0 – начальная температура суммирования измеренного тепла.

Так как при калибровке кювета заведомо пустая (сухая), измеренная теплоемкость является константой датчика и используется для последующих измерений:

(3)

Если в кювете есть проба жидкости (вода или водно-солевой раствор), то факт начала кристаллизации фиксируется по обоим измерительным каналам – по резкому изменению температуры от переохлажденного состояния Тс, измеряемой термодатчиком, и резкому скачку сигнала измеряемого датчиком теплового потока от выделяющегося тепла кристаллизации.

При этом измеренная теплоёмкость кюветы с пробой по формулам (1) и (2) будет уже теплоемкостью кюветы с пробой C_S.

Температура Td после начала кристаллизации, которая определяется в точке максимума скачка, используется далее для расчета температуры Tf кристаллизации исходного раствора.

Интенсивность льдообразования (количество пробы) определяется по разнице теплоемкостей, измеренной с пробой и константой датчика – теплоемкости сухой кюветы.

Приблизительно количество пробы (масса и объем) определяется при известных теплоемкости и плотности воды как

(4) (5)

А если датчик обледенения измерил температуру Tf кристаллизации пробы, то по этой температуре можно рассчитать концентрацию X соли в растворе, далее – его плотность при установленной концентрации и удельную теплоемкость . Тогда по формулам (4) и (5) определяется более точное значение количество пробы (масса и объем) с использованием установленной таким образом плотности и удельной теплоёмкости раствора. В формулах (4) и (5) тогда вместо и используются соответственно и .

Примеры реализации

Изготовлен экспериментальный датчик обледенения по описанию RU209777 (кл. G08B/ 19/02, публ. 23.03.2022 г. [4]), состоящий из термоэлектрического модуля (элемента Пельтье), при этом термоэлектрический датчик снабжен соединенным нижней частью с элементом Пельтье термоэлектрическим датчиком теплового потока, противоположная верхняя часть которого образует внешнюю чувствительную к образованию льда поверхность и снабжена датчиком температуры.

Проведены измерения при двух температурах окружающей среды Ta: +0°С и -15°С с использованием водно-солевых растворов NaCl с тремя заданными температурами Tf0 кристаллизации: -2°С, -5°С и -8°С, а также пробы чистой воды (Tf0=0°С).

Указанные пробы водно-солевых растворов с заданной температурой кристаллизации готовились по известной зависимости между температурой кристаллизации и концентрацией данной соли NaCl (соответственно 3,34 вес.%, 7,88 вес.% и 11,75 вес.%).

При каждой температуре Ta и для раствора с заданной температурой Tf0 кристаллизации измерения проводились с разным количеством объёма V0 пробы, задаваемого прецизионно в диапазоне 10–50 мкл (задано три объема V0: 10, 30 и 50 мкл).

Например, при температуре окружающей среды Ta=+0°С в измерительную кювету датчика обледенения помещалась точно измеренная капля водно-солевого раствора с заданной температурой кристаллизации Tf=-2°С (концентрация соли NaCl 3,34 вес.%) и объемом V0=50 мкл.

При этом масса пробы также известна по известной зависимости плотности водно-солевого раствора (в данном случае NaCl) от концентрации соли.

Пояснение конкретного примера цикла измерений приведено на фиг. 2.

Управляя термоэлектрическим охладителем (элемента Пельтье), температура пробы воды в кювете, измеренная датчиком температуры, выводится от начальной окружающей Ta=+0°С на температуру T0=+15°С. Это предварительная фаза стабилизации начальной температуры T0. В данном случае элемент Пельтье работает нагревателем (от Ta=+0°С до T0=+15°С).

При этом показания датчика температуры Ti и датчика теплового потока qi фиксируются через равные промежутки времени Δt=0,14 с, где Ti, qi – показания соответственно температуры и теплового потока в i-тый интервал времени (i=0…N, где 0 – начало измерений, N – окончание измерений).

Таким образом, накапливается массив данных Ti и qi для i=0…N.

После того как температура стабилизируется на значении T0=+15°С, управляя термоэлектрическим охладителем задается постепенное равномерное снижение температуры.

Показания датчика теплового потока перед началом снижения температуры запоминается отдельно как qn0, как и соответствующий номер временного интервала i=n0.

При достижении предельной температуры Tc переохлаждения жидкости, которая заранее неизвестна (заметно ниже +0°С), начинается спонтанная кристаллизация.

