Устройство контроля состояния покрытия дорог и аэродромов
DEVICE FOR MONITORING THE CONDITION OF ROAD AND AIRFIELD PAVEMENT

Изобретение относится к испытательной технике, в частности используемой для контроля параметров состояния дорожного покрытия.
Известны устройства и способы определения состояния дорожного покрытия на основе измерения нескольких параметров дорожного покрытия на основе различных физических принципов: CN102830447 (датчики температуры и емкости), CN203397521 (оптический, электрометрический датчики), CN103871252 (датчики температуры, влажности, толщины пленки, концентрации солей), US2002177942 (датчики температуры, влажности, скорости).
Известны различные способы определения состояния дорожных покрытий, основанные на различных принципах, связанных с:
- измерением электрической емкости (CN102288650, US5398547, US3882381),
- измерением электрической проводимости и сопротивления (US4745803; US4287472, US5619144, US7421894),
- использованием световых волн (CN103047937, CN202110025, US5801647),
- анализом толщины слоя жидкости, состава жидкости или льда (концентрации примесей, солей) (EP0241676, US4281286, US3891979)
измерение температуры с помощью “нагрева-охлаждения” (US2003103547, RU2223548, RU2534493, US2012099616).
Указанные решения имеют недостатки и дают информацию о состоянии покрытия с невысокой достоверностью.
Способы определения толщины водяной пленки основанные на измерении проводимости среды не учитывают изменение проводимости среды в зависимости от типа и концентрации противогололедного реагента находящегося на дорожном покрытии, методы основанные на определении толщины пленки от температурных изменений при нагреве/охлаждении, также не имеют достаточной достоверности так как требуют высокой точности терморезисторов, и регулярной метрологической поверки термометра в полевых условиях, что не представляется возможным.
Способ, основанный на измерении так называемой температуры точки замерзания, применим только для лабораторных условий, при которых используется один тип противогололедного реагента, обладающий стабильными экзотермическими свойствами (выделение тепла при межфазовом переходе), не учитывает толщину водяной пленки, и соответственно количество противогололедного реагента, присутствующего в жидкой фазе.
Применение активных датчиков с необходимой зоной их углубления в дорожное покрытие сильно искажает данные за счет следующих факторов:
- загрязнений в углублении,
- незначительных толщин пленок, соответствующих влажному покрытию, которые имеют такие же характеристики, как и сухая поверхность, при этом элемент, основанный на проводимости, может не давать адекватной оценки состояния дорожного покрытия, т.к. при обледенении проводимость пленки льда будет равно 0 (в случае с т.н. "черным льдом"). В случае наличия на поверхности «черного льда» не активируется, т.к. электроды показывают бесконечное сопротивление, что соответствует состоянию сухого покрытия.
Способ оптического определения толщины водяной пленки при помощи источника монохромного света с одной апертурой источника/приёмника также дает сильную погрешность для случая мутного состава измеряемой среды, а также наличия на датчике снежного покрова.
Из US6441748 (G08G1/00, опубл. 27.08.2002 г.) известно устройство для определения состояния дорожного покрытия, в котором под верхним слоем дорожного покрытия располагают контейнер с сенсорными блоками, содержащими датчики, предназначенные для измерения различных параметров дорожного покрытия: датчик определения влажности, оптический датчик, датчик измерения температуры, датчик определения влажности. Сигналы всех датчиков кодируются в частотно модулируемый сигнал. Устройство содержит средства для передачи этих сигналов упомянутых датчиков на внешнюю станцию, в которой регистрируются и обрабатываются сигналы датчиков.  Внешняя станция содержит декодер частотно модулированных сигналов, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор сигналов, память, контроллер, разъем, блок связи и источник питания. Источник питания и/или блок связи могут находиться внутри или вне контейнера или внутри одного или нескольких блоков.
Данное решение принято в качестве прототипа для заявленных объектов.
Недостаток данного решения заключается в слабой достоверности получаемых данных от датчиков вследствие того, что датчики расположены в отдельном контейнере, который заглублен под дорожным покрытием. Поэтому получаемые замеры априори содержат погрешность, так как сигналы от датчиков поступают по линии связи в аналоговом виде. Кроме того, оптическое измерение толщины пленок на поверхности покрытия осуществляется в монохроматическом режиме, что существенно снижает достоверность данных при наличии дифракции в мутных средах (грязная вода, смесь вода-лед и пр.) и при наличии интерференции в оптически прозрачных средах («черный лед»).
