СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ИЛИ СНЕГА НА КОНТРОЛИРУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD AND DEVICE OF DETECTING ICING OR SNOW ON A CONTROLLED SURFACE

Настоящая группа изобретений относится к способу и устройству для обнаружения осадков в виде льда или снега на контролируемой поверхности и может быть использована 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].
Наиболее близким к заявляемому способу аналогом (прототипом-способом) является 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;
10
- определяют начальную температуру T рабочей поверхности пластины данного чувствительного элемента;
10
- если T≤0°С, то включают нагреватель данного чувствительного элемента;
- отслеживают во времени, посредством устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, изменение температуры рабочей поверхности данного чувствительного элемента
1
1
где T - температура рабочей поверхности пластины данного элемента; f - функция, соответствующая эмпирической зависимости (1); t - текущее время с момента включения нагревателя, до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» - 0°С;
1
- 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 T на графике (1) на уровне упомянутого фазового перехода.
1
Недостатком прототипа-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 T 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 авторские эксперименты, 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. Все это определяет, в итоге, недостаточно высокие технико-эксплуатационные возможности способа-прототипа.
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 повышения достоверности оценки ситуации с обледенением и/или заснеженностью в районе установки датчика.
Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что в способе обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, при котором
- 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 льда или снега локально в зоне расположения датчика;
10
- определяют начальную температуру T рабочей поверхности пластины данного чувствительного элемента;
10
- если T≤0°С, то включают нагреватель данного чувствительного элемента;
- отслеживают во времени, посредством устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, изменение температуры рабочей поверхности данного чувствительного элемента
1
1
где T - температура рабочей поверхности пластины данного элемента; f - функция, соответствующая эмпирической зависимости (1); t - текущее время с момента включения нагревателя,
до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» - 0°С;
1
- в завершение всего способа как последовательности полного комплекса предусмотренных операций, 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 T на графике (1) на уровне упомянутого фазового перехода,
согласно заявляемому изобретению, дополнительно вводят операции:
- изначально обеспечивают в датчике второй чувствительный элемент, одинаковый с упомянутым первым и расположенный в той же плоскости, изолированный и удаленный от него на минимальное расстояние;
- после включения нагревателя первого чувствительного элемента, через заданный интервал задержки Δt включают нагреватель второго чувствительного элемента, что определяет асинхронность включения нагревателей;
- отслеживают во времени, посредством датчика и аппаратной части, изменение температуры рабочей поверхности и второго элемента
2
2
где T - температура рабочей поверхности пластины данного элемента; f - функция, соответствующая эмпирической зависимости (2),
до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» - 0°С;
- определяют, регистрируют, индицируют и/или регистрируют и передают, посредством аппаратной части, значения разности
обеспечивая тем самым, совместно с упомянутой асинхронностью включения нагревателей, аннулирование вкладов полезных сигналов, обусловленных плавлением льда или снега, и обнуление величины (3) вкладов вредных сигналов, обусловленных воздействием воздушных потоков;
- упомянутое заключение о наличии или отсутствии льда или снега, по крайней мере в зоне расположения датчика, делают по характеру и количественной характеристике (3) по критерию: о наличии свидетельствует только практическое обнуление величины (3):
Проблема (задача) решается также за счет дополнительного признака: интервал задержки Δt включения нагревателя второго чувствительного элемента задают величиной, меньшей продолжительности фазового перехода минимально значимого количества льда или снега на рабочей поверхности первого элемента, но большей интервала, при котором разностный сигнал является величиной того же порядка, что и сигнал помехи измерения (Это оптимизирует способ с основными перечисленными существенными признаками, обеспечивая величину перекрытия горизонтальных или почти горизонтальных участков графиков функций (1) и (2) в обеспечение, в свою очередь, «убедительно продолжительной» нулевой их разности при фактическом наличии обледенения или заснеженности, а с другой стороны - «убедительной асинхронности» этих функций).
