Устройство для мониторинга наледи с радиологгером
AUFEIS ICE MONITORING DEVICE WITH RADIO LOGGER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для мониторинга наледеопасных участков вблизи технических и линейных сооружений.
Устройство включает температурные датчики, расположенные внутри вертикальной толстостенной трубы на разной высоте в соответствии с заданным шагом, имеющихся в трубе отверстий, что дает возможность определения динамики роста наледи из-за скачкообразного изменения температуры, которая регистрируется датчиком при затекании в трубу наледной воды. Данные о температуре среды и температурных скачках на датчики термокосы с определенной периодичностью заносятся в память радиологгера и передаются в виде сохраненной информации по радиоканалу.
Описание изобретения
Изобретение применяется для регистрации наледей, образующихся в зимний период в результате намораживания подземных или речных вод, излившихся на поверхность земли, почвы или льда, для мониторинга наледеопасных участков вблизи технических и линейных сооружений. Изобретение может быть использовано для контроля роста наледи и устранения опасности затопления основных линейных объектов, а также других технических объектов, необходимых для функционирования основного линейного объекта, например, термометрических скважин для мониторинга температурного режима грунтов основания линейного сооружения.
Известен «Термозонд для измерения профиля температуры среды» (RU 128323 U1, опубл. 20.05.2013), который может быть использован для измерения температуры льда, в том числе торосов и стамух.
Измерения производятся в скважинах, полученных с помощью механического или теплового бурения. Недостатком термозонда является наличие защитных труб, снижающих время термической реакции и чувствительности датчика температуры, что приводит к меньшей способности устройства к выявлению кратковременных изменений температуры среды, а также наличие конвективного теплообмена.
Также известен «Термозонд для измерения профиля температуры среды» (RU 97524 U1, опубл. 10.09.2010), который имеет непосредственный контакт температурных датчиков со стенками скважины. Недостатком данной полезной модели является незащищенность термокосы от сил пучения в теле наледи.
Наиболее близким техническим решением является измерение температуры с помощью измерительной гирлянды, опускаемой в термометрическую скважину, обсадная труба термометрической скважины представляет собой трубу, изготовленную из материала с относительно низким коэффициентом теплопроводности (например, полипропилен), с частями из материала с относительно высоким коэффициентом теплопроводности (например, втулки из стали), а измерительная гирлянда представляет собой трубу, имеющую наружный диаметр, равный внутреннему диаметру обсадной трубы и аналогичную по конструкции, у которой к металлическим частям прикреплены термопары для измерения температуры (RU 2597339 С1, «Способ измерения температуры грунта», опубл. 10.09.2016).
Недостатком данного способа измерения температуры грунта является то, что используемые измерительная гирлянда и обсадная труба имеют сложную конструкцию. Кроме того, передача температуры на измерительные температурные датчики подразумевает передачу температуры через промежуточную металлическую часть обсадной трубы. При этом влияние конвективного теплообмена на измерительные датчики устраняется использованием еще одного промежуточного контактного материала, например солидола.
Задачей изобретения является повышение точности и уменьшение времени реакции температурного датчика на кратковременные изменения температуры на границах сред поверхности наледного массива путем непосредственного измерения температурного режима, исключающего использование промежуточных теплопроводных материалов, упрощение конструкции устройства, исключение сил пучения на термокосу что дает возможность устранения опасности затопления наледью основного линейного объекта, а также других устройств необходимых для функционирования самого линейного объекта.
Поставленная задача и технический результат соответственно достигается тем, что температурные датчики термокосы располагаются внутри вертикальной толстостенной трубы на разной высоте в соответствии с заданным шагом, имеющихся в трубе отверстий, имеющих шаговую длину, зависимую от длины датчика и от поставленной задачи мониторинга, при этом верхняя часть датчиков располагается на уровне верхней кромки отверстий. Рост наледи определяется скачкообразным изменением температуры на конкретный температурный датчик термокосы, расположенный на определенной высоте в полости трубы при затекании в полость наледной воды. Данные о температуре среды и температурных скачков на датчиках термокосы с определенной периодичностью заносятся в память радиологгера и передаются в виде сохраненной информации по радиоканалу.
