Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ условий образования и способов наблюдений за гололедно- изморозевыми отложениями на дорожной поверхности 12
1.1 Факторы образования гололедно-измеорозевых отложений 12
1.2 Инструментальные методы наблюдений за гололедно- изморозевыми отложениями 16
1.3 Выбор и обоснование направления исследований по созданию дорожного датчика 24
Выводы 30
2 Датчик состояния дорожной поверхности, принципы действия и схемные решения 32
2.1 Исследование зависимости измеряемых величин проводимости от толщины исследуемого слоя 32
2.2 Оптимизация геометрии чувствительной поверхности по диапазону измерения толщины исследуемого слоя 40
2.3 Конструкция датчика и схема электрическая функциональная 44
2.4 Схема электрическая принципиальная 49
2.5 Алгоритм функционирования 55
Выводы 59
3 Датчик состояния дорожной поверхности, его конструкция и характеристики 60
3.1 Конструкция 60
3.2 Определение характеристик 63
3.2.1 Определение метрологических характеристик измерительных каналов 63
3.2.2 Характеристики состояний поверхности 64
3.2.3 Определение метрологических характеристик измерения толщины слоя воды 67
3.3 Методика поверки 67
Выводы 72
4 Натурные испытания 73
4.1 Проведение натурных испытаний 73
4.2 Обработка результатов натурных испытаний 90
4.3. Алгоритмы анализа динамики развития состояния поверхности измерительной системы гололедно-изморозевых отложений 95
Выводы 98
Заключение 99
Список используемой литературы
- Инструментальные методы наблюдений за гололедно- изморозевыми отложениями
- Оптимизация геометрии чувствительной поверхности по диапазону измерения толщины исследуемого слоя
- Определение метрологических характеристик измерительных каналов
- Алгоритмы анализа динамики развития состояния поверхности измерительной системы гололедно-изморозевых отложений
Инструментальные методы наблюдений за гололедно- изморозевыми отложениями
Исследования факторов, протекание физических процессов и разделение явлений наземного обледенения обнаруженных и подтвержденных различными исследователями ведут начало с конца XIX – начала XX вв. Исследования перечисленных вопросов описаны в [6], результаты которых показали, что факторами образования обледенения являются температура, количество влаги в воздухе, размер капель, скорость ветра. Соотношение перечисленных факторов определяет структуру отложений. Современные исследования показывают возможность осуществлять мониторинг влагосодержания атмосферы с помощью системы ГЛОНАСС/GPS [41], позволяют описать процесс кристаллизации переохлажденных капель [42].
С возникновением потребности наблюдений за опасными явлениями на дороге, вызванной ростом скорости и интенсивности движения транспортных средств, а также появлением технических возможностей данное направление стало бурно развиваться. Были разработаны рекомендации [21, 34, 1, 58], регламентирующие расположение и комплектацию автоматических дорожных метеостанций, потребителей метеорологических данных, оперативную работу уборочной техники. Выполнение рекомендаций, помимо экономической эффективности, достигаемой оперативным реагированием на прогнозируемые или существующие опасные явления, позволяет значительно снизить экологический вред окружающей среде придорожных территорий [43].
В документе [20] приведено определение явлений и факторов их образований применительно к использованию в вопросах зимнего содержания автомобильных дорог: Гололедица образуется при замерзании влаги в результате похолодания. Источниками увлажнения покрытия могут быть: дождь, тающий снег, снег с дождем. Все эти виды осадков выпадают при положительных, близких к нулю температурах воздуха. При понижении температуры покрытия дороги ниже 0 С влага на покрытии замерзает. Процессу образования гололедицы в данных условиях предшествуют: - повышение атмосферного давления на фоне выпадающих осадков; - установление ясной безоблачной погоды после прекращения выпадения осадков; - одновременное уменьшение относительной влажности воздуха и понижение температуры воздуха от положительных значений до отрицательных; - понижение температуры воздуха от положительных значений до отрицательных.
Образование гололедицы наиболее вероятно при температурах воздуха от минус 2 до минус 6 С, относительной влажности воздуха от 65 до 85 %. "Чрный лд" - вид скользкости, образованию которой предшествуют и сопутствуют следующие условия: - высокая относительная влажность воздуха; - температура покрытия ниже нуля и ниже точки росы; - ясная морозная погода (полное отсутствие облачности); - отсутствие ветра. В результате радиационного выхолаживания дорожного покрытия до температур ниже 0 С и ниже температуры точки росы водяной пар из воздуха сублимируется, т.е. переходит из газообразного состояния в лед, минуя жидкую фазу воды, на поверхности дорожного покрытия и превращается в очень тонкий и прозрачный слой льда (практически не видимый из кабины транспортного средства).
