ДАТЧИК ВЕСА АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к измерительной технике, а конкретнее - к датчику веса автотранспортного средства, предназначенному, к примеру, для взвешивания в движении (WIM - Weigh In Motion) автотранспортных средств.
Уровень техники
В настоящее время для измерения веса одиночных колес, осей и общего веса автотранспортного средства в процессе движения все шире используются доступные по цене и обеспечивающие достаточную для большинства случаев применения точность датчики на базе интегральных линейных чувствительных элементов, например, пьезоэлектрических (пьезополимерных) кабелей или оптоволоконных световодов, которые можно свести под общим названием «интегральные линейные датчики». Например, в выложенных заявках на патент Японии №2009-264748 (опубл. 12.11.2009), №2010-032358 (опубл. 12.02.2010) и №2010-185729 (опубл. 26.08.2010) раскрыты чувствительные к давлению датчики на основе кабеля из оптического волокна. Датчики на основе пьезокабеля описаны в патентах США №5668540 (опубл. 16.09.1997) и №7603950 (опубл. 20.10.2009), в заявках на патент Японии №2004-257788 (опубл. 16.09.2004), №2008-267812 (опубл. 06.11.2008) и №2010-071840 (опубл. 02.04.2010) и в заявке на патент Кореи №2004-0028022 (опубл. 03.04.2004). Указанный патент США №5668540 можно считать ближайшим аналогом настоящей полезной модели.
Из числа интегральных линейных датчиков наибольшее распространение на сегодня получили конструкции на базе пьезополимерных кабелей, применяемые в составе динамических весоизмерительных комплексов WIM, но, чаще всего, лишь в чисто вспомогательных целях, не связанных непосредственно с измерением веса автотранспортного средства (например, контроль положения на полосе или выезда за пределы полосы движения, определение сдвоенных колес и т.п.). Эти датчики довольно просты по своему устройству и конструктивно напоминают широко применяемые в радиотехнике коаксиальные кабели (Фиг.1а): вокруг центрального проводника 1 расположен слой 2 обладающего пьезоэлектрическими свойствами полимерного материала, поверх которого размещена внешняя проводящая оболочка 3, защищаемая, в большинстве случаев, полимерной изолирующей трубкой 4.
В значительном числе реализаций внешняя проводящая оболочка для обеспечения сохранности пьезополимерного слоя выполняется в виде жесткой металлической трубки (Фиг.1б). Для уменьшения чувствительности к приповерхностным волнам, вызываемым движением автотранспортного средства и искажающим результаты измерения веса, сечение датчиков выбирается чаще всего близким к форме эллипса, большая ось которого ориентирована параллельно плоскости дороги. Установка такого датчика 5 в дорожное покрытие 6 осуществляется в предварительно предусмотренном канале 7, имеющем сечение примерно 2,5×2,5 см. Перед заливкой фиксирующим раствором (мастикой) датчик ориентируется по оси канала 7 на глубине от 1 до 1,5 см от поверхности дороги с помощью расположенных с шагом приблизительно 15-20 см центрирующих пластмассовых держателей 8. Принципиальных отличий в применяемой на сегодня технологии установки линейных датчиков других типов (на базе оптоволоконных, гидравлических или подобных чувствительных элементов) не наблюдается, существует лишь чисто техническая специфика.
Один из главных недостатков такой конструкции датчика легко проиллюстрировать с помощью Фиг.1б. Предварительно закрепленные на поверхности датчика 5 перед его установкой в прорезанный в дорожном покрытии 6 канал 7 центрирующие держатели 8 далеко не всегда обеспечивают его размещение строго по центру канала 7 и на одинаковой глубине от поверхности дорожного покрытия 6 по всей длине датчика 5, а также перпендикулярность рабочих плоскостей датчика 5 к направлению прихода измеряемого усилия. Особенно очевидно возникновение отклонений от требуемой топологии размещения датчика 5 в связи со сложными условиями проведения этой операции на открытом воздухе и возможным интенсивным движением транспорта по соседним полосам дороги. Заливка установленного таким образом в дорожное покрытие 6 датчика 5 мастикой лишь фиксирует возникшие отклонения от требуемой топологии, а в ряде случаев может вносить и дополнительные смещения в связи с внешними искажающими факторами, действующими во время довольно длительного процесса застывания мастики.