1
2
1
2
ф1
ф2
ф
ф2
ф1
На фиг. 1 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 T - измеряемая температура рабочих поверхностей обледенелых пластин первого и второго чувствительных элементов датчика; T-T - разность температуры в каждый момент времени; Δt - временная задержка включения второго нагревателя после включения первого; f, t - продолжительность (периоды) фазовых превращений (таяния льда или снега) на рабочих поверхностях первого и второго чувствительных элементов датчика соответственно, Δt - перекрытие периодов t и t;
на фиг. 2 изображена укрупненная блок-схема заявляемого устройства для осуществления заявляемого способа обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, вид в плане, где позициями обозначены: 1 - датчик; 2 - первый чувствительный элемент датчика; 3 - второй чувствительный элемент датчика; 4 и 5 - электрические нагреватели первого и второго чувствительных элементов соответственно; 6 и 7 - датчики температуры (термодатчики, преимущественно термопары) первого и второго чувствительных элементов соответственно; 8 и 9 - нормально-разомкнутые контакты (условно, для наглядности, с вероятной заменой эквивалентной электронной схемой) раздельного включения/выключения нагревателей 4 и 5; 10 - аппаратная часть заявляемого устройства;
на фиг. 3 упрощенно показана конструкция датчика как основного составного узла заявляемого устройства для осуществления заявляемого способа, в продольном вертикальном сечении, где сохранены номера позиций фигуры 2 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 элементами 2 и 3; L - величина зазора/слоя 17.
на фиг. 4 - 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
на фиг. 5 - графики значений температуры чувствительных элементов датчика и их разности с течением времени работы нагревателей при асинхронном включении их нагревателей (экспериментальный, при обледенелых рабочих поверхностях, как один из результатов испытаний образца ЛОИ по фиг. 4), где измеряемая термодатчиками температура Т и Т обозначены позициями 1 и 2 соответственно, а их разность Т-Т - позицией 3.
1
2
1
2
'
'
'
'
На фиг. 6 - графики значений температуры чувствительных элементов датчика и их разности с течением времени работы нагревателей при асинхронном включении их нагревателей (экспериментальный, при «чистых» пластинах, как другой из результатов испытаний образца ЛОИ по фиг. 4), где измеряемая термодатчиками температура Т и Тобозначены позициями 1 и 2 соответственно, а их разность Т-Т - позицией 3.
На фиг. 5 и 6 по оси абсцисс отложено условное время в дискретных отсчетах, а по оси ординат - температура в условных единицах, которые могут быть приведены к градусам Цельсия, поскольку получены в результате реального опыта.
Для наглядности кривые 1 и 2 разогрева сдвинуты вниз на значение температуры, соответствующее моменту включения. В результате нулю на графиках отвечает температура в момент включения нагревателей.
В основу предлагаемого способа положено явление, используемое в прототипе, а именно: кривая роста температуры металлической пластины, одна сторона которой граничит с контролируемой средой, а к другой присоединен нагреватель, в идеальном случае отсутствия атмосферных возмущений и загрязнений ее поверхности, имеет горизонтальный участок. Этому горизонтальному участку отвечают моменты времени, соответствующие плавлению льда или снега (фазовому переходу в жидкое состояние), находящегося на рабочей поверхности пластины чувствительного элемента.
Изобретательский замысел заявляемого технического предложения заключается в том, что сигнал, используемый для выработки решения о наличии осадков, является разностью сигналов от двух идентичных чувствительных элементов (на минимальном расстоянии друг от друга в составе датчика), причем в процессе измерения температуры нагреватель одного из них включается с опережением относительно другого (см. фиг. 1). Такое асинхронное включение нагревателей обеспечивает асинхронность вкладов полезного сигнала, обусловленного плавлением льда или снега, в сигнал каждого из каналов (первого и второго по номеру чувствительного элемента), в то время как мешающий сигнал, обусловленный атмосферными воздействиями, является синхронным вкладом.
1
2
асинхр.1
асинхр.2
синхр⋅1
синхр.2
синхр⋅1
синхр.2
синхр.
Математически это можно представить следующим образом, условно разложив текущие значения температур Т и Т на составляющие - «асинхронный» компонент Т и Т соответственно и «синхронный» компонент Т и Т, причем Т=Т=Т (поскольку воздействующие на минимально разнесенные пластины первого и второго чувствительных элементов потоки воздуха практически одинаковы):
1
2
При синхронном (в каждый момент времени) вычитании Т-Т влияние потоков воздуха (как вредный сигнал) обнуляются, и при отсутствии льда или снега:
синхр.
синхр.
Т-Т=0;
1
2
асинxр.1
асинxр.2
T-T=T-T≠0.
При наличии же на пластинах льда и/или снега, вклады полезных сигналов в моменты времени, соответствующие фазовому переходу, аннулируются:
асинхр.1
асинхр.2
T-T;
1
2
асинхр.1
асинxр.2
T-Т=T-T=0.
