Устройство акустического контроля толщины снежно-ледяного покрытия

Устройство относится к системам, использующим отражения акустических волн для измерения дальности. Заявляемое устройство может быть использовано для дистанционного контроля толщины снежно-ледяного покрытия удаленных объектов, например, на крышах зданий.
Образование снежного, а затем ледяного покрова на крышах зданий создает опасность повреждения самих крыш, а также объектов, расположенных под ними, в том числе гибели людей. Своевременное обнаружение обледенения, оценка глубины снежно-ледяного покрова и принятие соответствующих мер по его удалению (механически, вибрационно, с помощью нагревателей и т.п.) позволяет решить указанные проблемы. Визуальный осмотр и, например, механическое измерение толщины покрова крыш в многоэтажных домах связан с серьезными материальными, временными затратами, а, кроме того, опасен. Таким образом, дистанционный мониторинг снежно-ледяного покрытия крыш и т.п. объектов является актуальной проблемой.
3
3
3
3
3
Снег, выпавший в относительно морозную погоду с температурой воздуха около -10°С, имеет плотность порядка 100 кг/м. В конце осени и в начале зимы удельный вес снега, лежащего на горизонтальных и слабо наклонных поверхностях, обычно составляет 160±40 кг/м. В моменты продолжительных оттепелей удельный вес снега существенно начинает расти (снег «садится» как весной), достигая иногда значений в 700 кг/м. Весной перед обильным таянием удельный вес «мокрого» снега может быть 750±100 кг/м, приближаясь к плотности льда - 917 кг/м [1]
Известны противообледенительные системы [2], содержащие элементы «умной» автоматики - миниметеостанции и специальные датчики осадков, а также нагревательные кабели, способные растопить снежно-ледяное покрытие, образовавшееся на крышах, в желобах, воронках слива и т.п. Такие системы позволяют подстроить алгоритмы работы системы под климатические условия конкретного региона и минимизировать участие человека в устранении снежно-ледяного покрытия, в автономном режиме.
Недостатками систем [2] являются сложность настройки, высокие стоимость и энергозатраты, т.е. низкую эффективность.
Известно устройство контроля толщины снежно-ледяного покрытия [3], содержащее тензодатчики, установленные под крышей, которые позволяют объективно определить весовую нагрузку на крышу.
Недостатком таких устройств является сложность монтажа на недеформируемые элементы крыши и косвенный характер измерений, приводящий к низкой достоверности результатов измерений.
Заявителю не известны способы и устройства, использующие акустические волны для измерения толщины снежно-ледяного покрытия. Однако известны акустические измерители дальности.
Наиболее близким к заявляемому является акустический измеритель дальности [4], содержащие акустические излучатель и приемник, подключенные соответственно через формирователь и приемник акустических колебаний, к микроконтроллерному устройству управления, снабженному каналом связи. В рассматриваемом устройстве в качестве канала связи используется интерфейс связи с индикатором дальности. Для измерения дальности используют пачку акустических сигналов с частотой 40 Кгц. Данный измеритель может быть использован, в том числе, для измерения толщины снежно-ледяного покрова.
Недостатками измерителя [4] являются:
Низкая точность, обусловленная температурным влиянием на скорость распространения акустических волн на скорость их распространения.
Ненаправленный характер излучения акустических волн приводит к неопределенности пространственного положения отражателя по отношению к излучателю.
Конструктивная неопределенность выполнения измерителя, в частности, отсутствие элементов крепления делает его малопригодным для измерения толщины снежно-ледяного покрова.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание устройства, способного в сложных условиях точно измерить толщину снежно-ледяного покрова в опасных местах и передать полученные значения для принятия решения о соответствующих действиях.
Для решения этой задачи устройство акустического контроля толщины снежно-ледяного покрытия, содержащее акустические излучатель и приемник, подключенные соответственно через формирователь и приемник акустических колебаний, к микроконтроллерному устройству управления, снабженному каналом связи, содержит датчик температуры, соединенный с микроконтроллерным устройством, размещено в корпусе, с кронштейном для его крепления на заданной высоте над исследуемой поверхностью, а акустические излучатель и приемник снабжены рупором, направленным на исследуемую поверхность.
Техническим результатом использования заявляемой полезной модели является повышение точности измерения толщины снежно-ледяного покрова, которая достигается путем учета температуры, надежного крепления корпуса устройства кронштейном на заданной высоте над исследуемой поверхностью, а также наличием рупоров, обеспечивающих направленный характер излучения и получения отраженных акустических зондирующих сигналов с выбранного направления.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы.
Фиг. 1 - структурная схема устройства, где:
1 - излучатель/приемник акустических сигналов;
2 - коммутатор (излучение/прием);
3 - формирователь зондирующих акустических сигналов;
4 - приемник акустических сигналов;
5 - микроконтроллер;
6 - датчик температуры;
7 - канал связи.
Фиг. 2 - внешний вид нескольких устройство контроля толщины снежно-ледяного покрытия, где:
8 - кронштейн;
9 - рупор акустического излучателя.
Существенные отличия заявляемого устройства акустического контроля толщины снежно-ледяного покрытия заключаются в следующем:
Устройство содержит датчик температуры 6, который позволяет учесть в результатах измерений влияние окружающей температуры. Известно [5], что при изменении температуры от 0°С до -30°С скорость распространения акустических сигналов изменяется по крайней мере на 15%. Производители излучателей/приемников акустических сигналов считают, что температурная зависимость составляет один процент на один градус. Изменение скорости распространения непосредственно сказывается на точности измерений толщины снежно-ледяного покрытия.