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности результатов контроля состояния дорожного покрытия за счет локализации нескольких датчиков по месту их установки и исключения влияния на них износа этого покрытия.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство контроля состояния покрытия, выполненное в форм-факторе датчика цилиндрообразной или параллелепипедной формы или в форме усеченной конусообразной пирамиды, содержит монтируемый в верхний слой дорожного покрытия корпус с рабочей площадкой, располагаемой на поверхности этого покрытия, и внутри которого размещена плата микропроцессора, выполненная с возможностью подсоединения к ней кабеля связи,   для дистанционной передачи данных по интерфейсу RS485, при этом в корпусе размещены связанные с микропроцессором и сенсорами выведенные на рабочую площадку корпуса по крайней мере один оптический блок для измерения толщины водяной пленки, датчик для определения наличия «черного льда», датчик температуры поверхности, датчик для измерения проводимости и электрохимической поляризации, выполненные из материалов, изнашиваемых одновременно с рабочей площадкой корпуса, причем выведенный на рабочую площадку  датчик температуры размещен в заглушке, помещенной в выполненной из истираемого материала трубке, которая имеет возможность продавливания вниз в этой трубке при износе последней и корпуса под внешним воздействием со стороны автомобильных шин. Оптический блок может иметь два световода с одинаковой апертурой, запитанных двумя разными светодиодами, работающих на различных частотах инфракрасного спектра и два приемных световода.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.
Новый способ иллюстрируется поясняющим иллюстративным материалом, на котором:
фиг. 1 - общий вид устройства контроля состояния покрытия, выполненного в форме датчика;
фиг. 2 - поперечное сечение устройства по фиг. 1;
фиг. 3 - вид сверху на устройство по фиг. 1;
фиг. 4 - конструкция установки датчика температуры;
фиг. 5 - представлен график изменения частоты на выходе датчика «черного льда» при изменении температуры.
фиг. 6 - показан алгоритм определения на дорожном покрытии «черного льда».
Предлагается новая конструкция устройства, позволяющего получать достоверные данные о внешних показателях самого дорожного покрытия, а не материала, из которого оно выполнено.
Устройство, представляет собой конструкцию, выполненную в форме датчика (далее по тексту описания используется термин "датчик покрытий" - ДП), используемое для контроля покрытий с изнашивающимся верхним измерительным слоем до 30 мм, осуществляющим передачу информации на процессорный модуль сбора и передачи данных по стандартному промышленному протоколу кабельным способом на расстояние 200 м и более без дополнительных усилителей или коммутирующих устройств для определения:
- состояния покрытия (сухо, влажно, мокро, влажно и реагент, мокро и реагент, снег, снег и реагент, лед, иней, черный лед);
- наличия на поверхности противогололедного реагента, его концентрации и количества;
- определения толщины слоя прозрачных сред (вода, чистый лед) с диапазоном измерения от 0 до 12 мм и разрешением 0,1 мм;
- степени износа верхнего слоя асфальтового/бетонного покрытия от 0 до 30 мм;
- определения момента начала кристаллизации жидкой среды, определения типа среды покрывающего слоя (вода, вода с реагентом, снег, снег с реагентом, лед);
- а также для определения наличия «черного льда».
В общем случае, устройство контроля состояния покрытия выполнено в форм-факторе датчика цилиндрообразной или параллелепипедной формы или в форме усеченной конусообразной пирамиды и содержит монтируемый в верхний слой дорожного покрытия корпус с рабочей площадкой, располагаемой на поверхности этого покрытия, и внутри которого размещена плата микропроцессора, выполненная с возможностью подсоединения к ней кабеля связи, для дистанционной передачи данных по интерфейсу RS485, при этом в корпусе размещены связанные с микропроцессором и сенсорами выведенные на рабочую площадку корпуса по крайней мере один оптический блок для измерения толщины водяной пленки, датчик для определения наличия «черного льда», датчик температуры поверхности, датчик для измерения проводимости и электрохимической поляризации, выполненные из материалов, изнашиваемых одновременно с рабочей поверхностью корпуса, выведенный на рабочую площадку  датчик температуры размещен в заглушке, помещенной в выполненной из истираемого материала трубке, которая имеет возможность продавливания вниз в этой трубке при износе последней и корпуса под внешним воздействием со стороны автомобильных шин, оптический блок имеет два световода с одинаковой апертурой, запитанных двумя разными светодиодами, работающих на различных частотах инфракрасного спектра и два приемных световода с апертурой отличающейся по площади в 4 раза, также выполнен из изнашиваемого материала.
