АВТОМОБИЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ТЕРМОКАРТИРОВАНИЯ ДОРОГ

АВТОМОБИЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ТЕРМОКАРТИРОВАНИЯ ДОРОГ.
Предлагаемая полезная модель относится к области метеорологической измерительной техники для прогнозирования образования скользкости на автомобильных дорогах и направлена на повышение безопасности движения и снижение затрат на обслуживание автодорог в зимнее время.
Термокартирование предполагает снятие 5-10 зависимостей распределения температуры покрытия автодороги в определенных погодных условиях и создание на их основе карт, которые затем используются для прогнозировавшя.
В настоящее время, в ряде стран развриается аппаратура и методы дистанционного безконтактного измерения температуры дорожного покрытия. Основной такой аппаратуры является пирометр, который регистрирует поток излучения, пропорциональный температуре дорожного покрытия или, точнее, разности температур покрытия и приемника излучения. В отличие от истинной температуры, которую можно измерить контактным термометром, при бесконтактном измерении в движении речь может идти о радиационной, яркостной или цветовой температурах. Достоверность оценок истинной температуры дорожного покрьггия зависит от метрологических свойств пирометра, коэффициента излучения и других свойств поверхности покрытия.
Известно устройство аналогичного назначения, в котором пирометр находится под днищем автомобиля (Jainmin Shao, Jonathan Lister. Filtering for Thermal Mapping of Road Surface Temperatures // Vaisala News.- 1995.- №138.- P. 12-16). Несмотря на то, что измерения обычно вьшолняются в сухую погоду, оптика прибора при таком размещении подвержена воздействию пыли и макрочастиц, находящихся на
2 О, О О . 1 0. 1 .6.0
МПК G01W1/10 , Е01С11/24
поверхности дорожного покрытия. В связи с тем, что пирометр располагается близко к поверхности, комплекс способен контролировать температуру одной полосы движения, а точнее ее части, имеющей ширину меньше расстояния между колесами. Для контроля многополосной магистрали потребуется соответствующее число проездов. Негативным аспектом компоновки являются также флуктуации показаний даже на небольших неоднородностях поверхности дорожного покрьггия. Кроме того, размещение пирометра под днищем автомобиля затрудняет техническое обслуживание.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является комплекс (J.S.ICirk., F.Knudsen.Warning-system for slippery roads // Danish Road Directorate. - 1997. - N47.- P.8-9), в котором три пирометра зафиксированы на съемной измерительной стойке, установленной на переднем бампере автомобиля. Такое размещение зхудшаег обзор и затрудняет условия работы водителю, создает опасность возникновения дорожно-транспортного происшествия с тяжелыми последствиями вследствие увеличения вероятности травмирования участников дорожного движения элементами конструкции. Даже при неопасном для машины столкновении возникает риск повреждения аппаратуры. Для калибровки пирометра в этом измерительном комплексе используются стационарные посты, оснащенные встроенными в дорожное полотно датчиками температуры. Такой подход требует оснащения автомобильных дорог большим количеством дорогостоящих автоматических метеостанций.
При создании предлагаемой полезной модели решалась задача совершенствования технико-эксплуатационных показателей автомобильного измерительного комплекса для термокартирования и повышения достоверности измерений.
Поставленная задача в комплексе, включающем пирометр, канал регистрации пройденного пути и блок регистрации на базе портативного компьютера, решается за счет того, что пирометры содержат встроенный датчик измерения температуры воздуха и располагаются на шарнире в задней части автомобиля так, что визируемые зоны находятся позади и сбоку автомобиля, а также за счет того, что в комплекс введен контактный термометр.
Вариант реализации комплекса на базе микроавтобуса иллюстрирует фигура 1.