В настоящее время известны также интегральные линейные чувствительные элементы, выполненные с использованием пьезокерамических материалов. По структуре они практически не отличаются от пьезополимерных кабелей по Фиг.1а, однако хрупкость пьезокерамического материала определяет дополнительные требования к конструкции как самого чувствительного элемента, так и к конструкции датчика на его основе. Такие датчики иллюстрируются на Фиг.2а и 2б.
Керамический слой 9 (см. Фиг.2а) чувствительного элемента, расположенный поверх центральной проводящей медной жилы 10, защищен внешним проводящим слоем 11, выполненным в виде жесткой металлической, например, медной, трубки (практически по аналогии с чувствительным элементом на основе пьезополимерного кабеля, изображенным на Фиг.1б). Для дополнительной защиты пьезокерамического чувствительного элемента 12 (см. Фиг.2б) в ряде случаев его устанавливают в защитный короб 13, выполняемый, чаще всего, из алюминиевого профиля. После установки в защитный короб 13 чувствительный элемент 12 заливается фиксирующей мастикой и после ее застывания размещается в предварительно отфрезерованном канале в дорожном покрытии 6 и также заливается фиксирующей мастикой.
Подобный вариант исполнения линейного датчика имеет весьма существенный недостаток. После установки чувствительного элемента 12 внутри защитного короба 13 процессы заливки его фиксирующей мастикой и застывания мастики не могут контролироваться визуально. И такой, например, дефект установки, как образование под чувствительным элементом воздушных лакун, влияние которых на итоговую точность измерения совершенно очевидно специалистам, остается абсолютно без внимания и обнаруживается опосредованно только в процессе выходного контроля датчика или, что гораздо хуже, уже после его установки в дорогу. Приходится сталкиваться и с другим визуально бесконтрольным эффектом установки - перекосом (поворотом вокруг оси) собственно корпуса датчика. Влияние такого поворота на точность измерения веса автотранспортного средства превышает аналогичный эффект от поворота чувствительного элемента, т.к. дополнительно возникает и эффект «экранирования» чувствительного элемента стенкой короба.
Защитный короб 13 (Фиг.2б), выполненный в виде жесткого П-образного профиля, ввиду наличия вертикальных стенок (ребер жесткости), не может изгибаться коррелированно с деформациями сопряженного с ним слоя дорожного покрытия 6 при проезде над ним тяжело груженых автотранспортных средств, что служит для смежных с коробом 13 сред источником разрушающих воздействий, которые опосредованно передаются чувствительному элементу 12 датчика и значительно сокращают срок его службы. Тот же эффект проявится и при установке в аналогичный защитный короб линейного чувствительного элемента другого типа, например, пьезополимерного кабеля по Фиг.1а.
Другим недостатком рассматриваемой конструкции, использующей металлический защитный профиль (поз.13 на Фиг.2б), является весьма значительный - в ряде случаев - разброс коэффициентов линейного теплового расширения материала защитного профиля и сопряженных с ним слоев фиксирующей мастики и приповерхностного слоя дорожного покрытия 6 (например, асфальтобетона или цементобетона). При длительной эксплуатации - особенно на фоне многократной смены сезонов - адгезия между защитным профилем 13 и окружающим его материалом дорожного покрытия 6 нарушается, а вся конструкция датчика 12 расшатывается и как бы выталкивается из установочного канала 7. Фиг.2в иллюстрирует внешний вид дорожного покрытия с датчиком, разрушенным в процессе относительно недолгой эксплуатации, а на Фиг.2г, где показан срез дорожного покрытия с установленным в нем датчиком, хорошо видны перекос этого датчика и воздушная лакуна под его чувствительным элементом, являющиеся следствием нарушения технологической процедуры установки чувствительного элемента датчика в корпус и принципиальных недостатков конструкции собственно корпуса.