Рассматриваемое устройство выполнено в форм-факторе датчика (то есть малогабаритным, преимущественно параллелепипедной или цилиндрической  формы или в форме конусообразной усеченной пирамиды), монтируемого в верхний слой дорожного покрытия, с возможностью передачи данных кабельным путем по интерфейсу RS485 на расстояние 250 м и более, определяющее толщину водяной и ледяной пленок, толщину снежного покрова, состояние дорожного покрытия, температуру верхнего слоя покрытия и на углублении 50 мм, концентрацию и количество жидкого противогололедного реагента на основе хлоридов, ацетатов, формиатов калия, магния, кальция и натрия, температуру точки замерзания смеси воды и/или снега и противогололедных реагентов, наличие прозрачного «черного» льда, инея на дорожном покрытии, степень износа верхнего слоя дорожного покрытия.
Такое устройство может применяться для аэродромного покрытия взлетно-посадочных полос, рулежных дорожек и мест стоянки самолетов, для железнодорожных путей.
Встроенный в покрытие ДП состоит из корпуса изделия, оптоволоконного датчика толщины оптически прозрачных сред на поверхности асфальта, емкостного датчика идентификации типа покрытия на поверхности асфальта (жидкое-твердое), электрометрического датчика для определения проводимости жидкости, находящейся на поверхности асфальта, датчика температуры поверхности, индикатора толщины асфальта и программного обеспечения.
ДП используется для контроля состояния покрытия (дорожного, аэродромного и пр.) с целью определения опасности образования гололеда, а также других факторов, влияющих на сцепные свойства дорожного покрытия, безопасность движения автотранспорта и безопасности полетов в авиации. В случае применения ДП на аэродромах для определение сцепных свойств аэродромного покрытия помогает оценивать необходимость проведения работ по содержанию взлетно-посадочной полосы и рулежных дорожек и оптимизировать количество распределяемого противогололедного реагента.
ДП имеет круглую форму диаметром - не более 120 мм. В верхней, лицевой плоскости датчика имеются три резьбовых посадочных места для заданной фиксации датчика при монтаже.
Высота ДП - 50 мм.
Для закрепления ДП в теле покрытия (асфальт или бетон) и для предотвращения непреднамеренной деструкции во время механической очистки дорожного полотна, ДП изготавливается либо в виде двух цилиндров, нижний из которых имеет больший диаметр, либо в виде расширяющегося усеченного конуса.
Корпус ДП изготовлен из композитного материала и обеспечивает полную герметичность и работоспособность всех электронных компонентов внутри изделия при износе верхней части изделия на толщину до 30 мм. Композитный материал имеет износостойкость идентичную асфальтовым (бетонным, для установки на аэродроме) покрытиям, применяемым в РФ СП.34.13330.2012 и ГОСТ 25912-2015 (для аэродрома).
Материал корпуса ДП и все встроенные в него электрооптические конструкции, изнашиваются шинами автомобилей одновременно.
Соединение ДП с кабелем неразъемное, обеспечивающее полную герметизацию и исключающее попадания влаги внутрь ДП. Длина кабеля – может быть более 200 метров. Возможно применение беспроводного способа передачи данных на приемное устройство вместо одного из участков с кабельной передачей данных.
Составные части ДП выполнены конструктивно в виде отдельных модулей (блоков) и соединены между собой, после чего залиты в единый монолитный корпус.
Для обеспечения работы ДП необходимо следующее программное обеспечение (ПО): общее, общесистемное, прикладное, которое в свое очередь делится на общее и специальное программное обеспечение.
Программное обеспечение ДП позволяет обеспечить вычисление и графическое представление значений следующих параметров состояния (дорожного/аэродромного) покрытия:
а) текущее значение температуры (град. С) поверхности покрытия и на глубине ниже поверхности - до 50 мм;
б) максимальную температуру (град. С) поверхности искусственного покрытия и на глубине 50 мм за выбранный интервал времени;
в) минимальную температуру (град. С) поверхности покрытия и на глубине 50 мм за выбранный интервал времени;
г) текущее состояние искусственного покрытия (сухое, влажное, мокрое, покрытое изморозью, покрытое прозрачным льдом, покрытое снежным накатом, покрытое снежно-водяной смесью, покрытое смесью воды и противогололедных реагентов). Все перечисленные выше состояния дорожного покрытия выводятся в градациях цвета или буквенно-цифровом формате.