1
2
1
2
Итак, обнуление разности T-T будет свидетельствовать о наличии льда или снега на датчике, а значит и в локальной зоне контролируемой поверхности. На практике отслеживаются моменты времени, в которые разность T-T становится меньше заданного порогового значения.
Для осуществления заявляемого способа устройство, используемое для осуществления описанного выше способа-прототипа, непригодно без внесения в него существенных изменений и дополнений конструктивного характера. Прежде всего потому, что в нем всего один чувствительный элемент.
В результате предварительного информационного поиска Заявителем не обнаружены какие-либо известные ранее устройства, конструкция которых позволила бы осуществить заявляемый способ. Однако аналоги различной степени близости к потребной совокупности существенных конструктивных признаков (но не выше уровня релевантности «А») выявлены и использованы, наряду с упоминанием выше в обзоре способов, в настоящем кратком обзоре современного уровня техники в рассматриваемой области.
Так, известно устройство для определения наличия и интенсивности обледенения, содержащее (согласно формуле изобретения) индикатор, датчик обледенения, который включает в себя датчик температуры воздуха, а также первый и второй чувствительные элементы, каждый из которых включает нагреватель и термодатчик, причем нагреватели первого и второго чувствительных элементов подключены к выходам первого и второго регуляторов мощности соответственно, отличающееся тем, что в него введены блок управления первого регулятора мощности, первый и второй сумматоры, а также усилитель, при этом термодатчик первого чувствительного элемента подключен к входу блока управления и первому входу первого сумматора, второй и третий входы которого подключены к датчику температуры воздуха и термодатчику второго чувствительного элемента соответственно, выход блока управления подключен к входу первого регулятора мощности и первому входу второго сумматора, а выход первого сумматора - к входу усилителя, выход которого подключен к входу индикатора и ко второму входу второго сумматора, подключенного своим выходом к входу второго регулятора мощности, при этом коэффициенты передачи по первому, второму и третьему входам первого сумматора равны соответственно значениям ε, (1-ε) и -1, а по первому и второму входам второго сумматора равны соответственно значениям ε и 1, причем значение ε меньше единицы. [3. RU 2393976 С1, B64D 15/20, 10.07.2010]. Этим решают задачу упрощения устройства, реализующего известный способ измерения интенсивности обледенения, а также повышения его надежности.
Однако этот аналог «не доведен» до пригодности к реализации заявляемого способа из-за отсутствия в аппаратной части устройства (здесь и далее по тексту - авторское обобщение на конструкцию с условно выделенным из нее датчиком, см. также поз 10 на фиг. 2 описания заявляемой группы изобретений). В нем чувствительные элементы по-разному ориентированы в пространстве и целенаправленно удалены друг от друга на достаточно большое расстояние, то есть помещены в заведомо различные условия внешней среды (на стрелочном переводе, например, вследствие выраженной дифферентности распределения воздушных потоков, а значит и обледенения и заснеженности в пространстве практически одинаковыми условиями можно считать только на участке примерно до полуметра на сторону), устройство управления выполнено без возможности включения второго нагревателя с задержкой времени после включения первого (во всяком случае, о такой возможности в описании прототипа ничего не сказано), а величины ΔT(t) используется в аппаратной части «для внутренних нужд» - лишь как промежуточная «разностная» операция в устройстве обработки данных, не выводящаяся на устройства индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных и как таковая не используемая для окончательной оценки ситуации с обледенением и/или заснеженностью. Собственно, здесь чего-либо иного и не требовалось, поскольку известное устройство было создано под соответствующий известный способ.
Известно также устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда, содержащее (согласно формуле изобретения) датчик обледенения, включающий рабочий и компенсирующий чувствительные элементы, имеющие нагреватели и термодатчики, первый термостабилизатор, первым входом подключенный к термодатчику рабочего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю рабочего чувствительного элемента, второй термостабилизатор, первым входом подключенный к термодатчику компенсирующего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю компенсирующего чувствительного элемента, устройство выделения разности мощностей, подключенное первым входом к выходу первого термостабилизатора, вторым входом к выходу второго термостабилизатора, а своим выходом к входу первого нелинейного элемента, а также первый индикатор и интегратор, подключенный ко второму индикатору, отличающееся тем, что в него введены измеритель температуры наружного воздуха, второй нелинейный элемент и блок умножения, причем выход измерителя температуры наружного воздуха подключен к входу второго нелинейного элемента, выход которого подключен ко второму входу блока умножения, выход первого нелинейного элемента соединен с первым входом блока умножения, выход которого соединен с интегратором и первым [4. RU 62082 U1, B64D 15/20, 27.03.2007]. Этим решают задачу уменьшения влияния изменения температуры наружного воздуха на показания устройства, а технический результат формулируют как «повышение точности определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда на поверхностях летательного аппарата, находящихся в воздушном потоке во всем эксплуатационном диапазоне изменения температуры наружного воздуха».