Данный момент фиксируется по резкому изменению температуры в сторону возрастания. Значение температуры Tn1 запоминается, как и номер i=n1. Это температура переохлаждения Tn1=Tc.

В показаниях датчика теплового потока тоже отмечается изменение (резкое возрастание) сигнала, связанное с выделением теплоты кристаллизации (фиг. 2). При этом значение теплового потока перед этим изменением запоминается отдельно как qn1 во временном интервале i=n1.

Температура увеличивается и достигает локального максимума, который также запоминается как Tn2 (для i=n2). Температура Tn2 — это температура Td на линии ликвидуса фазовой диаграммы. Она коррелирует с температурой Tf кристаллизации исходного раствора.

Кристаллизация пробы воды в кювете продолжается некоторое время с длительностью, которая зависит от количества пробы. При этом наблюдается постепенное снижение измеряемой температуры Ti и величины теплового потока qi.

Отслеживают по датчику теплового потока момент i=n3, когда величина теплового потока qn3 сравняется или станет меньше значения теплового потока в точке i=n1, т.е. когда qn3 ≤ qn1.

Запоминают номер этого временного интервала i=n3 и соответствующую ему температуру Tn3. Это окончание цикла измерений, где Tn3 – температура окончания цикла измерений Tfin.

Во всем интервале времени i=n1…n3 запоминают все значения показаний датчика теплового потока qi=qn1…qn3.

После окончания цикла измерений (i=n3) проводится математическая обработка измеренных и запомненных массивов данных, а именно, выполняются следующие вычисления.

1. Расчет теплоты кристаллизации пробы, ее массы и объема.

По массиву значений теплового потока в интервале qi=qn1 до qi=qn2 (от i=n1 до i=n2) находится суммарное количество теплоты, связанное с изменением температуры кюветы с пробой от начала охлаждения то момента начала кристаллизации, как

(6)

Далее находится теплоемкость кюветы с образцом, используя измеренные значения начальной и конечной температур охлаждения (соответственно и )

(7)

Известна теплоемкость пустой кюветы по ранее проведенному аналогичному измерению (калибровке сухой кюветы) в отсутствии пробы. Тогда теплоемкость измеряемой пробы будет:

(8)

По известной величине удельной теплоемкости воды =4.2 Дж/г находится масса пробы. А именно:

(9)

А по известной удельной плотности воды =1 г/мл, находим объем пробы:

(10)

2. Уточнение массы и объема пробы.

Так как термоэлектрический датчик обледенения одновременно может измерять температуру Tf кристаллизации пробы раствора, то по установленной температуре Tf и известным справочным значениям определяется концентрация X соли в пробе, а также из справочных данных устанавливается реальная теплоемкость раствора и его плотность .

Отсюда по формулам (9) и (10), начиная от полученной теплоемкости пробы, рассчитывается ее масса и объем. В формулах (9) и (10) вместо и используются установленные значения соответственно и .

Заносят все измеренные и рассчитанные результаты эксперимента с пробой раствора 50 мкл при Т0=+0°С в таблицу 1.

Повторяют измерения для обоих значений начальной температуры для проб других концентраций (температур кристаллизации) и объемов и заносят результаты также в указанную таблицу 1.

В результате получают полностью заполненную таблицу 1.

