Датчик определения количества колес на оси транспортного средства и способ его установки
SENSOR FOR DETERMINING THE NUMBER OF WHEELS ON A VEHICLE AXLE AND A METHOD FOR INSTALLING IT

Изобретение относится к измерительным приборам, в частности к средствам для определения параметров транспортного средства, предназначенным для обеспечения контроля и безопасности дорожного движения.
Существует устройство для определения параметров движущегося транспортного средства (RU 191802 U1, 05.03.2019, Нигметзянов М.И.), в составе которого датчики позиционирования транспортного средства для определения количества колес (скатов) на оси в виде тензорезистивных или пьезокварцевых датчиков. Все элементы устройства установлены на едином основании (на бетонной армированной плите, либо на рамной или каркасной конструкции), которые вместе монтируют в дорожное полотно, в котором предварительно выполняют соответствующие углубления, причем после монтажа все элементы устройства находятся в конструктивной взаимосвязи.
Авторы известного устройства в качестве средства для определения количества колес (скатов) на оси предлагают датчики позиционирования транспортного средства с тензорезистивным, либо пьезокварцевым чувствительным элементом. Особенностью тензорезистивных и пьезокварцевых датчиков является определение границы весовой нагрузки, которую сможет зафиксировать датчик, поэтому они подходят для измерения лишь определенных весовых параметров транспортного средства. Кроме того, такое техническое решение не предусматривает использование датчика позиционирования транспортного средства вне конструктивной взаимосвязи. Такое исполнение известного устройства не удобно с точки зрения транспортировки и монтажа в дорожных условиях.
Существуют также измерительные датчики в составе системы и способа измерения параметров движущегося транспортного средства с помощью электрической динамической рефлектометрии (EA 031250 B1, 03.03.2014, Хэнсон Рэндал Лерой и др.), в которой авторы предлагают в качестве чувствительного элемента датчиков коаксиальный или твинаксиальный кабели, полосковую или микрополосковую линии. В различных вариантах реализации системы и устройства датчик содержит линию передачи, встроенную в дорожное полотно таким образом, что транспортные средства проходят над датчиком, а установка линии передачи в дорожное полотно производится при помощи штампованного корпуса, который герметизируют изолирующей пеной.
Авторы известного изобретения предлагают в качестве чувствительного элемента датчика измерения применять коаксиальный или твинаксиальный кабели, полосковую или микрополосковую линии. Недостатком является то, что для обработки сигналов с подобных чувствительных элементов требуются достаточно сложные вторичные преобразователи. Другим недостатком известных датчиков измерения является ненадежность работы в условиях повышенных динамических нагрузок, такие датчики не пригодны для использования в условиях постоянного движения по нему транспортного средства. Кроме того, такая конструкция требует проведения дополнительных работ, связанных с установкой штампованного корпуса и его герметизацией, что неудобно в условиях дорожных работ.
Наиболее близким устройством того же назначения и способом его установки является датчик дорожного движения Roadtrax BL производства компании Measurement Specialties (Руководство по продукту Roadtrax BL Piezoelectric Axle Sensor-final,
электронный ресурс: https://www.te.com/content/dam/te-com/documents/sensors/global/Roadtrax%20BL%20Piezoelectric%20Axle%20Sensor-final.pdf,
дата запроса: 27.07.2022), принятый за прототип, представляющий собой линию передачи в виде кабеля из пьезополимера, экструдированного на многожильный сердечник, с оболочкой из полиэтилена высокой плотности, помещенного в латунный корпус с внешним диаметром 6 мм. Фирма производитель предлагает устанавливать датчик дорожного движения на глубину 19 мм от поверхности дорожного полотна в штробу глубиной не менее 38 мм. Для фиксации датчика дорожного движения предлагают использовать монтажные кронштейны, устанавливаемые с шагом 150 мм и заливку специализированным компаундом.
Недостатком существующего датчика дорожного движения является невысокая точность измерений, обусловленная тем, что латунный корпус для пьезоэлектрического кабеля является твердым и негнущимся, поэтому плохо реагирует на сжатие, что негативно сказывается на качестве сигнала. Кроме того, монтаж датчика дорожного движения в штробе, глубиной от 38 мм может значительно ослабить прочность верхнего слоя асфальтового покрытия дорожного полотна.
Технический результат - повышение точности измерения, простой и удобный способ установки датчика в дорожное полотно, не оказывающий отрицательного воздействия на прочность дорожного покрытия.
Технический результат достигается тем, что датчик определения количества колес (скатов) на оси транспортного средства, представляющий собой линию передачи в виде кабеля из пьезополимера, экструдированного на многожильный сердечник, с оболочкой из полиэтилена высокой плотности, располагающегося в металлическом корпусе диаметром 6 мм, свободный конец которого изолирован, а другой конец соединен с коаксиальным кабелем для подключения к считывающему устройству, согласно техническому решению, располагается в медном корпусе, раскатанном валками до плоского состояния; способ его установки заключается в интегрировании в дорожное полотно в штробе при помощи монтажных кронштейнов и заливки специализированным компаундом, согласно техническому решению, штробу выполняют глубиной 25-30 мм, шириной 19-23 мм, скобы устанавливают с шагом 100-150 мм.
определения количества колес (скатов) на оси транспортного средства (далее - датчик скатности);
Изобретение поясняется чертежами, графиком и таблицей, где на фиг. 1 изображена конструкция датчика  на фиг. 2 - схема установки датчика скатности; на фиг. 3 - осциллограммы уровней сигналов, полученных при испытании опытного образца датчика скатности и прототипа; табл. 1 - соотношение значений сигнал/шум, полученных при испытании опытных образцов датчиков скатности в штробах разных размеров.
