СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА СНЕГОВОЙ НАГРУЗКИ
REMOTE SNOW LOAD MONITORING SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к бесконтактному измерению снеговой нагрузки, что может быть использовано в различных областях. Величина снеговой нагрузки является важным показателем, необходимым в строительстве при проектировании зданий и сооружений; в системах жизнеобеспечения для оценки критической для кровли зданий нагрузки и вероятности ее обрушения; в области метеорологии для мониторинговых исследований динамики метелей и определения величины запаса воды в снежном покрове (снегозапаса), характеристики используемой при оценке лавинной опасности и прогнозировании половодья на реках.
Многие известные системы оценки снеговой нагрузки опираются на дискретные измерения толщины снега с дальнейшим теоретическим пересчетом в снеговую нагрузку, но такие расчеты часто не учитывают многие природные процессы, которые могут вносить значительный вклад в снеговую нагрузку на грунт или кровлю.
Так, известен способ определения высоты снежного покрова, позволяющий осуществлять мониторинг снеговой нагрузки, при котором на вертикальной рейке, установленной при помощи треноги, имеются цифровые термометры, показания которых передаются при помощи USB кабеля на компьютер, где по специальной программе вычисляется высота снежного покрова [Патент РФ №2542598, опубл. 20.02.2015]. Недостатком известного способа является возможность его реализации только на территориях метеорологических станций. Кроме того, данным способом снежная нагрузка измеряется не напрямую, а через высоту снежного покрова, следовательно, требуются дополнительные пересчеты. А также при использовании указанного способа, возникает необходимость устройства USB кабеля под землей.
Известно устройство для определения толщины снежного покрова, состоящее из датчика уровня высоты снежного покрова с вертикально установленной цепочкой датчиков температуры, соединенной с контроллером для считывания. Устройство дополнительно содержит радиомодем, антенну, датчики положения (гироскопы, компас), GPS-приемник, блок автономного питания, выходы которых соединены с контроллером. Само устройство вмонтировано в длинный жесткий пластиковый корпус с крышкой в верхней его части и острым нижним наконечником, позволяющим устанавливать устройство в снег с помощью вдавливания или вбивания [Патент РФ №2617146, опубл. 21.04.2017]. Недостатком данного метода является измерение верхней границы снежного покрова за счет температурного профиля, что может иметь большие погрешности для измерения снежной нагрузки, кроме того, пересчет толщины снежного покрова в нагрузку также несет за собой отклонения.
Известен способ мониторинга снеговой нагрузки на покрытии зданий с применением беспилотных летательных аппаратов, основанный на аэрофотосъемке контрольных точек покрытия здания вначале при отсутствии снежного покрова с использованием беспилотных летательных аппаратов, а далее после каждого выпадения атмосферных осадков в виде снега. На основании полученных данных определяют высотные отметки контрольных точек, затем, в зависимости от температуры воздуха, определяют среднюю расчетную плотность снега и далее среднюю величину расчетной снеговой нагрузки [Патент РФ №2733979, опубл. 08.10.2020]. Недостатком способа является использование беспилотного летательного аппарата, что не всегда бывает возможным по погодным условиям. Так же метод содержит большое количество математических пересчетов, в которых трудно учесть все погрешности.
2
Также известен способ непрерывного мониторинга снежного покрова, основанный на принципе измерения тензодатчиков. В данном методе датчик состоит из инструментальной центральной перфорированной алюминиевой панели, окруженной шестью такими же перфорированными алюминиевыми панелями, привинченных к раме, состоящей из шести плоских профилей и двух L-образных профилей. Панели поддерживаются угловыми балками для обеспечения прочности и жесткости. Для монтажа системы необходимо ровное подполье с максимальным наклоном 5° [https://www.sommer.at/en/products/snow-ice/snow-scales-ssg-2]. Недостатком системы является большая измерительная поверхность, равная 6,72 м, что требует наличия большой ровной площадки для ее установки. Кроме того, система сильно ограничена необходимостью установки на ровную поверхность без наклона, что сужает варианты ее использования. Также в доступной информации нет сведений о методах передачи и обработки получаемых модулем данных.
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является система дистанционного мониторинга снеговой нагрузки на кровле зданий, которая представляет собой весовую платформу, оснащенную тензодатчиками и подключенную к подсистеме аналого-цифрового преобразования данных с передачей их на компьютер [Лобкина В.А. и др. «Система дистанционного мониторинга снеговой нагрузки на кровле зданий» // Лед и Снег, 2016, Т. 56, №2, с. 246-252]. Согласно описанной системе, она состоит из измерительного модуля в виде квадратной платформы площадью 1 м, оборудованного четырьмя тензодатчиками по углам. Тензодатчики представляют собой балку, которая одним концом фиксируется неподвижно, а на другой конец прикладывается сила. Тензодатчики подключены к суммирующей коробке, в которой на основе значений нагрузки, полученных с датчиков, рассчитывается фактическая масса снега. Суммирующая коробка подключена к весовому индикатору, через который выполняются предварительная настройка и калибровка весов. После настройки значение текущей массы с суммирующей коробки приходит на индикатор и отображается на электронном табло. Весовой индикатор оснащен интерфейсом RS485, позволяющим передавать данные на другие устройства, в том числе и на персональный компьютер по протоколу Modbus. Для связи с компьютером в описываемой системе использовался конвертер «Bolid» USB-RS485.
