СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ И ПЛОТНОСТИ ГОЛОЛЕДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
METHOD AND DEVICE TO MEASURE THICKNESS AND DENSITY OF GLAZE ICE DEPOSITS

Изобретение относится к области измерения и регистрации гололедных отложений на длинномерных конструкциях типа морских буровых установок, линий электропередач и т.п.
Гололедные отложения относятся к категории опасных природных явлений. Толщина слоя гололедных отложений на таких конструкциях может достигать 10 см и более, что ощутимо увеличивает массу конструкции и ее парусность к ветровым нагрузкам при штормовом ветре. Большая толщина слоя гололедных отложений на поверхности объектов может привести к аварийным ситуациям.
Известны технические решения для обнаружения гололедных отложений, основанные на различных физических принципах, использующих зависимость скорости распространения электромагнитных или звуковых волн от толщины слоя гололедных отложений на поверхности объектов. Например, «Способ обнаружения появления гололеда на проводах линий электропередачи» (патент РФ №2399133). Способ включает передачу по линии электропередачи высокочастотного сигнала от начала к концу линии и контроль параметра, связанного с изменением условий распространения сигнала по участку провода при появлении гололедных отложений. В качестве контрольного параметра принимают время распространения высокочастотного сигнала от начала до конца контролируемого участка линии. Влияние температуры на время распространения учитывают соответствующей поправкой. Недостатком данного способа, ограничивающего его применение для решения поставленной задачи, является невозможность его использования для объемных конструкций типа ферменных балок со сложной траекторией распространения зондирующего сигнала, т.к. по условиям требований по охране труда и технике безопасности Российского Морского Регистра Судостроения использование электрического тока в металлических элементах конструкции запрещено.
Известен также «Способ обнаружения гололедных образований на проводах в грозозащитных тросах линий электропередачи» (патент РФ №2409882). Согласно описанию способ предусматривает излучение и прием зондирующих импульсов через высокочастотное подключение линии электропередачи и согласованную фильтрацию принятых импульсов.
Решение о наличии гололедных образований принимают по превышению полученного максимального значения сигнала относительно заданного. Недостатком данного способа обнаружения гололедных образований является невозможность оценки толщины гололедных отложений и их плотности.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является «Способ определения толщины слоя льда на внутренней поверхности пульпопровода» (патент РФ №2260175). В нем реализуется способ определения толщины льда на внутренней поверхности пульпопровода, предусматривающий излучение зондирующего сигнала с помощью механического удара по наружной стенке трубы, а частотно-амплитудный спектр ответного звукового сигнала сравнивают с базовыми частотно-амплитудными спектрами, предварительно полученными экспериментально для различных по толщине слоя льда уровней обледенения внутренней поверхности пульпопровода при аналогичном ударном воздействии по трубе. Недостатком является невозможность измерить толщину и плотность гололедных отложений дистанционно и непрерывно. Кроме этого, невозможно получить одинаковые амплитудно-частотные спектры при возбуждении трубы с помощью механического удара.
Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства, обеспечивающих непрерывный, через точно определенные промежутки времени, мониторинг характеристик гололедных отложений, позволяющий определить их толщину и плотность.
Способ основан на том, что резонансные частоты отдельных элементов конструкции изменяются, если на них появились гололедные отложения.
Изменения частоты отдельных резонансных гармоник пропорциональны присоединенной массе льда. Помимо изменения частоты резонансных гармоник гололедные отложения увеличивают декремент затухания звуковых колебаний элементов конструкции, поскольку гололедные отложения представляют собой поглощающую среду для звуковых колебаний. Степень затухания зависит от плотности гололедных отложений на элементах конструкции. Количественная оценка затухания звуковых колебаний, излученных устройством возбуждения, оценивается анализатором спектра по снижению амплитуды спектральных максимумов. Таким образом, спектральный анализ звуковых колебаний в элементах конструкции позволяет количественно оценивать толщину гололедных отложений и их плотность.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения толщины и плотности гололедных отложений, включающем возбуждение в конструкции волны звукового диапазона, ее регистрацию в точке измерения и последующую обработку зарегистрированного сигнала, согласно изобретению дистанционно и через точно определенные промежутки времени осуществляют возбуждение волны звукового диапазона в одной точке конструкции генератором шума с пьезокерамическим вибратором, настроенным на среднюю резонансную частоту амплитудно-частотной характеристики конструкции, а регистрацию этой волны осуществляют одновременно в нескольких точках конструкции, при этом массу слоя гололедных отложений определяют по смещению частот резонансных гармоник зарегистрированного сигнала, а толщину и плотность рассчитывают по массе и величине снижения амплитуды спектральных максимумов относительно состояния конструкции при отсутствии гололедных отложений.