Датчик скатности и способ его установки включают многожильный сердечник 1, кабель из пьезополимера 2, оболочку из полиэтилена 3, медный корпус 4, термоусадочную заглушку 5, коаксиальный кабель 6, полиуритановую муфту 7, дорожное полотно 8, штробу 9, монтажные кронштейны 10, специализированный компаунд 11.
Датчик скатности представляет собой линию передачи в виде кабеля из пьезополимера 2, экструдированного на многожильный сердечник 1, с оболочкой из полиэтилена 3 высокой плотности, располагающегося в медном корпусе 4, раскатанного валками до плоского состояния. Свободный конец медного корпуса 4 запаян термоусадочной заглушкой 5, а другой конец соединен с коаксиальным кабелем 6 посредством полиуритановой муфты 7 для подключения к считывающему устройству (фиг. 1).
Способ установки датчика скатности заключается в интегрировании его в дорожное полотно 8 в штробе 9, при помощи монтажных кронштейнов 10 и заливки специализированным компаундом 11. Для приведения уровня верха застывшего компаунда 11 к уровню плоскости дорожного плотна 8 производят шлифование (фиг. 2).
Датчик скатности устроен следующим образом. В медную полую трубку (корпус) с внешним диаметром 6 мм помещают специальный пьезоэлектрический кабель, представляющий собой пьезополимер, экструдированный на многожильный сердечник в оболочке из полиэтилена высокой плотности. Эту медную трубку (корпус) вместе с пьезоэлектрическим кабелем раскатывают валками до плоского состояния. После этого свободный конец пьезоэлектрического кабеля изолируют термоусадочной заглушкой, второй конец соединяют с коаксиальным кабелем для подключения к считывающему устройству.
Интегрирование датчика скатности в дорожное полотно производится следующим образом. В дорожном покрытии предварительно выполняют штробу глубиной 25-30 мм, шириной 19-23 мм, равномерно по длине датчика скатности с шагом 100-150 мм устанавливают монтажные кронштейны, размещают в них датчик скатности, затем выполняют его заливку специализированным компаундом, после застывания компаунда производят шлифовку для удаления лишнего слоя и приведения уровня верха застывшего компаунда к уровню плоскости дорожного полотна. При монтаже датчика скатности для отвода кабеля к обочине рекомендуется использовать стальной отвод и двустенную гофрированную трубу.
Изобретение работает следующим образом. Под воздействием механической нагрузки, датчики скатности, размещенные в дорожном полотне, выполняют роль первичных преобразователей, поскольку, при воздействии приложенной нагрузки от колес движущегося транспортного средства, пьезоэлектрический материал будет генерировать разность потенциалов между электродами. Датчики скатности в дорожное полотно устанавливают под углом к осевой линии полосы движения, благодаря этому каждое колесо транспортного средства проходит через датчики скатности в разный период времени. По результатам обработки сигнала, поступившего на считывающее устройство, определяется количество пиков за время прохождения оси транспортного средства, тем самым вычисляя количество колес (скатов) на оси транспортного средства как сумму пиков сигналов.
Промышленная применимость подтверждена экспериментально при испытании опытно-конструкторского образца датчика скатности.
Для проведения эксперимента был изготовлен опытный образец датчика скатности и проведены сравнительные испытания опытного образца и существующего технического решения, принятого за прототип. Первоначально испытания проводились без установки датчика в штробу в реальных дорожных условиях. В качестве контрольного транспортного средства был использован грузовой автомобиль ГАЗ 3309, с полной массой 7,5 т, задняя ось которого имеет два ската. Результат сравнения отображен на осциллограмме (фиг. 3). Испытания показали, что применение медной трубки в качестве корпуса, в отличии от латунной, позволяет снизить искажения сигнала, а, следовательно, повышает его качество. Обусловлено это тем, что медь является более мягким и пластичным материалом, следовательно, наиболее эффективно реагирует на сжатие. Кроме того, медный корпус для пьезоэлектрического кабеля является дополнительным электрическим экраном, обеспечивающим уменьшение помех, что также оказывает положительное влияние на качество сигнала.
Следующим этапом эксперимента было определение наиболее оптимального размера штробы для установки датчика скатности. Для этого в штробы разных размеров поочередно были установлены опытные образцы датчиков скатности и залиты специализированным компаундом. После застывания и шлифовки компаунда были проведены сравнительные испытания. В качестве контрольного транспортного средства был использован грузовой автомобиль ГАЗ 3309, с полной массой 7,5 т, задняя ось которого имеет два ската. Результаты испытаний сведены в таблицу (табл. 1). Испытания показали, что при увеличении размера штробы уровень сигнала возрастает, но и количество шума также растет. При уменьшении размера штробы наблюдается снижение амплитуды колебаний. Исходя из результатов сравнения уровня сигнала к уровню шума сделан вывод, что штроба, глубиной 25-30 мм и шириной 19-23 мм имеет оптимальное соотношение для установки датчика скатности.
Все признаки заявляемого технического решения в совокупности находятся в причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом и позволяют создать датчик скатности с более высоким качеством сигнала и реализовать простой и удобный способ его установки, не оказывающий отрицательного воздействия на прочность дорожного покрытия. Предлагаемое устройство найдет применение в комплекте систем весового и габаритного контроля автотранспортных средств для получения оперативной информации о параметрах транспортного средства с целью обеспечения контроля и безопасности дорожного движения.