Анализатор снегонакопления
ANALYZER OF SNOW ACCUMULATION

Изобретение относится к области устройств для анализа и безопасности жизнедеятельности и предназначено для инструментального обеспечения мониторинга снегонакопления. Изделие может быть использовано в условиях горной местности для обеспечения безопасных условий жизнедеятельности людей, где метелевый перенос снега участвует в формировании рельефа в виде снежных карнизов, обрушение которых является основной побудительной причиной возникновения снежных лавин.
Известен способ тестирования устойчивости снежного покрова на лавиноопасных склонах путем динамического силового воздействия на снежный пласт, прилегающий к пригребневой зоне хребта с помощью снежных «ядер», изготавливаемых и сбрасываемых с гребня на склон, отличающийся тем, что при осуществлении динамического силового воздействия на снежный пласт, предварительно осуществляют подрезку его по линии наиболее вероятного отрыва от верхней более устойчивой части, затем дополнительно осуществляют динамическое (точечное) воздействие на снежный пласт с помощью снежных «ядер», при этом, если сход лавин при двойном тестировании не произошел, то снежный покров на склоне считают устойчивым (RU 2013105716, A G01N 9/00 (2006.01), опубл. 20.08.2014 г.). Однако в предложенном решении используется технология непосредственного агрессивного воздействия и принудительного досрочного разрушения слоев снежной массы, что приводит к привлечению сложной небезопасной техники и необходимости дополнительных мероприятий по обеспечению текущей безопасности людей на участке исследуемых снежных накоплений.
Существует устройство мониторинга метеообстановки и передачи информации о чрезвычайных ситуациях по спутниковым каналам, которое не производит прямых силовых воздействий на исследуемый снежный объект и выполнено в виде передатчика с двумя интерфейсами, состоящий: из антенны GPS/ГЛОНАСС, к которой подключено навигационное приемное устройство, навигационное приемное устройство также подключено к входу микроконтроллера (RU 146511 U1, G08B 21/10 (2006.01), Н04В 7/00 (2006.01), опубл. 10.10.2014 г.) и имеет ряд специфических параметров для обеспечения передачи сигналов в дистанционном режиме. При этом оно представляет собой лишь систему приема-передачи данных и не является непосредственным устройством анализа физических параметров снежных покровов, скорость накопления которых может иметь опасные характеристики и зависеть от различных физических, в том числе электростатических, характеристик снежных масс.
Существует устройство измерения напряженности электростатического поля (RU 2532599 C1, G01R 19/165 (2006.01), опубл. 10.11.2014 г.), которое относится к области электрических измерений и может быть использовано для измерения и регистрации напряженности электрического поля в широком динамическом диапазоне с повышенной чувствительностью при проведении метеорологических, геофизических, радиофизических исследований, а также для оценки экологического состояния атмосферы и поверхности Земли. При этом предложенное устройство фиксирует показатели электростатической напряженности, не выполняя аналитические функции состояния лавиноопасности снежных масс, и имеет ряд технических сложностей для обеспечения простоты и массовости применения в большом количестве наблюдаемых карнизоопасных участках горных поверхностей, т.к. имеет полностью контактный принцип работы.
Для решения задач дистанционной работы с электрическими характеристиками объектов существует ряд разработок, одна из которых - измерительный модуль для дистанционного измерения тока или напряжения, содержащий источник питания, формирователи тактовых импульсов и импульсов запуска, подключенные к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, аналоговый вход которого предназначен для подключения к датчику измеряемой величины, а цифровой выход подключен к оптическому передатчику, предназначенному для оптоволоконной связи с модулем обработки данных, отличающийся тем, что цифровой выход аналого-цифрового преобразователя подключен к оптическому передатчику через дополнительно введенный широтно-импульсный манипулятор, выполненный с возможностью преобразования двоичных сигналов в импульсы двух неравных длительностей, сумма которых меньше периода тактовых импульсов (RU 146741 U1, G01R 19/25 (2006.01), опубл. 20.10.2014 г.). При этом предложенное устройство не обеспечивает работу с параметрами электростатического поля и имеет достаточно сложное техническое решение, имеющее ограничение по применению в различных заснеженных условиях.
Наиболее близким техническим решением, с точки зрения принципиального подхода к разработке устройства анализа данных о снеге и его опасности является способ дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах (RU 2454651 C1, G01N 3/00 (2006.01), опубл. 27.06.2012 г.), который относится к способам дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах и может быть использовано с целью прогнозирования лавинной опасности, основанный на использовании лазерного дальномера по принципу сравнения измерений расстояния от места установки контрольно-измерительной аппаратуры в долине до контрольных точек в зоне зарождения лавин относительно реперной точки, где техническим результатом изобретения является возможность получения информации о толщине снега в зонах зарождения лавин, а также отсутствие риска для жизни людей, проводящих измерения. Однако предложенное решение не позволяет оценивать участки снегонакопления, представляющие собой карнизные снегообразования, которые имеют риск обрушений не только в зависимости от толщины пласта относительно опорной поверхности земли, но и от частично неопорной массы снега, которая может быть оценена через электростатические характеристики снежных карнизов.
Задачей настоящего технического решения является расширение возможностей своевременного анализа опасности возникновения снежных лавин и снижение рисков для жизнедеятельности людей.
Техническим результатом изобретения является возможность получения систематизированных данных о состоянии снежных покровов путем непрерывного контроля потенциала электростатического поля вблизи поверхности снежных масс и через них анализа скапливаемости снега в участки по типу опасных карнизов.
