УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕСА И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕСА
WEIGHT MEASURING DEVICE AND METHOD FOR MEASURING WEIGHT

Область техники
Изобретение касается устройства для измерения веса и ряда других характеристик проезжающих транспортных средств и включает способ такого измерения.
Существующий уровень техники
В настоящее время существует две основные группы устройств, которые позволяют выполнять измерение веса транспортных средств, проезжающих при скорости более 50 км/ч. Конструктивное исполнение таких устройств обеспечивает измерение веса при помощи отклоняющейся пластины, смещение которой под давлением колеса передается на тензометрические измерительные элементы. Также известны устройства для измерения веса, в которых давление колеса в результате деформации механического профиля передается на пьезоэлектрические измерительные элементы.
Из заявки на европейский патент ЕР 2372322 известна система взвешивания проезжающих транспортных средств, размещаемая под поверхностью дорожного полотна. Эта система состоит из нескольких рядов измерительных датчиков, соединенных с модулем считывания. Каждый ряд включает несколько измерительных зон, отделенных друг от друга в продольном направлении. Осевая жесткость измерительных зон в направлении, перпендикулярном дорожному полотну, выше, чем осевая жесткость промежуточных зон. Каждая измерительная зона оснащена минимум одним датчиком для измерения деформации этой зоны под действием силы, направленной практически перпендикулярно дорожному полотну. Одним из недостатков данной системы является тот факт, что она размещается под поверхностью дорожного полотна, что ведет к существенному снижению точности вследствие перепадов температуры или естественного старения поверхности дорожного полотна, из-за чего меняется пластичность материала, расположенного над датчиком.
Система, известная из американского патента US 5461924, имеет аналогичные недостатки. Эта система монтируется в дорожное полотно или проезжую часть и используется для регистрации нагрузки, которую колеса транспортного средства или воздушного судна оказывают на поверхность при перемещении, и/или соответствующей сдвиговой компоненты. Конструктивно датчик выполнен в форме трубки с фланцами, в которой расположены чувствительные к давлению пьезопластины. Недостатками этой системы являются относительно сложная конструкция и тот факт, что пьезопластины не устойчивы к электромагнитным помехам.
Еще одно устройство для взвешивания движущихся по дорожному полотну транспортных средств известно из патента US 2013220709 А1. Устройство работает по принципу измерения отклонения весовой платформы, которое измеряется весовым датчиком в вертикальном направлении при условии обязательного одновременного измерения горизонтальных сил. Недостатком этой системы является тот факт, что измерение возможно, только если след колеса полностью располагается на весовой платформе. Тем не менее это создает существенные неудобства, так как требуется компенсировать динамические усилия, которые колесо транспортного средства передает на весовую платформу, например динамические усилия на поверхность горизонтальной компоненты нагрузки, создаваемой сдвиговым усилием колеса вдоль поверхности устройства. По этой причине устройство оснащается измерительным элементом для регистрации горизонтальной компоненты нагрузки, создаваемой колесом на поверхность. Из изложенного выше очевидно, что данное устройство не способно измерять вес с высокой точностью.
Из приведенного описания существующего уровня техники очевидно, что имеющиеся решения обладают целым рядом недостатков. Конструкции, известные до сих пор, относительно неточны, что частично обусловлено тем, что они размещаются под поверхностью дорожного полотна и что на результаты измерения влияют изменения пластичности материала, расположенного над ними. Еще одним значительным недостатком является тот факт, что в большинстве устройств используются датчики, работающие с электрическими сигналами низкого напряжения и обладающие высокой чувствительностью к электромагнитным помехам. Это дополнительно ухудшает точность измерения. Помехи могут приводить даже к полной невозможности выполнения измерения. Еще одним существенным недостатком известных решений является то, что они устанавливаются в конструкцию дорожного полотна или проезжей части. Это значит, что для работ по техническому обслуживанию необходимо хотя бы частичное нарушение целостности дорожного полотна.
Цель данного изобретения - создание устройства для измерения веса проезжающих транспортных средств, которое будет более точным, будет иметь простую конструкцию, а также будет предусматривать простую установку и техническое обслуживание, т.е. без нарушения целостности дорожного полотна.