3
5
Еще одним существенным недостатком рассматриваемой конструкции является неоптимальность механизма подведения внешнего усилия непосредственно к чувствительному элементу при проезде автотранспортного средства над датчиком. Модуль Е упругости окружающей чувствительный элемент фиксирующей мастики (обычно подбираемый по возможности ближе к модулю упругости смежного слоя дорожного покрытия) и материала дорожного покрытия 6 (например, асфальтобетона) составляет примерно 3×10 МПа, а для материала защитной медной трубки 11 чувствительного элемента Е=(0,9-1,1)×10 МПа. При таком соотношении модулей упругости вертикальное усилие в большей части транслируется трубкой 11 к нижележащему слою дорожного покрытия и только в малой части нагружает собственно чувствительный элемент. В результате чувствительность датчика 12 к внешней нагрузке резко падает, что заставляет размещать его ближе к поверхности дороги, существенно сокращая тем самым срок его службы.
Раскрытие полезной модели
Таким образом, задача настоящей полезной модели заключается в устранении всех указанных недостатков путем обеспечения надежной фиксации положения чувствительного элемента строго по оси датчика, сохранения механической целостности совокупности датчика и смежного с ним слоя дорожного покрытия и оптимизации условий подведения внешнего усилия к чувствительному элементу датчика.
Эта задача решается в настоящей полезной модели с достижением указанного технического результата за счет того, что предложен датчик веса автотранспортного средства, предназначенный для укладки в дорожное покрытие автотрассы под заданным углом к ее осевой линии и содержащий по меньшей мере один линейный чувствительный элемент и подложку, на которой закреплены линейные чувствительные элементы, причем в качестве материала подложки выбран материал, коэффициент линейного теплового расширения которого близок к коэффициенту линейного теплового расширения материала, образующего слой дорожного покрытия, в котором должен быть уложен датчик. Именно наличие подложки из указанного материала отличает настоящую полезную модель от ближайшего аналога.
Особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что модуль упругости материала подложки может быть не меньше модуля упругости любого из линейных чувствительных элементов.
Другая особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что модуль упругости материала подложки может быть не меньше модуля упругости материала слоя дорожного покрытия, лежащего непосредственно под подложкой.
Еще одна особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что по меньшей мере один из линейных чувствительных элементов может быть выполнен в виде трубки, которая заполнена несжимаемой текучей средой, заглушена на одном своем торце и закрыта на другом своем торце датчиком давления. При этом текучая среда может быть жидкостью или гелем.
Еще одна особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что по меньшей мере один из линейных чувствительных элементов может быть выполнен на основе оптоволоконного кабеля.
Еще одна особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что по меньшей мере один из линейных чувствительных элементов может быть выполнен на основе пьезополимерного кабеля или с использованием пьезокерамического материала. В этом случае по меньшей мере один из линейных чувствительных элементов может иметь круглое поперечное сечение либо вытянутое поперечное сечение, длинное измерение которого практически параллельно поверхности дорожного покрытия.
Еще одна особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что подложка может быть выполнена из нержавеющей стали.
Еще одна особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что подложка может быть выполнена в виде полосы прямоугольного сечения, длинное измерение которого практически параллельно поверхности дорожного покрытия.
Еще одна особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что подложка может быть выполнена в виде полосы трапецеидального сечения, причем основания трапеции практически параллельны поверхности дорожного покрытия и малое основание трапеции обращено к линейным чувствительным элементам.
Еще одна особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что линейные чувствительные элементы могут быть закреплены на полосовой подложке вдоль ее осевой линии, а по обеим сторонам от линейных чувствительных элементов и между ними могут быть размещены направляющие прокладки, высота которых над подложкой примерно равна высоте линейных чувствительных элементов. При этом прокладки могут быть выполнены из эластичного материала, практически исключающего прохождение приповерхностной волны к линейным чувствительным элементам.
Еще одна особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что подложка с закрепленными на ней линейными чувствительными элементами может быть заключена в трубке из термоусадочного материала.
Наконец, еще одна особенность датчика по настоящей полезной модели состоит в том, что угол укладки датчика к осевой линии автотрассы может лежать в пределах от 30° до 90°.
Краткое описание чертежей
Настоящая полезная модель иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы помечены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг.1а представлено выполнение конструкции датчика на базе пьезополимерного кабеля в соответствии с уровнем техники.
На Фиг.1б приведена условная схема установки датчика по Фиг.1а в дорожное покрытие.