Однако и этот аналог «не доведен» до пригодности к реализации заявляемого способа по той же причине (см. критику предыдущего аналога).
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства (прототипом-устройством) по назначению и совокупности существенных признаков является, по мнению Заявителя, устройство для определения интенсивности обледенения и толщины отложения льда, содержащее (согласно формуле изобретения) датчик обледенения, включающий рабочий и компенсирующий чувствительные элементы, имеющие нагреватели и термодатчики, а также первый индикатор, отличающееся тем, что в него введены первый и второй термостабилизаторы, устройство выделения разности мощностей, нелинейный элемент, интегратор и второй индикатор, причем первый термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику рабочего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю рабочего чувствительного элемента, второй термостабилизатор своим входом подключен к термодатчику компенсирующего чувствительного элемента, а выходом к нагревателю компенсирующего чувствительного элемента, устройство выделения разности мощностей подключено своим первым входом к выходу первого термостабилизатора, вторым входом к выходу второго термостабилизатора, а своим выходом к входу нелинейного элемента, выход которого подключен к входам первого индикатора и интегратора, к выходу которого подключен второй индикатор [5. RU 2243923 С1, B64D 15/20, 10.01.2005, пп. 27-33 ф-лы]. Технической задачей прототипа-устройства является «повышение точности определения интенсивности обледенения поверхностей, находящихся в воздушном потоке, а также повышение надежности устройства».
В адаптированном (прежде всего, по терминологии) к сравнительному анализу с заявляемым устройством, с перспективой построения формулы изобретения в части устройства, устройство-прототип можно охарактеризовать общей с заявляемым устройством совокупностью признаков (ограничительная часть будущей формулы изобретения):
1
2
устройство обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, содержащее датчик с конструктивно одинаковыми, изолированными друг от друга первым и вторым чувствительными элементами, в составе каждого из которых имеются теплопроводная пластина с внешней рабочей поверхностью для атмосферного воздействия, встроенный датчик температуры пластины T, Т, нагреватель с тыльной ее стороны (на тыльной ее поверхности), а также аппаратную часть с устройствами управления, измерения, обработки информации индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, при этом в устройстве обработки информации предусмотрена разностная схема определения, согласно выражению (3), величины
1
2
ΔT(t)=T(t)-T(t).
При всех своих положительных качествах, прототип-устройство также непригоден (без изменения и дополнения конструкции) к реализации заявляемого способа: чувствительные элементы по-разному ориентированы в пространстве и целенаправленно удалены друг от друга на достаточно большое расстояние, то есть помещены в заведомо различные условия внешней среды (на стрелочном переводе, например, вследствие выраженной дифферентности распределения воздушных потоков, а значит и обледенения и заснеженности в пространстве практически одинаковыми условиями можно считать только на участке примерно до полуметра на сторону), устройство управления выполнено без возможности включения второго нагревателя с задержкой времени после включения первого (во всяком случае, о такой возможности в описании прототипа ничего не сказано), а величины ΔT(t) используется в аппаратной части «для внутренних нужд» - лишь как промежуточная «разностная» операция в устройстве обработки данных, не выводящаяся на устройства индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных и как таковая не используемая для окончательной оценки ситуации с обледенением и/или заснеженностью. Собственно, в прототипе-устройстве чего-либо иного и не требовалось, поскольку это устройство было создано под прототип-способ, существенно отличающийся от заявляемого.
Проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение (устройство), заключается в создании устройства, лишенного отмеченных недостатков прототипа-устройства и пригодного для использования для осуществления заявляемого способа. То есть ставится та же задача, что и в предложении нового способа - повышения достоверности оценки ситуации с обледенением и/или заснеженностью в районе установки датчика.
