АНАЛИЗАТОР-ИЗМЕРИТЕЛЬ СОСТОЯНИЯ СЛОЯ ВОДЫ/ЛЬДА С ПРИМЕСЯМИ НА ДОРОЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ANALYSER-MEASURING DEVICE FOR DETERMINING STATE OF WATER/ICE LAYER WITH IMPURITIES ON ROAD SURFACE

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения и может быть использовано для идентификации фазы воды с примесями на горизонтальной поверхности и вычисления толщины этого слоя, например для защиты взлетно-посадочной полосы от гололеда/гололедицы.
Известные аналоги:
1. Thickness measurement device for ice, or ice mixed with water or other liquid. Patent №: US 6,239,601 B1. Data of Patent: May 29, 2001.
Устройство измерения толщины льда, или смеси льда с водой, или других жидкостей. Представленный аналог имеет следующие сходства с предлагаемым изобретением:
- функционально содержит сенсоры импеданса с различными геометрическими размерами,
- измерения выполняются на переменном токе.
Причины, препятствующие получению требуемого технического результата:
8
- для вычисления толщины слоя предлагается измерять импеданс сенсоров на разных частотах, выделять емкостную составляющую и использовать зависимость толщины от емкости контактирующих сенсоров импеданса. Учитывая тот факт, что принимаемые значения удельного электрического сопротивления воды в жидкой, твердой фазах и с различными примесями имеют довольно широкий диапазон: от единиц Ом*м (вода с примесями) до 10 Ом*м (чистый лед), то емкостная составляющая при низком удельном сопротивлении находится на уровне шумов, т.е. ее выделение невозможно. В результате, это устройство может обеспечивать измерения толщины в основном при высоком удельном сопротивлении присутствующего слоя.
2. Дорожный сенсор DRS511 фирмы Vaisala. Система анализа состояния поверхности дорог и взлетно-посадочных полос ROSA. Руководство по эксплуатации.
Представленный аналог имеет следующие сходства с предлагаемым изобретением:
- имеет датчики температуры поверхности и грунта,
- функционально содержит совмещенный сенсор проводимости и поляризации поверхности,
- измерения выполняются на переменном и постоянном токе, измеряется поляризация.
Причины, препятствующие получению требуемого технического результата:
- неравномерность распределения льда/воды в переходном процессе по поверхности, приводит к запоздалому определению состояния.
Заявляемое изобретения направлено на мгновенное определение смены фазы воды и снижение влияния фазы воды и наличие примесей в ней на точность измерения толщины.
Электрические приемные элементы выполнены в виде трех графитовых электродов, расположенных плоскопараллельно с различными расстояниями между ними; для анализа слоя электрический ток можно пропускать между любыми электродами в любом направлении; измерения сопротивления можно выполнять на переменном и постоянном токе; можно измерять напряжение поляризации любой пары электродов; диапазон принимаемых значений сопротивления делится на поддиапазоны; мгновенное принятие решения о составе слоя и его толщине; наличие процессора позволяет автоматически выбирать поддиапазон измерения и вводить зависимость толщины от измеренных характеристик, а также данные измерений выдавать в цифровом виде.
Слой над каждой из трех пар электродов анализируется по шести характеристикам, в отличии от дорожного сенсора DRS511 фирмы Vaisala, у которого каждый датчик отвечает за одну или две характеристики, причем датчики разнесены в пространстве.
Наделение универсальностью каждой пары электродов обеспечивает «одинаковый» анализируемый слой, а плоскопараллельное расположение электродов, возможность коммутации электродов и деление принимаемого диапазона сопротивлений пар электродов на поддиапазоны позволяют получить высокоточные измерения с трех пар электродов, что повышает достоверность измерений и позволяет мгновенно принимать решения о составе слоя и его толщине.
Фиг.1 - контактная поверхность анализатора-измерителя 5 (вид сверху). На фигуре изображено расположение электродов, контактирующих с анализируемым слоем.
Фиг.2 - функциональная схема анализатора-измерителя 12. Фигура иллюстрирует возможности коммутации электродов на различные измерительные каналы.
На фиг.1 изображена контактная поверхность 5 анализатора-измерителя. Контактная поверхность 5 включает в себя три электрода 1, 2, и 3 и датчик температуры поверхности 4. Электроды 1, 2, и 3 изготовлены из графита, что обеспечивает их устойчивость к внешним воздействиям. Электроды 1, 2, и 3 имеют одинаковые размеры и расположены параллельно друг к другу. Расстояние между электродами 1 и 2 составляет 3 мм, что в два раза меньше расстояния между электродами 2 и 3.
На фиг.2 изображена функциональная схема анализатора-измерителя 12. Датчик температуры поверхности 4 подключается к измерительному каналу температуры 9, а измерительный канал температуры 9 соединен с микропроцессором 10. Электроды 1, 2, и 3 через коммутатор 6 соединены с 6-поддиапазонным измерительным каналом сопротивления на переменном токе 7 и 4-поддиапазонным измерительным каналом сопротивления и напряжения поляризации на постоянном токе 8. 6-поддиапазонный измерительный канал сопротивления на переменном токе 7, 4-поддиапазонный измерительным канал сопротивления и напряжения поляризации на постоянном токе 8 и цифровой выход 11 соединены с микропроцессором 10.
При проведении калибровки анализатора-измерителя 12 получают пороговые значения электрических характеристик анализируемого слоя, функции зависимости этих характеристик от толщины и температуры слоя. Полученные данные заносят в память микропроцессора 10.
Микропроцессор 10, управляя коммутатором 6, 6-поддиапазонным измерительным каналом сопротивления на переменном токе 7, 4-поддиапазонным измерительным каналом сопротивления и напряжения поляризации на постоянном токе 8 и измерительным каналом температуры 9 для анализа слоя поверхности, может получать до 18, не считая температуру поверхности, характеристик этого слоя - по шесть характеристик с трех приемных элементов:
1. Сопротивление на переменном токе между электродами 1 и 2.
2. Сопротивление на постоянном токе между электродами 1 и 2.
3. Напряжение поляризации между электродами 1 и 2.
4. Сопротивление на переменном токе между электродами 2 и 1.
5. Сопротивление на постоянном токе между электродами 2 и 1.
6. Напряжение поляризации между электродами 2 и 1.
7. Сопротивление на переменном токе между электродами 1 и 3.
8. Сопротивление на постоянном токе между электродами 1 и 3.
9. Напряжение поляризации между электродами 1 и 3.
10. Сопротивление на переменном токе между электродами 3 и 1.
11. Сопротивление на постоянном токе между электродами 3 и 1.
12. Напряжение поляризации между электродами 3 и 1.
13. Сопротивление на переменном токе между электродами 2 и 3.
14. Сопротивление на постоянном токе между электродами 2 и 3.
15. Напряжение поляризации между электродами 2 и 3.
16. Сопротивление на переменном токе между электродами 3 и 2.
17. Сопротивление на постоянном токе между электродами 3 и 2.
18. Напряжение поляризации между электродами 3 и 2.
19. Температура поверхности.
Полученные значения сравниваются с пороговыми, и определяется состояние слоя, затем рассчитывается его толщина. Полученный результат измерений передается через цифровой выход 11 в линию связи.