Способ управления датчиком с последовательно включаемыми электронагревателями двух его разнесенных чувствительных частей
CONTROL METHOD OF SENSOR WITH SERIES-CONNECTED ELECTRIC HEATERS OF TWO SPACED SENSITIVE PARTS THEREOF

Настоящее изобретение относится к области физических измерений, главным образом, к способам и устройствам для обнаружения осадков в виде льда или снега на контролируемой поверхности и может быть использовано на транспорте, на объектах строительства и промышленности. Приоритетные области применения -системы обогрева стрелочных переводов («стрелок») на железнодорожных путях и системы предотвращения обледенения летательных аппаратов (авиация).
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.pdf; 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 воздушной 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].
Известен способ обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности («Способ определения близости условий окружающей среды к условиям для образования льда»), включающий в себя следующие операции [2. RU 2534493 С2, B64D 15/20, 27.11.2014, п. 7 формулы]:
- на контролируемой поверхности устанавливают датчик, имеющий чувствительный элемент, снабженный теплопроводной пластиной с внешней рабочей поверхностью 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 (прогноза образования) льда или снега локально в зоне расположения датчика;
- определяют начальную температуру рабочей поверхности пластины чувствительного элемента и в случае неположительной температуры (по шкале Цельсия) включают нагреватель данного чувствительного элемента;
- проводят измерения и обработку его результатов (подробнее см. [2]),
- делают заключение о наличии или отсутствии льда или снега на рабочей пластине датчика по установленному критерию, основанному на использовании явления временной, по крайней мере, частичной стабилизации температуры на уровне упомянутого фазового перехода.
Недостатком такого способа, который особенно негативно отражается на достоверности заключения при использовании в заявленных приоритетных областях (например, на железной дороге) является невозможность определить, что именно вызвало изменение скорости роста температуры чувствительного элемента: присутствие льда / снега на рабочей поверхности пластины чувствительного элемента (как задумано) или изменение параметров воздушного потока над этой поверхностью (природная «имитация» плавления льда или снега). Как показывают эксперименты (см. далее прототип), воздушные потоки над рабочей поверхностью «чистой» пластины чувствительного элемента (что на практике является весьма частым явлением) «сбивают» регулярность роста температуры принудительно нагреваемой пластины чувствительного элемента датчика, приводят к возникновению на температурной кривой участков, характерных для наличия снега или льда (горизонтальный или почти горизонтальный участок, характерный для фазового преобразования «лед-вода» или «снег-вода» при 0°С), то есть к ложным срабатываниям «чистого» датчика. Включение же нагревателей («силовых») системы очистки конструкций от обледенения и/или снега по «ложной» команде обусловливает неоправданные энергетические затраты.
Наиболее близким к заявляемому способу аналогом (прототипом) по назначению и совокупности существенных признаков (последовательности операций материальными средствами над материальным объектом) является способ управления датчиком с последовательно включаемыми электронагревателями двух его одинаковых чувствительных частей (элементов), разнесенных с небольшим зазором, заключающийся в периодической подаче напряжения питания на электронагреватели первой и второй его одинаковых чувствительных частей (элементов) с небольшой временной задержкой на каждом цикле измерений, с фиксацией и сравнением теплового состояния указанных частей [6. RU 2685631, МПК Е01В 7/00, B64D 15/20, 22.04.2019].
В нем на каждом цикле измерений сохраняется одна и та же неизменная очередность подачи напряжения питания электронагревателей частей датчика в последовательности «первый-второй».
Принцип работы «парного» датчика основан на так называемой «разностной схеме», когда измеряют (в динамике) температуры двух чувствительных его частей (элементов) и оценкой разности этих показаний в каждый момент времени (подробнее см. первоисточник [6]).
Однако при таком способе в общую погрешность измерений входит погрешность (искажение), связанная(ое) с не учитываемой в обработке результатов измерений асимметрией тепловых потоков между чувствительными частями датчика, тепловым влиянием нагревателей каждой из частей на соседнюю часть, причем суммированием остаточного содержания каждого предыдущего с последующим. Тем большим влиянием, чем выше частота включений (измерений). Это особенно нежелательно в высокочувствительных датчиках и повышенных требованиях к точности системы измерений.
Явление стока (утечки) теплоты в соседний тепловыделяющий элемент наглядно проиллюстрировано, например, в обобщенном виде (на примере светодиодной платы) в чрезвычайно своевременной патентоведческой статье [7. Сергей Титков. Изобретатель против Роспатента. Неоконченная история // Изобретатель и рационализатор, 2019, №5-6. - С. 80, рис. 2)].
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 снижения погрешности измерений и, соответственно - повышения достоверности эмпирических данных, получаемых с помощью таких датчиков.
Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что в способе управления датчиком с последовательно включаемыми электронагревателями двух его разнесенных чувствительных частей (элементов), заключающемся в периодической подаче напряжения питания на электронагреватели первой и второй его одинаковых чувствительных частей с небольшой временной задержкой на каждом цикле измерений, с фиксацией и сравнением теплового состояния указанных частей, согласно заявляемому изобретению, на каждом цикле измерений меняют очередность подачи напряжения питания электронагревателей частей датчика с последовательности «первый-второй» на последовательность «второй-первый» и наоборот.
На решение поставленной задачи (на снятие проблемы) направлена и частная совокупность существенных признаков способа в рамках основной совокупности его признаков, сформулированной в предыдущем абзаце и далее в формуле изобретения, а именно: изменение очередности подачи напряжения питания обеспечивают автоматически, за счет электронного переключателя-распределителя (это наиболее целесообразно на текущем технологическом укладе технического прогресса, характеризуемом тотальной автоматизацией технологических процессов).
При всей свое краткости формулировки, совокупность отличительных существенных признаков заявляемого способа не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов системы. Имеет место «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не был очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.
Третий квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает, прежде всего, из того же богатейшего опыта проектирования, производства и эксплуатации как датчиков и систем управления ими, так и электронных систем автоматического управления.
Для осуществления заявляемого способа пригодно известное устройство (см. прототип [6]) - датчик наличия обледенения и/или снега на той или иной поверхности.
Подробнее сущность изобретения раскрывается в приведенных ниже примерах, иллюстрируемых фигурами 1-4:
на фиг. 1 изображена укрупненная блок-схема устройства для осуществления заявляемого способа (на примере способа обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности), вид в плане, где позициями обозначены: Д - датчик; 1 и 2 - соответственно первая и вторая чувствительные части (чувствительные элементы) датчика Д; 3 и 4 - электрические нагреватели соответственно первой и второй чувствительных частей датчика Д; 5 и 6 - датчики температуры (термодатчики, преимущественно термопары) соответственно первой и второй чувствительных частей; 7 и 8 - нормально-разомкнутые контакты (условно, для наглядности, с вероятной заменой эквивалентной электронной схемой) раздельного включения/выключения нагревателей 3 и 4; 9 - переключатель-распределитель; 10 - аппаратная часть устройства.
на фиг. 2 упрощенно показана конструкция датчика Д как основного составного узла устройства для осуществления заявляемого способа, в продольном вертикальном сечении, где сохранены номера позиций фигуры 1 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 частями 1 и 2; L - величина зазора/слоя 17.
на фиг. 3 - 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.
1
2
1
2
ф1
ф2
ф
ф2
ф1
На фиг. 4 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 T и Т - измеряемая температура рабочих поверхностей обледенелых пластин первой и второй чувствительных частей датчика Д; T - Т - разность температуры в каждый момент времени; Δt - временная задержка включения второго нагревателя после включения первого; t, t - продолжительность (периоды) фазовых превращений (таяния льда или снега) на рабочих поверхностях первой и второй чувствительных частей датчика Д соответственно, Δt - перекрытие периодов t и t.
Способ управления датчиком Д с последовательно включаемыми электронагревателями 3 и 4 двух его разнесенных (с небольшим зазором L), преимущественно одинаковых, чувствительных частей 1 и 2 соответственно, заключается (состоит) в том, что (см. фиг. 1, 2) периодически подают напряжение питания на электронагреватели первой и второй одинаковых чувствительных частей 1 и 2 датчика Д, с небольшой временной задержкой Δt на каждом цикле измерений, с фиксацией и сравнением теплового состояния T1 и T2 частей 1 и 2 соответственно (см. фиг. 4 - для одного цикла работы).
На каждом цикле работы (измерений) меняют очередность подачи напряжения питания электронагревателей 3 и 4 частей 1 и 2 датчика Д с последовательности «первый-второй» на последовательность «второй-первый» и наоборот.
Изменение очередности подачи напряжения питания могут обеспечивать автоматически, за счет электронного переключателя-распределителя 9 (см. фиг. 1).
Таким образом, использование заявляемого изобретения (способа) позволяет достичь технического результата в соответствии с решаемой проблемой: обеспечен способ, пригодный для использования в заявленных областях техники, при котором отмеченные недостатки прототипа устранены. То есть позволяет уменьшить погрешность измерений за счет компенсации асимметрии тепловых потоков между чувствительными частями датчика - выравнивания теплового влияния нагревателей каждой из частей на соседнюю часть. В частности (учитывая преимущественную область применения) повысить достоверность оценки ситуации с обледенением и/или заснеженностью в районе установки датчика обледенения или осадков.