1
2
Решение обозначенной очередной проблемы (задачи) достигается тем, что в устройстве обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности для осуществления заявляемого способа, содержащем датчик с конструктивно одинаковыми, изолированными друг от друга первым и вторым чувствительными элементами, в составе каждого из которых имеются теплопроводная пластина с внешней рабочей поверхностью для атмосферного воздействия, встроенный датчик температуры пластины T, Т, нагреватель на тыльной ее поверхности (с тыльной стороны пластины), а также аппаратную часть с устройствами управления, измерения, обработки информации, индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, при этом в устройстве обработки информации предусмотрена разностная схема определения, согласно выражению (3), величины
1
2
ΔT(t)=T(t)-T(t).
согласно заявляемому изобретению, чувствительные элементы одинаково, горизонтально ориентированы в пространстве и удалены друг от друга на минимальное расстояние (L), устройство управления выполнено с возможностью включения второго нагревателя с задержкой времени (Δt). после включения первого, а устройства индикации и/или регистрации сигналов выполнены с возможностью независимых прямых индикации и регистрации величины ΔT(t).
Рассмотрим пример конструктивного выполнения заявляемого устройства с привлечением иллюстративного материала (см. фиг. 2-4).
Устройство обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности для осуществления заявляемого способа, содержит датчик 1 с конструктивно одинаковыми, изолированными друг от друга чувствительными элементами (ЧЭ) первым 2 и вторым 3 (последовательность их нумерации не принципиальна).
В составе каждого ЧЭ (2 и 3) имеются:
- теплопроводная пластина (11 для первого ЧЭ 2 и 12 для второго ЧЭ 3) с внешней рабочей поверхностью (13 и 14 для пластин 11 и 12 соответственно);
1
2
- встроенный датчик температуры (температуры T пластины 11, и температуры Т пластины 12, иначе говоря - термодатчики, преимущественно одинаковые термопары, спай которых расположен максимально близко к рабочей поверхности 13 и 14 соответственно);
- нагреватель (4 и 5 с тыльной стороны 15 и 16 для пластин 11 и 12 соответственно, преимущественно одинаковые конструктивно);
- аппаратная часть 10 с устройствами управления, измерения, обработки информации, индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных (как в пределах устройства, так и с удаленными устройствами (кабельная, радио- или иная связь).
Нагреватели 4 и 5, преимущественно электрические, первого ЧЭ 2 и второго ЧЭ 3 рассчитаны преимущественно под одинаковую мощность тепловыделения в них (в пределах 20…80 Вт).
В устройстве обработки информации предусмотрена (на иллюстрациях не показана) разностная схема определения, согласно выражению (3), величины
1
2
ΔТ(t)=Т(t)-Т(t).
Устройства индикации и/или регистрации сигналов выполнены с возможностью независимых прямых индикации и регистрации величины ΔT(t), а также, при необходимости, передачи удаленному пользователю (например, диспетчеру или дежурному), посредством устройства передачи данных.
В обеспечение равнозначных условий атмосферного воздействия на рабочие поверхности 13 и 14, первого и второго ЧЭ (2 и 3), во-первых, лежат в одной плоскости и на стрелочном переводе железнодорожных путей, например, подлежат установке с горизонтальной ориентацией в пространстве и, во-вторых, удалены друг от друга (зазор воздушный или слой иной теплоизоляции 17) на минимальное расстояние L (в пределах 4…10 мм).
Устройство управления выполнено с возможностью включения второго нагревателя 5 с задержкой времени Δt (см. фиг. 1) после включения первого 4. Это является важнейшим признаком как способа, так и устройства.
Для этого в устройстве (точнее, в аппаратной его части) предусмотрено устройство независимого включения/выключения подачи электропитания на нагреватели 4 и 5 на базе известных электронных средств. Для очевидности иллюстративного материала на фиг. 2 приведена условная электрическая аналогия - нормально-разомкнутые контакты 8 и 9.
Рекомендуется интервал задержки Δt включения нагревателя 5 второго ЧЭ 3 задавать величиной, меньшей продолжительности фазового перехода минимально значимого количества льда или снега на рабочей поверхности 14 первого чувствительного элемента 2, но большей интервала, при котором разностный сигнал является величиной того же порядка, что и сигнал помехи измерения. Практически величина Δt составляет, как правило, несколько секунд.