Образование этого вида скользкости возможно в ночное время в широком диапазоне изменения температуры воздуха и относительной влажности воздуха близкой к 100 %. В зимний период такое сочетание метеорологических условий наиболее вероятно в районах, расположенных вблизи водоемов, в горной местности, а также на мостах и путепроводах, которые обладают меньшей тепловой инерционностью, чем дорожное покрытие и имеют более низкую температуру покрытия при радиационном выхолаживании в ночное время.
Гололед образуется при выпадении переохлажденных осадков (дождя или мороси) на поверхность дороги, имеющую отрицательные значения температуры.
Процессу образования скользкости предшествуют следующие метеорологические условия: - устойчивое падение атмосферного давления в течение суток; - возможность выпадения жидких осадков; - устойчивый рост относительной влажности и температуры воздуха. Образование скользкости наиболее вероятно при температурах воздуха от +2 до минус 5,2 С и относительной влажности воздуха выше 90 %.
Снежный накат образуется при наличии снега (при снегопадах или метелях) и при уплотнении его на дорожном покрытии. Снежный накат образуется при следующих метеорологических условиях: - выпадение снега при температуре воздуха от 0 до минус 6 С (в этом диапазоне температур снег имеет повышенную влажность и легко уплотняется); - выпадение снега при температуре воздуха от минус 6 до минус 10 С и относительной влажности воздуха выше 90 %, когда снег имеет достаточную влажность для уплотнения; - выпадение снега при температуре воздуха от +2 до 0 С и высокой интенсивности снегопада (более 0,6 мм/ч в пересчете на воду), при которых снег не успевает растаять на дорожном покрытии и легко уплотняется транспортными средствами.
Оптимизация геометрии чувствительной поверхности по диапазону измерения толщины исследуемого слоя
Все многообразие существующих дорожных датчиков (частично приведено в предыдущей главе) делится на две группы, это бесконтактные и контактные. Контактные датчики включают две подгруппы, это активные и пассивные: принудительно изменяющие и не изменяющие соответственно температуру анализируемого слоя.
Каждая группа датчиков имеет свое специализированное назначение, в связи, с чем имеет свои преимущества и недостатки перед другими группами. Для разработки и исследования автором был выбран контактный пассивный датчик, как наиболее приспособленный для эксплуатации в России, то есть имеющий высокую надежность, не требующий частого технического обслуживания, обеспечивающий наибольшим количеством измеряемых параметров нижнего слоя ГИО (при многослойной структуре отложений).
Выбранное направление требует заложить в алгоритмы определения текущего состояния слоя знания о физических свойствах анализируемого слоя. Назначение дорожного датчика определяет его взаимодействие с водой с примесями в жидкой и/или твердой фазах.
Присутствующая на дорожной поверхности смесь воды, льды и примесей в той или иной пропорции обладает неким уникальным набором значений физических величин, таких как температура, плотность, прозрачность, удельная электрическая проводимость и емкость, зависящие от частоты и амплитуды пропускаемого тока, скорость распространения ультразвука и многое другое. Постановка задачи идентификации состояния дорожной поверхности с требуемым числом градаций заключается в выделение минимального количества измеряемых параметров с требуемой точностью в реальных условиях.