Наледная вода, затекающая в полость трубы с температурными датчиками, заполняет объем полости только на высоту, равную длине самого температурного датчика, так, как верхняя часть датчика располагается на уровне верхней границы отверстия, а нижняя часть подпирается герметичной прокладкой, оставляя воздушную прослойку до герметичной прокладки, расположенной выше, что исключает воздействие пучения на растягивающий кабель внутри трубы при замерзании наледной воды.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 приведена толстостенная труба 1, имеющая молочно-белый цвет наружной поверхности для отражения проникающей в наледь солнечной радиации и предотвращения прогрева температурных датчиков термокосы 2. Труба 1 с одной стороны имеет отверстия с заданным шагом, расположенные на шаговую длину друг от друга в зависимости от длины датчика и поставленной задачи мониторинга. Внутри трубы подвешивается термокоса 2. Термокоса 2 соединяется с радиологгером 3. Радиологгер расположен в ящике 4 с наклонной крышкой в виде треугольной призмы. Ящик 4 закреплен на верхнем конце трубы 1. Термокоса 2 подвешена ко дну ящика 4. Температурные датчики термокосы 2 отделены друг от друга при помощи упругой герметичной прокладки 5, входящей плотно в трубу 1. Труба 1 крепится болтами 6 на стальной стакан 7. Стальной стакан 7 приварен на торец стальной трубы 8. Стальная труба 8 имеет бетонный противопучинистый якорь 9. Противопучинистый якорь 9 располагается в толще мерзлых грунтов с расчетом исключения выпучивания стальной трубы 8 и толстостенной трубы 1 при промерзании деятельного слоя грунтов и образования наледи. На фиг. 2 приведен момент затекания наледных вод в полость трубы. По рисунку на фиг. 2 видно что, полость не полностью заполняется наледными водами 10. В верхней части полости закупоривается воздушная прослойка 11. Таким образом, исключается разрыв кабеля термокосы 2 от сил пучения наледного льда 12 внутри трубы 1.
Термокоса 2 выполнена с уровнем пыле-, влагозащиты IP68 с радиологгером. Термокоса подвешивается в ящик с наклонной крышкой, сбрасывающей снег в противоположную сторону от отверстий в трубе. Радиологгер помещается внутри ящика. Толстостенная труба изготавливается из материала, уменьшающего нагрев от солнечной радиации, и имеет молочно-белый цвет для отражения солнечной радиации. Отверстия ориентированы на север для минимизации влияния солнечной радиации на температурные датчики.
Устройство работает следующим образом: температурные датчики термокосы 2 регистрируют температуру среды с заданной периодичностью считывания. По мере роста мощности наледного массива путем постепенного наслаивания наледных вод в зимний период, поверхность наледи достигает уровня отверстий в толстостенной трубе 1, при этом наледные воды затекают в полость трубы, где датчик термокосы 2, расположенный в данной полости фиксирует их температуру и сохраняет в память радиологгера 3. Т.к. температура наледных вод или снежной шуги окажется выше температур приземного воздуха, регистрируемых температурными датчиками, находящимися на верхней части устройства момент затекания наледных вод будет выявляться в логах замеров температур скачкообразным повышением температуры для данного температурного датчика. Время и дата данного события, и высота расположения температурного датчика термокосы 2 в трубе 1 являются исходным материалом для мониторинга мощности наледи. Скачкообразное повышение температуры датчика, заранее определенного как датчика, передающего аварийный сигнал угрозы подтопления основного линейного объекта, а также других устройств необходимых для функционирования самого линейного объекта, например, термических скважин для мониторинга температурного режима грунтов основания линейного сооружения, служит для принятия срочных мер по устранению затопления.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Термокоса. Патент на изобретение RU 2448335 С2, опубл. 20.04.2012.
2. Термоэлектрический датчик обледенения. Патент на полезную модель WO 2017138846 A1, опубл. 17.08.2017.
3. Термозонд для измерения профиля температуры среды. Патент на полезную модель RU 128323 U1, опубл. 20.05.2013.
4. Термозонд для измерения профиля температуры среды. Патент на полезную модель RU 97524 U1, опубл. 10.09.2010.
5. Способ измерения температуры грунта. Патент на изобретение RU 2597339 С1, опубл. 10.09.2016.