Сущность изобретения
Описанные выше недостатки в значительной степени устраняются, и цели изобретения достигаются посредством устройства для измерения веса проезжающих транспортных средств и определения (исходя из веса) других характеристик проезжающих транспортных средств (таких как скорость, ускорение, замедление, поворот влево и вправо, направление движения, количество и тип осей, состояние отдельных шин), при этом устройство содержит минимум шесть измерительных элементов, в частности, устройства для измерения веса согласно изобретению, характерной особенностью которого является то, что оно включает минимум три группы измерительных элементов, расположенных в корпусе устройства, который является частью дорожного полотна, где группы измерительных элементов расположены по длине корпуса, и где измерительный элемент содержит минимум один световод, в котором минимум один из измерительных элементов является элементом для измерения нагрузки деформации корпуса и минимум один другой из измерительных элементов расположен в корпусе таким образом, чтобы приходящаяся на него деформационная нагрузка была нулевой или отличной от деформационной нагрузки на корпус. Корпус размещается в поверхности дорожного полотна так, чтобы он испытывал деформацию под нагрузкой от колес проезжающих над ним транспортных средств. Преимуществом данного расположения является то, что измерительные элементы находятся очень близко друг к другу таким образом, что погрешности из-за температуры, расположения, особенностей изготовления и монтажа при выполнении взаимно сличаемого измерения сводятся к минимуму.
Очень положительный эффект наблюдается, если элемент для измерения нагрузки (деформации корпуса) расположен в таком месте корпуса, где деформация под воздействием нагрузки максимальна, а элемент с нулевой деформацией под нагрузкой или с деформацией под нагрузкой, отличающейся от нагрузки (деформации корпуса) элемента для измерения нагрузки, расположен в таком месте корпуса, где деформация под воздействием нагрузки отсутствует или отличается от деформации в месте расположения элемента для измерения нагрузки (деформации корпуса). Такое расположение наиболее выгодно для достижения итоговой точности измерения, так как измерение опирается на оценку изменения относительной разности между значениями замеров на обоих измерительных элементах. Еще одним преимуществом является значительно более быстрый, простой и дешевый модуль оценки, который работает по принципу сравнительного измерения.
В предпочтительном варианте элемент для измерения нагрузки (деформации корпуса) непосредственно прилегает к дну корпуса и его внутреннему выступу, а такой выступ расположен в точке максимальной деформации корпуса под воздействием проезжающего по нему транспортного средства. Преимуществом такого способа является то, что он гарантирует максимальную возможную разность между двумя измеряемыми значениями, что повышает точность измерения.
Желательно, чтобы измерительное устройство включало как минимум две группы измерительных - элементов, расположенных по оси корпуса. При этом измерительные элементы могут быть размещены как симметрично, так и несимметрично, в зависимости от конкретной задачи. Преимуществом является не только более высокая точность измерения, но и возможность определения дополнительных параметров проезжающих транспортных средств, таких как количество осей или состояние отдельных шин (например, неправильное давление в шинах).
Чтобы обеспечить высокую точность измерения, корпус рекомендуется размещать в конструкции дорожного полотна. Корпус можно монтировать непосредственно в дорожном полотне, чтобы он оказывался в опосредованном контакте с колесами проезжающих транспортных средств. Некоторым недостатком является необходимость нарушения конструкции дорожного полотна для технического обслуживания, ремонта или замены. Также корпус можно размещать под поверхностью дорожного полотна, однако в этом случае точность измерения существенно снижается. Корпус встраивается в дорожное полотно таким образом, чтобы на него полностью, то есть без какого-либо промежуточного слоя, ложилась нагрузка от колес проезжающих транспортных средств.
Измерительные элементы предпочтительно располагать таким образом, чтобы они могли измерять вертикальную компоненту нагрузки, лучше всего - вертикально относительно поверхности корпуса, то есть вертикально относительно дорожного полотна.
Крайне желательно, чтобы ширина корпуса была меньше, чем длина отпечатка колеса транспортного средства. Это исключает необходимость в компенсации динамических усилий проезжающих транспортных средств, так как эти усилия воспринимает дорожное полотно рядом с корпусом или, точнее, они передаются и воспринимаются дорожным полотном, контакт с которым сохраняет значительная часть колеса транспортного средства.
Также желательно, чтобы корпус был выполнен в виде закрытой балки. Это способствует очень точному измерению самой деформации корпуса и помогает получить наилучшие окончательные результаты.
С точки зрения последующего технического обслуживания лучше всего, чтобы корпус размещался / был вделан в углубление в дорожном полотне. Это упрощает обслуживание и ремонт корпуса в случае дефектов: возможность обойтись без нарушения поверхности дорожного полотна является важным преимуществом. Такое углубление позволяет удобно подвести необходимые кабели от отдельных групп измерительных элементов к модулям оценки.
Чтобы обеспечить простое конструктивное решение, корпус желательно фиксировать в углублении как минимум одним ремнем, который, в свою очередь, должен быть закреплен в углублении как минимум одним крепежным элементом.
Также желательно оснастить такое углубление хотя бы одним кабельным каналом для более удобного монтажа и обслуживания.
Более того, будет преимуществом, если световоды измерительных элементов будут соединены с модулем оценки, который будет оснащен оптоэлектрическим преобразователем с высокой частотой опроса и центральным процессором. Высокая частота опроса помогает обеспечить высокую точность измерения, так как позволяет строить максимально плавную кривую изменения нагрузки, на основе которой затем определяется конкретная нагрузка.