Шарнир имеет две угловых степени свободы и позволяет изменять наклон оптической оси пирометра так, что при достаточно большой высоте и визируемая зона может находиться как позади автомобиля, так на соседних полосах движения. При необходимости параллельного измерения двух и более полос или нескольких участков одной полосы с помощью соответствующего числа пирометров требуемое пространственное разрешение (Лх-вдоль полосы и Упоперек) достигается за счет изменения угла наклона а и поворота вокруг второй оси. В с.11учае, когда визируется зона позади автомобиля, значения Ax.vi Ау рассчитываются по формулам 1 и 2:
Ax  h X tg(a (a  + Z)«,r /cos a ;(1)
ЛУ  (2h X tga) /cosa + Dex (2)
Здесь 2й}- плоский угол зрения, DSX - диаметр входного зрачка пирометра.
Такое размещение пирометра уменьшает вероятность загрязнения и повреждения входной оптики, так как воздушный поток воздействует на тыльную сторону корпуса пирометра, сводит к минимуму риск повреждения измерительной аппаратзры при столкновениях.
Использование встроенного температурного датчика позволяет упростить электрические связи и снизить влияние переменной скорости движения и ветра на точность определения температуры воздуха. Датчик обеспечивает также
дополнительную возможность корректировки показаний за счет )ета собственной температуры пирометра, которая в случае пассивного варианта термостатирования близка к температуре окружающего воздуха.
Важным аспектом измерения температуры оптическими средствами является учет излучательной способности или коэффициента излучения контролируемой поверхности. Поток теплового излучения, приходящий на приемник, определяется разностью температур объекта Тщм и приемника , излучательной способностью ги параметрами оптической части прибора. В узком диапазоне изменения температуры, характерном для данного применения, допустимо линейное приближение (Tu3M - Т„р)с. Здесь N представляет величину показаний пирометра, а коэффициент k учитьшает параметры оптической части прибора. Из соотношения следует, что ошибка оценки истинной температуры  прямо связана с неопределенностью коэффициента излучения. Для ее снижения спектральный диапазон работы выбирается в области 8...14мкм, где вариации наименьшие. Однако даже в этом случае, коэффициент излучения асфальтобетонного покрьггия может меняться в пределах 0,92...0,98. Эти различия могут быть еще больше при изменении структуры и состава асфальтобетонного покрытия, наличии на поверхности росы или образовании изморозевых явлений. С другой стороны, при визировании под углами к нормали более 45° негативное влияние оказьшает структура поверхности дорожного покрытия: шероховатость и пористость. Для адекватного учета этих аспектов в состав комплекса введен контактный термометр. Разделив показания пирометра на измеренное контактным термометром значение температуры можно определить коэффициент излучения асфальтобетонного покрытия и, таким образом, автоматически внести необходимую поправку при термокартировании.
Полезная модель практически реализована на базе дорожной измерительной лаборатории КП-514МП и экспериментального образца пирометра ДП-2. Нормализованные аналоговые выходные сигналы пирометра и датчика температуры воздуха преобразуются с помощью устройства сопряжения Е-330 в цифровую форму и передаются в портативный компьютер через параллельный порт ЕРР. Посредством дискретных каналов обмена устройства Е-330 в компьютер вводится информация от датчика пройденного пути. Температура дорожного покрытия, измеренная контактным термометром до начала проезда или, в случае изменения состава и структуры асфальтобетонного покрытия, при специальной остановке, вводится с клавиатуры в ПЭВМ. В результате соответствующей текущей обработки формируется таблица, содержащая значения температур дорожного покрытия и воздуха в точках с выбранным линейным шагом. После совместной обработки данных требуемого набора проездов формируется термическая карта дороги, которая используется для прогнозирования образования скользкости на автомобильных дорогах и принятия превинтивных мер эксплуатирующими организациями.
Опытная эксплуатация комплекса показала, что при увеличении зоны визирования снижаются случайные вариации показаний пирометра. Это обстоятельство в совокупности с аппаратной или цифровой фи.ш трацией в реальном масштабе времени позволяет существенно сократить объем информации и трудоемкость последующего анализа.
Таким образом, предлагаемые технические решения позволяют минимизировать ряд составляющих погрешности бесконтактного измерения температуры дорожного покрытия и  технико-эксплуатационные характеристики комплекса.