Настоящая задача решается следующим образом. Отдельные опорные конструкции представляют собой стойку фиксации и открытую полимерную поверхность, с закрепленным на ней датчиком потенциала электростатического поля, непрерывно передающим через устройства «передатчик-приемник» удаленно с интервалом в 20 секунд сигнал о величине потенциала электростатического поля, формируемого ударяемыми о поверхность частицами метелевого снега, количество и физические свойства которых определяют величину образуемых электростатических зарядов, на принимающую плату обработки и анализа данных, получаемых с нескольких опорных конструкций, где выполняется систематизация показателей потенциала электростатического поля снежных поверхностей, коррелированных с геометрическими координатами локализации первичных датчиков относительно общих горизонтальных и вертикальных осей размещения оборудования. На общей плате-анализаторе электростатического поля устанавливается топография распределения потенциала электростатического поля в виде кривых, анализируемых с установлением порогов риска снегонакопления на основе принципов подобия относительно свойств «опасных кривых» распределения аналогичного потенциала для снежных масс, имеющих высокий уровень концентрации снега в участки типа «карниз», обладающие высокой вероятность потери опоры и обрушения.
Основным источником электростатического заряда является метелевая электризация, возникающая при переносе значительных масс снега под воздействием ветра. Метелевый перенос снега обуславливает возникновение электростатического заряда на различных технических объектах, а также в условиях горной местности формирует рельеф в виде снежных карнизов, обрушение которых является основной побудительной причиной возникновения лавин, нарушающих коммуникации в горной местности. При взаимодействии заряженных метелевых частиц с электрическим полем приземного слоя атмосферы возникают силы электрического происхождения (пондеромоторные силы). В зависимости от знака электрических зарядов поверхности земли и самих снежинок последние или отталкиваются от земли, или притягиваются к ней. Установлено, что ускорение, вызванное этим фактором, невелико по сравнению с ускорением силы тяжести, так как максимум электрического заряда, удерживаемого мелкой частицей, и возможный максимум градиента электрического поля в приземном слое атмосферы ограничены.
Принципиальная схема устройства анализатора снегонакопления представлена на фиг. 1, где определяющую роль обеспечения функции непосредственного анализатора формирует специальная плата-анализатор электростатического поля 1, на базе которой происходит логическая обработка получаемых с передатчика 2 данных потенциала электростатического поля, величина которого формируется ударяемыми частицами метелевого снега о поверхность чувствительного элемента датчика 3, закрепленного на полимерной поверхности опорной конструкции 4. Непрерывность работы устройства обеспечивает блок питания 5.
Принцип действия разработанного устройства состоит в следующем. Чувствительный элемент датчика, закрепленный на полимерной поверхности опорной конструкции и в режиме непрерывного действия, фиксирует и удаленно передает данные о потенциале электростатического поля вблизи поверхности снега на приемную точку обработки данных в виде графика зависимости потенциала электростатического поля от совокупных геометрических параметров взаимного расположения точек измерения (отдельных опорных конструкций) по высоте и кривизне опорной снежной поверхности. При фиксировании стабилизации характера получаемой кривой распределения потенциала электростатического поля, которую можно признать подобной установленным «кривым опасности», выполняется передача предупредительного сигнала в противолавинную службу.
2
2
2
max
max
max
По закону Кулона, ускорение е силы, действующей на частицу с зарядом Τ в кулонах (Кл), находящуюся в электростатическом поле с напряженностью Е(Н/Кл), равно е=-QE(l/m) (м/с), где m - масса частицы (кг). А.К. Дюнин в [4] приводит данные, что (Q/m) ~ 0,2 нКл/мг. Заряды не могут быть больше этого максимума вследствие потерь в окружающую среду, вследствие возникновения коронных разрядов. По измерениям градиента напряжения электрического поля во время очень сильных снежных и песчаных бурь найдено, что E=10000 В/м. Следовательно, ускорение заряженной частицы может быть не более e=2 м/с, то есть не превышают 20% от ускорения сил тяжести (9,8 м/с).
Обеспечение и формирование информационной базы «кривых опасности» для анализа состояния снегонакоплений подтверждается проведенными исследованиями электризации снежной массы и формирования карнизов из снега через анализ распределения потенциала электростатического поля (фиг. 2), где в соответствии с фиг. 2,получены следующие данные о взаимосвязи потенциала электростатического поля и местонахождения точки изменения на снежном карнизе, что, в свою очередь, определяет геометрические характеристики самого снежного образования, которое может перейти в опасную стадию обрушения (см. таблицу).
Усредненные значения потенциала, измеренного в точках на горизонтальной поверхности в зоне сноса
Сущность изобретения заключается в следующем. Специальное устройство, размещенное на различных вероятностно предрасположенных к появлению тяжелых снежных карнизов участках с заданной частотой, фиксируют и передают через систему передающего и принимающего компонентов оборудования в генеральный приемник для обработки данных характеристики потенциала электростатического поля, где они анализируются и в установленный момент перехода показателей в фазу ожидания опасного карниза обеспечивают своевременной информацией об опасной конфигурации снежных масс соответствующие противолавинные службы.
Предлагаемое устройство - анализатор снегонакоплений - позволяет получить новый простой и эффективный метод наблюдения за состоянием снега на лавиноопасных участках на базе предложенного способа анализа потенциала электростатического поля, формируемого метелевым снегом, без формирования условий риска для людей как обслуживающих систему, так и проживающих в таких районах.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и области создания и применения измерителей электростатического поля для диагностики электростатического заряда на поверхности различной природы и возможностей обеспечения эффективными средствами повышения общей безопасности жизнедеятельности людей.