В значительной степени компенсировать упомянутые выше недостатки и достичь целей изобретения позволяет способ измерения различных характеристик проезжающих транспортных средств, выполняемого посредством описанного выше устройства в соответствии с изобретением, принцип которого заключается в том, что минимум один элемент для измерения нагрузки (деформации корпуса) и минимум еще один элемент для измерения с нулевым или отличным значением нагрузки (деформации корпуса), располагающиеся минимум в одной группе, при проезде транспортного средства непрерывно передают параметры прохождения света через световод для последующей обработки, которую выполняет минимум один модуль оценки, вычисляющий разность между этими параметрами. Преимущество состоит в том, что для измерения используется сравнительный способ, основанный на соотношении, что упрощает способ оценки.
Желательно, чтобы модуль оценки определял (на основе изменения разности в зависимости от времени) хотя бы один параметр проезжающего транспортного средства.
Главное преимущество изобретения состоит в том, что измерения выполняются измерительным устройством с использованием сравнительной методики (на основе соотношения) для элементов групп, состоящих более чем из одного оптического измерительного элемента, размещенного в каждой точке измерения. Измерительные элементы одновременно регистрируют деформацию измерительной балки в различных направлениях и (или) в поперечном сечении. Некоторые из оптических измерительных элементов в каждой группе измеряют деформацию балки под давлением колес проезжающего транспортного средства, а другие оптические измерительные элементы определяют контрольные размеры поперечного сечения балки, которые не подвергаются деформации под давлением колес (либо подвергаются ей в очень малой степени), причем такие оптические измерительные элементы располагаются максимально близко друг к другу. Исходную информацию о нагрузке дает изменение длины или взаимного расположения световодов под давлением колеса транспортного средства, при этом давление регистрируется на основе поперечной деформации встроенной в дорожное полотно измерительной балки. Оптоэлектрические характеристики этого изменения оцениваются оптоэлектрическим преобразователем с высокой частотой опроса, что обеспечивает высокую точность и высокое временное разрешение измерений. Также механические изменения световодов оптических измерительных элементов под нагрузкой сравниваются оптоэлектрическим способом с характеристиками оптических измерительных элементов, на которые нагрузка не воздействует (либо воздействует в очень малой степени).
Еще одно существенное преимущество состоит в том, что оптические измерительные элементы одной группы подвергаются одинаковому влиянию факторов окружающей среды / материалов, что исключает погрешности, связанные с температурой, положением, способами изготовления и монтажа.
Важным преимуществом по сравнению с существующим уровнем техники является тот факт, что описанное устройство для измерения веса обладает высокой устойчивостью к помехам, так как для измерения используется свет, а значит, на него не влияет, например, электромагнитное излучение устройств, расположенных в проезжающих транспортных средствах.
Обзор чертежей
Более подробно изобретение представлено на чертежах: на фиг. 1 изображена (в поперечном сечении) схема корпуса с элементом для измерения нагрузки (деформации корпуса) и элементом с нулевой деформацией под нагрузкой, на фиг. 2 изображено (в поперечном сечении) расположение корпуса в углублении, на фиг. 3 изображена (в поперечном сечении) схема корпуса с элементом для измерения нагрузки (деформации корпуса) и элементом с отличной по сравнению с таким элементом нагрузкой, на фиг. 4 изображено трехмерное изображение одной секции корпуса, в которой расположены отдельные группы измерительных элементов, а на фиг. 5 изображен отпечаток колеса транспортного средства, проезжающего по корпусу измерительного устройства.
Примеры реализации изобретения
Устройство для измерения веса и (в то же время) устройство, способное определять дополнительные параметры проезжающих транспортных средств исходя из измеренного веса (такие как скорость, ускорение, замедление, поворот направо и налево, направление движения, количество и тип осей, состояние отдельных шин) состоит из корпуса 4 (фиг. 4), в котором по всей длине симметрично расположены группы 3 измерительных элементов 1, 2. Корпус 4 (фиг. 1 и фиг. 3), который составляет часть поверхности дорожного полотна 11 проезжей части, имеет абразивный слой 18, уровень которого точно соответствует уровню поверхности дорожного полотна 11. Корпус 4 расположен на поверхности дорожного полотна 11 таким образом, что он деформируется под нагрузкой от колес при проезде по нему транспортного средства.