2
Основными недостатками описываемой системы является ограничение нагрузки на платформу, не превышающее 100 кгс/м, что ограничивает условия эксплуатации системы. Также после каждого снегопада система нуждается в расчистке платформы измерительного модуля, таким образом, измерение с помощью данной системы происходит не непрерывно. Конструкция измерительного модуля позволяет использовать данную систему только на кровлях зданий.
Задачей настоящего изобретения является создание системы дистанционного мониторинга снеговой нагрузки, позволяющей получать непрерывный поток данных об изменении величины нагрузки в течение длительного времени, усиление прочности конструкции, расширение возможностей использования системы относительно прототипа.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в возможности беспрерывной работы системы в режиме реального времени в течение всего снежного сезона без необходимости очистки измерительного модуля, что снижает затраты на эксплуатацию системы и увеличивает информативность о текущем состоянии снеговой нагрузки, расширение области установки системы, возможности ее размещения, как на кровлях зданий, так и на открытом грунте, при этом конструкция позволяет устанавливать приемное устройство как на поверхность грунта, так и углублять его в грунт.
Указанный технический результат достигается тем, что приемное устройство состоит из плоского короба с отвесными бортами, в отличии от прототипа, где платформа имеет борта с углом 45°, которые накапливают дополнительную нагрузку и ведут к ошибкам измерения. Отвесные борта также делают возможным устанавливать платформу на поверхность грунта и углублять в грунт до выравнивания поверхности платформы с поверхностью грунта, что позволяет избежать дополнительных калибровок после запуска. Платформа выполнена из листов алюминиевого сплава, что помогает избежать деформации под ожидаемым весом снежного покрова и обеспечивает плотное прилегание к опорной конструкции. Конструкция крепления тензодатчиков к основанию приемного устройства усилена верхней и нижней подложками. Суммирующая коробка расположена в центре основания приемного устройства на дополнительном профиле, который придает системе большую устойчивость. Конструкция основания приемного устройства стоит на регулируемых по высоте ножках, что позволяет выравнивать конструкцию при установке.
Устройство работает следующим образом.
2
Механическая часть системы состоит из плоского короба с отвесными бортами (Платформы) и опорной конструкции (Основания). Платформа имеет квадратную форму, ее площадь составляет 1 м. Материалами исполнения механической части системы являются лист алюминиевого сплава для Платформы. Опорная конструкция выполнена из металлопрофиля и стального листа и оборудована четырьмя регулируемыми по высоте ножками.
Тензооборудование, применяемое в изобретении, состоит из четырех тензодатчиков, установленных в углах Основания. Используемые в системе тензодатчики представляют собой балку, которая одним концом неподвижно фиксируется, а на другой конец прикладывается сила. Чувствительный элемент закрыт защитным кожухом в виде сильфона. Датчики имеют высокую точность (С3) и высокий класс защиты (IP68), что обеспечивает защиту системы от проникновения влаги, которая образуется при таянии снега весной и при возможных оттепелях.
Сигнал с тензодатчиков собирается на суммирующей коробке, в которой на основе полученных с датчиков значений рассчитывается фактическая нагрузка от снега и передается на весовой индикатор. Настройка и калибровка системы осуществляется через весовой индикатор. Весовой индикатор оснащен интерфейсом RS485, позволяющим передавать данные на компьютер по протоколу Modbus. Для связи с компьютером в системе используется конвертер «Bolid» USB-RS485.
Система функционирует в режиме реального времени и позволяет отслеживать текущее значение нагрузки, а также просматривать архив собранных данных. Для сбора и обработки данных разработана программа на языке С#, принимающая данные с весового индикатора и сохраняющая их в удобном для дальнейшей работы формате. Для взаимодействия непосредственно с весовым индикатором через конвертор были разработаны следующие функции: подключения, с учетом обработки возможных ошибок (невозможно распознать порт подключения, неправильная скорость соединения); получения данных (считывает информацию, приходящую с весового индикатора); обработки (собирает и записывает данные через заданный временной интервал, создает файлы записи, отсеивает служебную информацию).
На Фиг. 1 дана схема модели сборки основания системы мониторинга снеговой нагрузки и размещения тензодатчиков и суммирующей коробки. Цифрой 1 обозначены борта измерительной платформы, 2 - основание опорной конструкции механической части системы, 3 - тензодатчики, 4 - суммирующая коробка.