Работа (функционирование) заявляемого устройства, в соответствии с его назначением как средства реализации заявляемого способа, соответствует этому способу и представляет собой следующую последовательность операций (с указанием введенных позиций для составных элементов устройства):
- на контролируемой поверхности устанавливают датчик 1, имеющий чувствительные элементы 2 и 3 (далее - «первый» и «второй» соответственно), снабженные каждый теплопроводной пластиной (11 и 12) с внешней рабочей поверхностью (13 и 14) для воздействия на нее окружающей среды, встроенным датчиком температуры (6, 7) пластины (11 и 12) и нагревателем (4 и 5) на тыльной ее поверхности (15 и 16);
- датчик 1 подключают к аппаратной части 10 с устройствами управления, измерения, обработки информации индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, входящей, наряду с датчиком 1, в состав устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, по крайней мере с возможностью предположительного обнаружения льда или снега локально в зоне расположения датчика 1;
10
- определяют, посредством термодатчика 6, начальную температуру T рабочей поверхности 13 пластины 11 первого чувствительного элемента 2;
10
- если T≤0°С, то включают, с замыканием нормально разомкнутого контакта 8, нагреватель 4 первого чувствительного элемента 2;
1
1
- начинают отслеживать во времени, посредством устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, изменение температуры T=f(t) рабочей поверхности 13 первого чувствительного элемента 2 до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» - 0°С;
- после включения нагревателя 4 первого чувствительного элемента 2, через заданный интервал задержки Δt (несколько секунд) включают, с замыканием нормально разомкнутого контакта 9, нагреватель 5 второго чувствительного элемента 3, что определяет асинхронность включения нагревателей 4 и 5;
1
1
2
2
- продолжая отслеживать процесс Т=f(t), начинают одновременно отслеживать во времени, посредством датчика 1 и аппаратной части 10, изменение температуры рабочей поверхности и второго чувствительного элемента 3, как функции T=f(t). причем оба этих процесса отслеживают до значений, превышающих температуру фазового превращения воды (таяния льда и/или снега) «твердое-жидкое» - 0°С;
- по крайней мере с момента включения нагревателя 5 второго чувствительного элемента 3 (а лучше - уже с момента включения нагревателя 4 первого чувствительного элемента 2, определяют, регистрируют, индицируют и/или регистрируют и передают (то есть делают оперативно доступной для пользователей информацией), посредством аппаратной части 10 устройства, значения (полученной разностной схемой) разности
обеспечивая тем самым, совместно с упомянутой асинхронностью включения нагревателей 4 и 5, аннулирование вкладов полезных сигналов, обусловленных плавлением льда или снега, и обнуление величины ΔT(t) вкладов вредных сигналов, обусловленных воздействием воздушных потоков на рабочие поверхности 13 и 14 пластин 11 и 12;
1
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 T и Т на уровне фазового перехода, по характеру и количественной характеристике (3) по критерию: о наличии обледенения или заснеженности свидетельствует только практическое обнуление величины: ΔT(t)=0.
Возможность технологической/промышленной реализации заявляемого изобретения, а также работоспособность и эффективность (в соответствии с техническими требованиями) подтверждена Заявителем путем изготовления и успешных лабораторно-отработочных испытаний в климатических условиях, аналогичных заданным эксплуатационным (см. фото/фиг. 4). Все комплектующие и материалы дл изготовления образца ЛОИ освоены промышленностью и находятся в свободном доступе.
При испытаниях образца ЛОИ (см. фиг. 4), были получены эмпирические данные:
- графики нагрева (см. фиг. 5) обледенелого датчика с фазовым переходом (плавлением льда), с демонстрацией практического обнуления разности температуры первой и второй пластин 11 и 12 на перекрытии «площадок фазового перехода»;
- графики нагрева (см. фиг. 6) «чистого» датчика, для сравнения с графиками фиг. 6 и визуализации при этом технического результата.
Для экономии времени на поверхность пластин помещались, с целью имитации их обледенения, заранее заготовленные кусочки льда. При включении нагревателей лед начинал плавиться только в точках контакта с поверхностью пластин, этим моментам соответствуют максимумы на кривых (см. фиг. 5). При дальнейшем расплавлении лед опускался на пластины, приходя с ними в полный контакт. При этом теплоотдача пластин увеличивалась, их температура падала, а затем стабилизировалась до момента полного расплавления льда.
Таким образом, использование заявляемой группы изобретений (способа и устройства) позволяет достичь технического результата в соответствии с решаемой проблемой: обеспечен способ, пригодный для использования в заявленных областях техники, при котором отмеченные недостатки прототипа-способа и прототипа-устройства устранены, что обусловливает повышение достоверности оценки ситуации с обледенением и/или заснеженностью в районе установки датчика.