Кроме того, способ характеризуется тем, что перед началом эксплуатации производят первичную калибровку анализатора спектра с помощью накладных грузов, имитирующих массу гололедных отложений, а для толщины и плотности дополнительно фиксируют амплитуды спектральных максимумов в отсутствие гололедных отложений.
Технический результат достигается также тем, что предложена система для измерения толщины и плотности гололедных отложений, содержащая устройство возбуждения в конструкции волны звукового диапазона частот и приемное устройство, также усилители принятых сигналов, аналого-цифровой преобразователь и анализатор спектра, подключенные к компьютеру, отличающаяся тем, что устройство возбуждения закреплено на конструкции и включает в себя выполненные с возможностью автономной работы генератор шума с подключенным к нему пьезокерамическим вибратором, настроенным на среднюю резонансную частоту амплитудно-частотной характеристики конструкции, а приемные устройства, также закрепленные на конструкции, выполнены в виде датчиков вибрации.
Данные по калибровке заносят в паспорт системы и эти данные, совместно с данными, полученными в процессе эксплуатации, используют при расчете толщины и плотности гололедных отложений.
Блок-схема системы измерения толщины и плотности гололедных отложений представлена на Фиг.1, а на Фиг.2 представлен фрагмент длинномерной стальной конструкции с размещенными на нем элементами системы.
В состав системы, согласно блок-схеме, входят: устройство возбуждения 1, состоящее из генератора шума 2 и пьезокерамического вибратора 3, приемных устройств 4, состоящих из датчиков вибрации 5 с подключенными к ним усилителями 6, выходы которых подключены ко входам многоканального аналого-цифрового преобразователя 7, который, в свою очередь, подключен к анализатору спектра 8. Выход анализатора спектра соединен кабельной линией с системным компьютером. Устройство возбуждения работает от аккумуляторной батареи (не показано). При включении питания начинает работать генератор шума 2 и возбуждает пьезокерамический вибратор 3, который генерирует в конструкции волны звукового диапазона на собственных резонансных частотах элементов конструкции в диапазоне частот от 100 Гц до 10 кГц. Вибрации звуковой частоты улавливаются датчиками вибрации 5 и после усиления сигналов усилителями 6 передаются в аналого-цифровой преобразователь 7. После преобразования сигналов вибрации в цифровую форму осуществляется их спектральный анализ с помощью анализатора спектра 8. Анализатор спектра выделяет резонансные гармоники и производит измерение их частоты и амплитуды.
Результаты измерений из анализатора спектра, выполненного на базе специализированного микропроцессора, передаются в компьютер 9 для системного анализа. В компьютере полученные результаты сравниваются с паспортной амплитудно-частотной характеристикой конструкции и по смещению частот резонансных гармоник зарегистрированных сигналов определяют массу гололедных отложений, а по массе и по величине сниженных амплитуд спектральных максимумов рассчитывают толщину и плотность гололедных отложений по эмпирическим формулам. Коэффициенты расчетной эмпирической формулы определяют калибровкой измерительной системы с помощью накладных грузов, имитирующих массу гололедных отложений, а для толщины и плотности - фиксируют амплитуды спектральных максимумов в отсутствие гололедных отложений.
Экспериментальная проверка способа и устройства на опытном образце измерительной системы в опытном ледовом бассейне подтвердила ожидаемые результаты. Погрешность измерения толщины и плотности гололедных отложений составила около 15%, что для данных параметров можно считать удовлетворительным, поскольку толщина гололедных отложений не равномерна по длине конструкции и оценивается как среднее значение.