В соответствии с первым вариантом (фиг. 1), каждая группа 3 включает по одному элементу для измерения нагрузки 1 (деформации корпуса 4) и одному измерительному элементу 2 с нулевой деформацией под нагрузкой для компенсации, которые расположены в кожухе (не показан) из пенистого материала. Элемент для измерения нагрузки 1 (деформации корпуса) располагается в такой точке 5 корпуса 4, где деформация выражена сильнее всего. Измерительный элемент 2 с нулевой нагрузкой располагается в такой точке корпуса 4, где деформация корпуса 4 под действием нагрузки отсутствует. В этом варианте элемент для измерения нагрузки 1 (деформации корпуса) непосредственно прилегает к корпусу 4 в точке 7 его дна 8 и в точке 5 внутреннего выступа 9. Измерительный элемент 2 с нулевой нагрузкой соприкасается с корпусом 4 только в точке 6 его дна 8.
В соответствии со вторым вариантом (фиг. 3) каждая группа 3 включает по одному элементу для измерения нагрузки 1 (деформация корпуса 4) и одному измерительному элементу 2 с деформацией под нагрузкой, отличной от деформации под нагрузкой на измерительный элемент 1, для компенсации. Оба измерительных элемента 1, 2 расположены в кожухе (не показан) из пенистого материала. Элемент для измерения нагрузки 1 (деформации корпуса) располагается в такой точке 5 корпуса 4, где деформация выражена сильнее всего. Измерительный элемент 2 с нагрузкой, отличной от нагрузки на измерительный элемент 1, располагается в такой точке корпуса 4, где деформация под действием нагрузки на корпус 4 отличается от деформации в той точке корпуса 4, где расположен измерительный элемент 1. В этом варианте элемент для измерения нагрузки 1 (деформации корпуса) также непосредственно прилегает к корпусу 4 в точке 7 его дна 8 и в точке 5 внутреннего выступа 9. Измерительный элемент 2 с нагрузкой, отличной от нагрузки на измерительный элемент 1, соприкасается с корпусом 4 только в точке 6 его дна 8 и в дополнение к этому прилегает к фланцу 15 в боковой стенке 14 корпуса 4.
Корпус 4 выполнен в форме закрытой балки.
Корпус 4 с группами 3 измерительных элементов 1, 2 в соответствии с обоими описанными выше вариантами может быть установлен (вмонтирован) непосредственно в поверхность дорожного полотна 11 путем укладки в предварительно подготовленное углубление и заливки материалом, который после застывания прочно зафиксирует его в поверхности дорожного полотна 11.
Измерительные элементы 1, 2, предназначенные для замера вертикальной компоненты нагрузки, располагаются вертикально относительно поверхности дорожного полотна 11. Также их можно расположить относительно поверхности дорожного полотна 11 наклонно, однако в этом случае потребуется дополнительно вычислять вертикальную-компоненту нагрузки.
Ширина 19 корпуса 4 (фиг. 5) меньше, чем длина 20 отпечатка 21 колеса транспортного средства.
В соответствии с другим, более предпочтительным вариантом (фиг. 2) корпус 4 располагается в углублении 10, которое устроено (вмонтировано) в поверхность дорожного полотна 11 и фиксируется аналогичным образом. Корпус 4 фиксируется в углублении 10 с помощью пары ремней 12, закрепленных в углублении 10 крепежными средствами 13 (крепежными болтами). В углублении проложены четыре кабельных канала 17.
Каждый из измерительных элементов 1, 2 снабжен световодом (не показаны).
Световоды измерительных элементов 1, 2 соединены с модулем оценки (не показан) при помощи оптоволоконного кабеля 16. Модуль оценки включает оптоэлектрический преобразователь с высокой частотой опроса и центральным процессором.
Как правило, вся ширина проезжей части перекрывается рядом отдельных корпусов 4 с группами 3 измерительных элементов 1, 2, которые располагаются в одном или нескольких углублениях 10, причем последние служат также для прокладки оптических кабелей 16 от отдельных групп 3 измерительных элементов 1, 2. Для оптического подключения групп 3 измерительных элементов 1, 2 в одном корпусе, как правило, используется один оптический кабель 16.
Измерительное устройство работает следующим образом: Элемент для измерения нагрузки 1 (деформация корпуса 4) и элемент для измерения нагрузки 2 с нулевой либо отличной от деформации измерительного элемента 1 деформацией под нагрузкой, расположенные в одной группе 3, при проезде транспортного средства в непрерывном режиме передают параметры прохождения света через световод для дальнейшей обработки, которую выполняет минимум один модуль оценки и при которой определяется разность между этими измеренными значениями. Затем такая разность преобразуется в цифровой или аналоговый сигнал и центральный процессор может определить (на основе отдельных разностей, соотнесенных со шкалой времени) характеристики проезжающего транспортного средства, например его вес.
Промышленная применимость
Устройство для измерения веса и способ измерения в соответствии с изобретением могут использоваться для измерения различных характеристик проезжающих транспортных средств, в частности, для определения их веса.