В прототипе температура не учитывается.
Устройство размещено в корпусе, защищающем его от внешних воздействий.
В прототипе конструктивное исполнение устройства не рассматривается.
Наличие кронштейна 8 позволяет закрепить устройство на требуемой высоте над исследуемой поверхностью, с учетом ожидаемой толщины снежно-ледяного покрова. Для этого могут использовать, как сама крыша, так и другие конструктивные элементы - трубы, ограждения и т.п.
В прототипе конструктивное исполнение устройства не рассматривается.
Акустические излучатель и приемник снабжены рупором 9, направленным на исследуемую поверхность, что позволяет направить акустическое излучение на область образования снежно-ледяного покрова, что позволяет сфокусировать излучение и прием на интересующую поверхность.
В прототипе рассеянное излучение акустических зондирующих сигналов может привести к нежелательным отражениям от посторонних предметов.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого устройства.
Излучатель/приемник акустических сигналов 1, Фиг. 1 предназначен для формирования зондирующих и приема отраженных акустических сигналов. В качестве него предлагается использовать пьезоэлектрический преобразователь, который менее чувствителен к изменению температуры.
Формирователь зондирующих акустических сигналов 3 предназначен для формирования электрических сигналов возбуждения пьезоэлектрического преобразователя.
Формой и частотой зондирующих акустических сигналов управляет микроконтроллер 5. Частоту зондирующих сигналов, целесообразно выбирать в диапазоне 30-42 кГц, что обеспечивает длину волны 10-12 мм и разумное для поставленной задачи разрешение - около 1 см. Формирование таких сигналов может осуществляться микроконтроллером 5. Большинство микроконтроллеров могут вырабатывать управляющие сигналы с частотами в десятки мегагерц. Экспериментальные исследования показали, что для зондирования следует использовать пачку из 10-30 акустических импульсов, которые уверенно возбуждают пьезоэлектрический преобразователь и надежно обнаруживаются микроконтроллером.
Канал связи 8 предназначен для задания режимов измерения и передачи их результатов. В качестве режимов измерений могут использоваться периодический и запросный. В первом случае микроконтроллер 5 производит измерения с заданным интервалом (по таймеру). В запросном режиме внешний источник через канал связи 7 запускает процесс измерений. В качестве каналов связи могут использоваться проводные или радиоканалы.
Очевидно, что заявляемое устройство нуждается в энергоснабжении, которое может осуществляться автономно - от батарей или аккумуляторов или от внешних источников. Автономное питание вступает в противоречие с отрицательными температурами, которые затрудняют выработку энергии химическими источниками. Внешние источники требуют прокладки кабелей, которые могут размещаться, например, в кронштейне для защиты от внешних воздействий, а кроме того, могут использоваться в качестве каналов связи 8.
Работа заявляемого устройства заключается в следующем.
На крыше или другом контролируемом объекте на кронштейнах 8 закрепляется корпус устройства контроля толщины снежно-ледяного покрытия. При необходимости укладываются кабели канала связи 7, обеспечивающие электроснабжение, а также прием управляющих сигналов и передачу результатов измерений. В другом варианте устройство снабжается аккумуляторами и радиоканалом.
Периодически или по управляющему сигналу от канала связи 7 микроконтроллер 5 запускает процесс измерения, формируя пачку зондирующих сигналов с выбранной периодичностью. При этом по каждому зондирующему сигналу микроконтроллер 5 запускает формирователь акустических сигналов 3, выходной сигнал которого, через коммутатор 2 возбуждает излучатель 1. Выработанные им акустические зондирующие сигналы, направленные рупором 9, излучаются в сторону исследуемого объекта. Затем коммутатор 2 подключает излучатель/приемник акустических сигналов 1 к приемнику 4. Акустические сигналы, принятые через рупор 9 приемником 4, преобразуются им в электрические сигналы и поступают в микроконтроллер 5. Полученные сигналы преобразуются в цифровую форму и обрабатываются. Обработка заключается в определении времени задержки между излучением зондирующих и приемом отраженных сигналов. При этом датчиком 6 измеряется температура окружающей среды, и вносятся соответствующие поправки в значение скорости распространения акустических сигналов. Вычисляют расстояние от устройства до снежно-ледяного покрова. Перед началом работы, производят калибровку устройства. Для этого в сухой, теплый период измеряют его дальность до объекта исследования и сохраняют это значение.
Эксперименты показали, что при параметрах зондирующих акустических сигналов, указанных выше можно получить точность измерения снежно-ледяного покрова до 1 см (при высоте установки устройства до 10 м). При меньшей высоте точность оказывается выше.
Таким образом, заявляемое устройство может быть реализовано, и обеспечивает повышение точности измерения толщины снежно-ледяного покрова.
Источники информации:
1. http://al-vo.ru/o-zhizni/snegovaya-nagruzka.html.
2. http://www.tskat.ru.
3. http://ice-snow.igras.ru/jour/article/viewFile/303/170.
4. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/micros/msp430/slaal36a.htm.
5. http://mega-sensor.ru/articls/ultrazvukovye-datchiki-osobennosti-primenenija-i-vybora.html.