На Фиг.2а представлено выполнение конструкции датчика на базе пьезокерамического материала в соответствии с уровнем техники.
На Фиг.2б приведена условная схема установки датчика по Фиг.2а в дорожное покрытие.
На Фиг.2в показан внешний вид датчика по Фиг.2б после некоторого периода эксплуатации.
На Фиг.2г показан поперечный срез участка дорожного покрытия с датчиком по Фиг.2б, 2в, иллюстрирующий поворот чувствительного элемента известного датчика вокруг оси в процессе установки и застывания фиксирующей мастики, а также поворот корпуса датчика в дорожном покрытии в процессе его установки и фиксации.
На Фиг.3а приведена условная схема фиксации линейного чувствительного элемента на подложке датчика по настоящей полезной моделью.
На Фиг.3б приведена условная схема размещения датчика по Фиг.3а в термоусадочной трубке.
На Фиг.3в условная схема датчика по Фиг.3б в термоусадочной трубке после операции термоусадки.
На Фиг.3г приведена условная схема размещения датчика по Фиг.3в в дорожном покрытии.
Подробное описание вариантов осуществления
Варианты осуществления настоящей полезной модели описаны далее со ссылками на приложенные чертежи.
Отметим, что в данном описании под интегральным линейным датчиком или интегральным линейным чувствительным элементом понимается средство, изготовленное из единого отрезка, длина которого многократно превышает его поперечные размеры.
Датчик по настоящей полезной модели может укладываться в дорожное покрытие автотрассы под углом к ее осевой линии в пределах от 0° до 90° в зависимости от конкретной задачи по измерениям.
На Фиг.3а показано поперечное сечение датчика веса автотранспортного средства согласно варианту осуществления настоящей полезной модели. Линейный чувствительный элемент 31, который может быть, например, таким же, как описано со ссылками на Фиг.1 и 2, закреплен на подложке 32 - к примеру, приклеен к ней либо просто зафиксирован кусками клейкой ленты (скотча). Подложка 32 имеет ширину, предпочтительно превышающую ширину линейного чувствительного элемента 31, хотя это и не обязательно. Отметим, что показанная на Фиг.3а приплюснутая форма сечения линейного чувствительного элемента 31 может быть предпочтительна, но в качестве линейного чувствительного элемента 31 можно использовать и элемент, сделанный, скажем, из пьезокабеля круглого сечения.
В принципе, интегральный линейный чувствительный элемент может быть изготовлен и виде трубки, которая заполнена несжимаемой текучей средой, заглушена на одном своем торце и закрыта на другом своем торце датчиком давления. В этом случае текучая среда может быть жидкостью или гелем. При проезде колеса автотранспортного средства над такой трубкой, уложенной в дорожное покрытие, жидкость или гель за счет даже небольшого проминания трубки окажет давление на концевой датчик.
Возможно также выполнение линейного чувствительного элемента 31 на основе оптоволоконного кабеля, в котором надавливание колеса автотранспортного средства будет приводить, например, к изменению коэффициента пропускания света в оптическом волокне, как это имеет место, к примеру, в вышеупомянутых выложенных заявках на патент Японии №2009-264748, №2010-032358 и №2010-185729.
Специалистам понятно, что показанный на Фиг.3а единственный линейный чувствительный элемент 31 может быть дополнен еще одним или несколькими линейными чувствительными элементами, уложенными на подложку 32 примерно параллельно один другому с некоторым зазором между соседними линейными чувствительными элементами. При этом линейные чувствительные элементы одного датчика не обязательно должны быть одного типа и даже одного размера по высоте (в вертикальном направлении) в поперечном сечении.
В дальнейшем описание будет касаться датчика с одним интегральным линейным чувствительным элементом на основе пьезополимерного кабеля, но не в качестве ограничения объема правовой охраны, а лишь в качестве иллюстративного примера.