д) толщину пленки оптически прозрачных покрытий (вода, прозрачный лед);
е) электропроводность жидкостей на поверхности дороги;
ж) электрохимическую поляризацию на поверхности дорожного покрытия;
з) степень износа дорожного покрытия;
и) температуру начала кристаллизации жидкости, находящейся на поверхности, а также температуру окончательного замерзания;
к) концентрацию противогололедных реагентов.
Программное обеспечение ДП позволяет вручную осуществить ввод измеренных другими приборами значений параметров состояния атмосферы.
Принципиально датчик состоит из следующих элементов (фиг. 1-3): блок 1 оптических элементов, отвечающий за измерение толщины водяной пленки, датчик 2 наличия «черного льда», датчик 3 температуры поверхности, датчик 4 проводимости и электрохимической поляризации, корпус 5 с платой микропроцессора и датчиком температуры на углублении 5 см, уплотнительная трубка 6 и кабель 7 передачи данных.
На основании обработки комплекса измеренных данных формируется следующая информация: состояние покрытия, толщина водяной пленки, температура дорожного покрытия, температура на углублении, наличие противогололедного реагента, концентрация противогололедного реагента и температура точки замерзания противогололедного реагента.
Устройство может снабжаться беспроводным каналом связи с процессорным модулем сбора и передачи данных.
Устройство, может включать в свой состав охлаждающий и нагревательный элементы, для нагрева и охлаждения измерительной поверхности с целью определения температуры начала кристаллизации жидкости и температуры замерзания жидкости, находящейся на поверхности встроенного датчика покрытия. Устройство может включать в свой состав другие дополнительные чувствительные элементы, например, выносной датчик температуры на глубине до 1 метра.
Особенностью выполнения устройства в форме датчика является то, что верхняя часть корпуса может быть стерта (параллельно с износом дорожного покрытия) на глубину до 30 мм. Возможность износа достигается использованием специальных электродов датчика емкости и проводимости, а также световодов оптического измерительного канала. Оптический блок имеет два световода с одинаковой апертурой, запитанных двумя разными светодиодами, работающих на различных частотах инфракрасного спектра и два приемных световода с апертурой, отличающейся по площади в 4 раза. Датчик 3 температуры поверхности может истираться благодаря применению медной трубки 8 специальной конструкции, или применяя трубку 8 из истираемого материала с плотно посаженным перемещающимся кожухом 9 термодатчика (фиг. 4).
В качестве варианта внешний корпус может быть изготовлен из эпоксидной смолы. Параллельно с износом дорожного покрытия происходит стирание корпуса.
Определение «черного льда».
В результате радиационного выхолаживания дорожного покрытия до температур ниже 0°С и ниже температуры точки росы водяной пар из воздуха конденсируется и сразу замерзает, то есть переходит из газообразного состояния в лед, минуя жидкую фазу воды, и на поверхности дорожного покрытия образуется тонкий и прозрачный слой льда, так называемый «черный лед» (практически не видимый из водительских кабин проезжающих транспортных средств).
Для обнаружения «черного льда» у датчика 2 наличия "черного льда" имеется ёмкостной сенсор «черного льда». При образовании льда емкость сенсора уменьшается и возрастает частота генератора, в схему которого он включен. При этом оптический датчик 1 начинает определять толщины пленки на покрытии отличные от 0. На фиг. 5 показано изменение частоты на выходе датчика при понижении температуры ниже точки замерзания воды, а на фиг. 6  показан алгоритм определения на дорожном покрытии «черного льда».
Для определения наличия на поверхности дорожного покрытия противогололедных реагентов и оценки концентрации их раствора в устройстве имеются два чувствительных элемента, а именно: элемент измерения проводимости и элемент измерения электрохимической поляризации, вместе образующие датчик 4 проводимости и электрохимической поляризации. Проводимость измеряется через каждый заданный интервал времени.
Для измерения электрохимической поляризации на угольные электроды элемента электрохимической поляризации подается импульс амплитудой 2В, а затем в течение каждого периода измерения, составляющего каждые 0,5 с, измеряется остаточное напряжение на электродах. В зависимости от растворенного вещества и концентрации раствора меняется кривая изменения остаточного напряжения.
Встроенное устройство контроля состояния покрытия идентифицирует три типа противогололедных реагентов:
- ацетаты (ацетаты калия, магния);
- формиаты (формиат калия, формиат натрия);
- хлориды (хлорид кальция, натрия, магния);
Данный способ позволяет осуществлять измерения для новых типов противогололедного реагента (гликоли, нитраты, карбонаты и прочее).