Таблица 1. Результаты измерений

а) Температуры окружающей среды Ta=+0°С

Tf °C 0 0 0 -2 -2 -2 -5 -5 -5 -8 -8 -8 Vo мкл 10 30 50 10 30 50 10 30 50 10 30 50 Ta °C 0,5 0,7 0,7 1,1 1,0 0,9 1,0 1,3 1,2 1,1 0,8 0,5 Tc °C -7,2 -8,5 -9,0 -9,1 -8,0 -6,3 -14,9 -10,9 -10,2 -15,0 -15,5 -14,3 Td °C -0,2 0,1 0,1 -3,6 2,0 -3,1 -8,3 -7,2 -7,4 -12,3 -11,5 -11,8 Tfin °C -1,0 -1,1 -1,2 -6,1 -4,8 -4,1 -12,4 -9,1 -6,5 -14,7 -13,6 -11,0 Tf' °C -0,1 0,0 0,0 -2,4 1,3 -2,0 -5,5 -4,8 -5,0 -8,2 -7,7 -7,8 Xf' % 0,0% 0,0% 0,0% 3,3% 3,3% 3,3% 7,9% 7,9% 7,9% 11,9% 11,9% 11,9% ρ г/см3 1,00 1,00 1,00 1,03 1,03 1,03 1,06 1,06 1,06 1,09 1,09 1,09 Cs мДж/°C 219 304 383 219 310 390 223 310 394 220 306 393 q Дж/г °C 4,10 4,10 4,10 3,98 3,98 3,98 3,82 3,82 3,82 3,68 3,68 3,68 Q мдЖ 1 891 8 524 12 326 920 4 980 7 035 1 046 3 541 3 926 1 093 2 420 2 352 m мг 9,7 32,3 46,0 4,7 17,9 23,7 4,8 12,3 16,1 3,5 9,0 10,9 v мкл 9,7 32,3 46,0 4,6 17,4 23,2 4,6 11,6 15,2 3,2 8,3 10,0 M мг 10,1 30,3 49,1 10,1 31,9 50,9 11,0 31,8 51,9 10,4 30,9 51,6 V мкл 10,1 30,3 49,1 10,1 31,9 50,9 11,0 31,8 51,9 10,4 30,9 51,6 M' мг 10,4 31,1 50,3 10,6 33,6 53,8 12,1 35,0 57,1 11,9 35,3 58,9 V' мкл 10,4 31,1 50,3 10,4 32,8 52,4 11,4 33,0 53,9 10,9 32,3 54,0 dV % 1,1% 1,0% -1,8% 0,6% 6,2% 1,9% 9,8% 6,1% 3,8% 3,9% 2,9% 3,1%

б) Температуры окружающей среды Ta=-15°С

Tf °C 0 0 0 -2 -2 -2 -5 -5 -5 -8 -8 -8 Vo мкл 10 30 50 10 30 50 10 30 50 10 30 50 Ta °C -14,8 -14,8 -15,2 -14,8 -15,2 -15,0 -14,8 -14,8 -15,4 -15,3 -15,2 -14,6 Tc °C -10,1 -4,3 -4,9 -9,4 -6,7 -5,8 -15,4 -10,6 -8,9 -17,5 -14,5 -13,4 Td °C -0,8 0,1 0,1 -4,0 -3,2 -3,3 -10,6 -7,5 -7,3 -13,4 -11,6 -11,5 Tfin °C -5,8 -2,7 -2,9 -7,1 -6,0 -4,0 -14,7 -9,6 -7,5 -16,8 -13,1 -11,4 Tf' °C -0,3 0,0 0,0 -2,3 -2,2 -2,2 -5,5 -5,0 -4,9 -8,4 -7,8 -7,7 Xf' % 0,4% -0,1% -0,1% 3,9% 3,6% 3,6% 8,6% 7,9% 7,7% 12,4% 11,6% 11,5% ρх г/см3 1,00 1,00 1,00 1,03 1,03 1,03 1,06 1,06 1,06 1,09 1,09 1,09 Cs мДж/°C 223 312 403 221 306 388 221 313 372 217 310 382 q Дж/г °C 4,08 4,10 4,10 3,96 3,97 3,97 3,80 3,82 3,83 3,66 3,69 3,69 Q мдЖ 2 476 8 902 15 415 1 900 6 413 6 522 1 793 4 657 4 737 1 450 3 457 4 315 m мг 10,3 28,3 48,8 7,2 19,9 21,6 5,9 14,9 15,8 4,8 11,7 15,2 v мкл 10,3 28,3 48,8 7,0 19,4 21,1 5,5 14,1 14,9 4,4 10,8 14,0 M мг 11,0 32,3 54,0 10,6 30,8 50,4 10,6 32,5 46,5 9,7 31,7 49,0 V мкл 11,0 32,3 54,0 10,6 30,8 50,4 10,6 32,5 46,5 9,7 31,7 49,0 M' мг 11,3 33,1 55,3 11,2 32,6 53,3 11,8 35,8 51,1 11,2 36,1 55,7 V' мкл 11,3 33,1 55,3 10,9 31,7 51,9 11,0 33,8 48,3 10,2 33,2 51,3 dV % 10,0% 7,8% 8,0% 5,9% 2,7% 0,7% 6,3% 8,4% -7,0% -2,6% 5,7% -2,0%

Обозначения в таблице 1:

V0, Tf0 – заданные соответственно объем и температура кристаллизации пробы водно-солевого раствора; Ta, Tc, Td, Tfin – измеренные термодатчиком температуры соответственно окружающей среды, переохлаждения, максимума в процессе кристаллизации и окончания измерения; Tf – измеренная температура кристаллизации; Xf – рассчитанная величина концентрации раствора при температуре Tf; ρх – плотность раствора соли с концентрацией Xf; Q – измеренная датчиком теплота кристаллизации; m, v – соответственно масса и объем, измеренные по известному способу [3]; M, V – соответственно масса и объем пробы без поправок на свойства раствора; M’, V’ – соответственно масса и объем пробы c поправкой на свойства раствора; dV – точность измерения объема пробы относительно заданных величин Tf0 и V0.