Подложка 32 может быть выполнена в виде полосы прямоугольного сечения, длинное измерение которого практически параллельно поверхности дорожного покрытия. Именно этот случай иллюстрируется на Фиг.3а. Однако подложка 32 может быть также выполнена в виде полосы трапецеидального сечения, причем основания этой трапеции практически параллельны поверхности дорожного покрытия и малое основание этой трапеции обращено к линейному чувствительному элементу 31. Разумеется, подложка 32 может иметь поперечное сечение и иной формы, к примеру, дугообразное, либо близкое к трапецеидальному. В последнем случае подложка может изготавливаться, например, из нескольких полос прямоугольного сечения, ширина каждой из которых меньше ширины подлежащей полосы.
Предпочтительное выполнение подложки 32 в виде полосы прямоугольного сечения без каких-либо вертикальных элементов, которые могли бы выступать в виде ребер жесткости (как это имеет место в известном датчике), обеспечивает наилучшую корреляцию деформаций предлагаемого датчика с деформациями смежного с ним слоя дорожного покрытия, возникающими при проезде автотранспортного средства над датчиком и при длительной эксплуатации данного участка дороги.
Коэффициент линейного теплового расширения материала, из которого изготовлена подложка 32, должен быть близок к коэффициенту линейного теплового расширения материала, образующего слой дорожного покрытия, в котором уложен предлагаемый датчик. Например, для ферритной нержавеющей стали величина коэффициента линейного расширения довольно близок к коэффициенту линейного расширения асфальтобетона, из которого, как правило, делается дорожное покрытие автотрассы. Такой выбор материала подложки 32 обеспечит сохранение механической целостности совокупности основания датчика (т.е. подложки 32) и смежного с ним слоя дорожного покрытия.
Материал, из которого изготовлена подложка 32, предпочтительно имеет модуль упругости не меньше модуля упругости линейного чувствительного элемента датчика. Специалисту понятно, что в случае, когда линейный чувствительный элемент имеет конструкцию, показанную на Фиг.1а, 1б, модуль упругости такой конструкции будет определяться сочетанием формирующих ее материалов.
В то же время, модуль упругости материала, из которого изготовлена подложка 32, желательно иметь не меньше, чем модуль упругости материала того слоя дорожного покрытия, который будет лежать непосредственно под этой подложкой 32. Это требование введено для оптимизации условий подведения внешнего усилия к линейному чувствительному элементу 31 либо к линейным чувствительным элементам датчика (т.е. для максимальной концентрации усилия на датчике). Таким материалом может быть уже упомянутая ферритная нержавеющая сталь.
Для удобства фиксации линейного чувствительного элемента 31 на поверхности подложки 32 по обеим сторонам вдоль этого линейного чувствительного элемента 31 (а при наличии нескольких примерно параллельных линейных чувствительных элементов - и между ними) могут быть размещены направляющие прокладки 33. Чтобы уменьшить влияние на линейный чувствительный элемент 31 (или на линейные чувствительные элементы) боковой приповерхностной волны, формируемой в приповерхностном слое дорожного покрытия колесами движущегося автотранспортного средства, эти направляющие прокладки 33 выполняются из эластичного материала, например, монолитного силикона или губчатой резины, что практически исключает прохождение боковой волны в направлении линейного чувствительного элемента 31. Высота направляющих прокладок 33 над подложкой 32 примерно равна высоте линейного чувствительного элемента 31 (или наибольшей высоте, если датчик имеет несколько линейных чувствительных элементов с разными поперечными размерами).
Для обеспечения надежной взаимной фиксации между собой деталей датчика, т.е. линейного чувствительного элемента 31 (или нескольких линейных чувствительных элементов) и подложки 32, возможно, с прокладками 33, собранный датчик предпочтительно помещается внутрь термоусадочной трубки 34 (см. Фиг.3б, 3в), которая после температурной обработки (t° на Фиг.3б) и остывания прочно охватывает датчик.
Готовый датчик в термоусадочной трубке 34 (или без нее) размещается в канале 35 (Фиг.3г) дорожного покрытия 36 и фиксируется в нем мастикой 37, как это имеет место и в указанных выше аналогах.
Таким образом, датчик веса автотранспортного средства по настоящей полезной модели обеспечивает надежную фиксацию положения интегрального линейного чувствительного элемента строго по оси датчика, сохраняет механическую целостность совокупности основания датчика и смежного с ним слоя дорожного покрытия и оптимизирует условия подведения внешнего усилия к интегральному линейному чувствительному элементу датчика.