После идентификации типа противогололедного реагента происходит определение его концентрации (при помощи контроля разницы dU: напряжения при подаче на электрод и остаточное напряжение). Расчёты уточняются значением проводимости среды, с поправкой на температуру измеряемой жидкости.
Исходя из информации о толщине водяной пленки рассчитывается абсолютное значение количества противогололедного реагента на покрытии (в граммах на один квадратный метр), а также температура точки замерзания жидкости (рассчитывается по типу противогололедного реагента с поправкой на количество раствора).
По имеющимся параметрам формируется сообщение о времени, через которое произойдет образование обледенения.
Количество противогололедного реагента определяется расчётом путем деления общего объема жидкости или снежно-водяной смеси на величину концентрации противогололедного реагента.
Для определения состояния покрытия используются четыре информационных канала:
- Емкостной сенсор «черного льда» (ЕС);
- Электрометрический сенсор наличия растворов и их концентраций (ЭС);
- Сенсоры температуры поверхности дороги и полотна на глубине 50мм (ТС).
- Оптоволоконный сенсор толщины прозрачных и полупрозрачных пленок на поверхности дороги (ОС).
По данному датчику определяется 2 величины: толщина слоя (H) и дисперсия этой толщины, рассчитанная по различным парам длин волн и диаметров апертур (Dh).
Комбинация показаний этих датчиков позволяет различать и индицировать в автоматическом режиме следующие состояния дорожного покрытия:
- сухое;
- влажное;
- мокрое;
- покрытое изморозью;
- покрытое прозрачным льдом;
- покрытое снежным накатом;
- покрытое снежно-водяной смесью;
- покрытое смесью воды и противогололедных реагентов;
Для формализации алгоритмов распознавания различных состояний дорожного покрытия ниже приведена таблица 1 соответствия различных показаний датчиков различным показаниям информационных каналов.
Таблица 1
№
Состояние дорожного покрытия
ЕС
ЭС
ТС
H
Dh
1.
- сухое;
F<sub>1</sub>
0
Не учиты-вается
0
0
2.
- влажное;
F<sub>2</sub>
0<V<V<sub>1</sub>
Не учиты-вается
0
>0
3.
- мокрое;
F<sub>2</sub>
V>V<sub>1</sub>
t>0C
0.05-10mm
0<v<0.05 mm
4.
- покрытое изморозью;
F<sub>1</sub>
0
t<0C
0.05-0.1mm
0.05<v<1 mm
5.
- покрытое прозрачным льдом;
F<sub>1</sub>
0
t<0C
0.05-10mm
0<v<0.05 mm
6.
- покрытое снежным накатом;
F<sub>1</sub>
0
t<0C
0.05-30mm
0.05<v<10mm
7.
- покрытое снежно-водяной смесью;
F<sub>2</sub>
V>V<sub>1</sub>
t<2C
0.05-10mm
0.05<v<10mm
8.
- покрытое смесью воды и противогололедных реагентов;
F<sub>2</sub>
V>V<sub>2</sub>
t<-5C
0.05-10mm
0<v<0.05 mm
Определение температуры точки замерзания жидкости с противогололедными реагентами происходит на основании сопоставления данных по концентрации противогололедного реагента, типа противогололедного реагента с табличными данными с учетом автокалибровки, основанной на статистических данных для данного конкретного места установки встроенного датчика покрытия.
1
2
Определение степени износа дорожного покрытия основано на принципе контроля частоты генератора чувствительного элемента сенсора. В зависимости от степени износа верхнего слоя устройства изменяются показатели частоты емкостного сенсора (F и F). В зависимости от показателя частоты при условии сухого покрытия и в заданных температурных границах определяется степень износа верхнего слоя встроенного датчика дорожного покрытия. Диапазон износа измеряется в пределах от 0 до 30 мм.
Таким образом, можно считать, что достоверность показаний достигнута тем, что в локальную зону дорожного покрытия встраивают рядом расположенные по крайней мере один оптический блок для измерения толщины водяной пленки, датчик для определения наличия «черного льда», датчик температуры поверхности, датчик для измерения проводимости и электрохимической поляризации, сенсорные элементы которых выводят на поверхность дорожного покрытия, а о состоянии покрытия судят по комплексным показаниям указанных датчиков, которые передают по интерфейсу RS485 в компьютеризированный блок расчета параметров состояния дорожного покрытия.