Сопоставление исходных значений заданного объема V0 пробы с результатами измерений V показывает хорошую сходимость в широком диапазоне условий измерений. Измерение объема пробы с точностью не хуже +/-15% полностью укладывается в требования, предъявляемые к таким датчикам обледенения – датчикам дорожной обстановки, согласно отраслевым стандартам (например, Standard DIN EN 15518 Winter maintenance equipment. Road weather information systems, 2011 [4])

В то же время, значения объема v пробы, которые измеряются по известному способу-прототипу [3], существенно отличаются от исходных характеристик пробы в силу ранее данных пояснений. Только на пробах чистой воды способ-прототип дает сходные результаты измерений. В случае водно-солевых растворов имеются значительные расхождения: измеряемый объем, являясь, по сути, только частью закристаллизовавшейся пробы, естественно, заметно отличается от заданного объёма, порой в разы в зависимости от исходной концентрации раствора.

Таким образом, предложенный способ измерения термоэлектрического датчика обледенения решает задачу таких датчиков применительно к измерениям водно-солевых растворов в широком диапазоне, а именно, обеспечивает с высокой точностью количественное определение размера пробы по показаниям датчика теплового потока и обработке результатов по предложенному способу.

Способ измерения интенсивности обледенения (количество пробы льда или воды и соответственно толщина пленки, при известной площади поверхности измерительной кюветы ) с помощью термоэлектрического датчика обледенения, согласно предложенному изобретению, может найти широкое применение в промышленности, а именно в области термометрии и теплометрии термоэлектрических датчиков обледенения особенно для мониторинга состояния дорожных покрытий в условиях применения антиобледенительных средств на основе воды и водно-солевых растворов.

Изобретение относится к области температурометрии и теплометрии и может быть использовано в работе датчиков обледенения используемых для определения состояний, например, дорожного покрытия, взлетно-посадочных полос. Способ определения объема пробы водно-солевых растворов с помощью термоэлектрического датчика обледенения заключается в том, что устанавливают и стабилизируют начальную температуру контактной поверхности посредством регулировки термоэлектрического модуля, охлаждают с постоянной скоростью контактную поверхность посредством регулирования термоэлектрического модуля и одновременно снимают показания датчика температуры и датчика теплового потока. Определяют теплоемкость кюветы с пробой по измерению количества тепла прошедшего через датчик теплового потока в течение охлаждения от температуры начала фазы охлаждения до минимальной температуры перед началом кристаллизации (температуры переохлаждения пробы). Полученный интеграл теплового потока деленый на разницу этих температуры – это теплоемкость кюветы. Вычитая заранее известную теплоемкость сухой кюветы, определяют теплоемкость самой пробы. А по известной удельной теплоемкости и физической плотности воды или пробы водно-солевого раствора определяют массу и объем пробы. Технический результат – повышение точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ определения объема пробы водно-солевого раствора с помощью термоэлектрического датчика обледенения, содержащего термоэлектрический модуль, датчик температуры и термоэлектрический датчик теплового потока, снабженный поверхностью, контактирующей с пробой, при котором интенсивность льдообразования определяют с использованием измерения теплового потока в измерительном цикле в фазе охлаждения пробы, отличающийся тем, что объем пробы определяют делением теплоемкости пробы на удельную теплоемкость пробы и плотность раствора пробы, причем теплоемкость пробы определяют по разности измеренной теплоемкости измерительной кюветы с пробой и заранее измеренной теплоемкости пустой кюветы, а указанную разность определяют как интеграл теплового потока, измеряемого термоэлектрическим датчиком теплового потока за время охлаждения от температуры начала охлаждения до температуры начала кристаллизации, деленный на разницу указанных температуры начала охлаждения и температуры начала кристаллизации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве удельной теплоемкости и плотности используют соответствующие данные для воды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, при измерении температуры кристаллизации и/или концентрации солевого раствора пробы, для определения объема пробы используют удельную теплоёмкость и плотность раствора с установленной таким образом концентрацией соли.