При детальном рассмотрении возможности измерения того или иного физического параметра, характеризующего слой на поверхности с учетом серийно выпускаемых электронных компонентов (габариты, потребляемая мощность, возможность адаптации к требуемому применению, помехоустойчивость, стоимость) и их условий эксплуатации, можно сократить их количество до числа измеряемых при помощи электродов – напряжение поляризации, импеданс на низких частотах и его производные (активная и реактивная составляющие). То есть те параметры, которые измеряются в серийно выпускаемых датчиках и изобретениях. Рассмотрим указанные параметры воды в зависимости от е агрегатного состояния:
Удельное электрическое сопротивление воды э существенно зависит от температуры. Минерализация воды резко понижает ее удельное электрическое сопротивление, т.е. электрическая проводимость воды может служить показателем загрязнения/солености. Кроме того, наличие примесей в воде снижает температуру кристаллизации. Вода является хорошим растворителем. Характеристикой жидкости как растворителя является дипольный момент. У воды он весьма высокий (6,1310-29 Клм), что обусловливает ее свойства хорошего растворителя веществ, молекулы которых тоже полярны. Однако для сравнения способности одних веществ растворять в себе другие более удобным, чем дипольный момент, оказалось понятие диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность поля с данным веществом ниже, чем в вакууме. Диэлектрическая проницаемость воды при 20С = 81. Способность воды растворять соли понижается с уменьшением температуры. Этим обстоятельством объясняется выпадение солей из концентрированных растворов при охлаждении [44]. 2. Лед
На дорожном покрытии может присутствовать поликристаллический лед (условия образования монокристаллического льда в естественных условиях на дорожном покрытии не могут соблюдаться). Это означает, что в межзерновых зонах происходит скопление дефектов, пленок (ячеек) незамерзшей воды, и поликристалл является ионным проводником. Очень сильное влияние на электрические свойства льда оказывает присутствие солей в исходном растворе, из которых он образуется. При замерзании в ледяной матрице между зернами льда возникают ячейки незамерзшего раствора (рассола), который при понижении температуры постепенно вымерзает, а соли выпадают в виде кристаллогидратов при достижении соответствующих эвтектических температур. Содержание рассола во льде, а, следовательно, и электропроводность пропорциональны солености льда.
Таким образом, незамерзший рассол, примеси, дефекты, дислокации в поликристаллическом льде концентрируются в межзерновых граничных зонах, сечение, состав и строение которых изменяются с изменением температуры, что должно оказывать существенное влияние на развитие двойных электрических слоев и протекание электрокинетических процессов [40].
При таянии и замерзании на поверхности кристаллов льда происходит образование квазижидкого тонкого, толщиной от единиц до сотен ангстрем, в зависимости от температуры, слоя, имеющего проводимость предположительно в 106 раз превышающую проводимость воды [3].
Определение метрологических характеристик измерительных каналов
В основу создания датчика легла концепция ремонтопригодной конструкции. Ввиду специфики эксплуатации датчика очевидным недостатком выбранной концепции является сложность герметизации конструкции в целом: датчик состоит из двух частей – крышки и корпуса; крышка, состоящая из электронного модуля и чувствительной поверхности, при помощи разъема подключается к ответному разъему кабеля питания и связи, размещенному в корпусе. Проблемы герметизации решены в два этапа: 1. применение герметичного кабельного ввода и уплотнительной прокладки между крышкой и корпусом для препятствия проникновения влаги внутрь датчика; 2. заполнение пространства электронного модуля диэлектрическим веществом (термоклеем) и применение герметичного разъема.
Такая концепция позволит существенно сократить временные и финансовые ресурсы на обслуживания датчика – заменяемая, подверженная износу и дрейфу метрологических характеристик, крышка позволит осуществлять ремонт (или замену) и диагностику электронного модуля без извлечения корпуса с кабелем из дорожного полотна.
Датчик, подверженный сильному механическому износу и нагрузкам, химическому и электрохимическому воздействию, должен обладать устойчивостью к этим воздействиям. Если для корпуса условия прочности и химической устойчивости решаются просто – например, его изготовление (сварка) из нержавеющей стали, то выбор материалов для изготовления крышки и способ е изготовления является сложной и трудоемкой задачей:
Изготовление электродов из металла увеличит нестабильность измерительных каналов импеданса и напряжения поляризации. Это связано с тем, что металлы подвержены образованию на своей поверхности слоя защитного окисла, толщина которого может увеличиваться при благоприятных условиях и уменьшаться при механическом воздействии колес транспортных средств и щеток снегоуборочной техники. Причем, ввиду устойчивости к механическому износу толщина окисла по поверхности будет неоднородна, а сами электроду при длительной эксплуатации будут выступать из дорожной поверхности, что приведет к значительным смещениям пороговых значений измеряемых величин, определяющих градации.
Подходящим материалом для изготовления электродов является графит – графитовые электроды применяются при проведении электрохимических реакций, для определения проводимости электролитов на переменном токе и др. Также углеродные электроды применены в дорожном сенсоре DRS511.
Углеродные электроды обладают низкой химической активностью, механической прочностью (в DRS511 применены армированные электроды), а более низкая, чем у дорожного покрытия, износоустойчивость не позволяет им выступать при длительной эксплуатации.
Для дорожного датчика ФИРН1 применены электроды, изготовленные из графита без армирования. Диэлектрик Стабильность, инертность и точность сенсоров импеданса и напряжения поляризации очень сильно зависят от применяемого при изготовлении диэлектрика. Диэлектрик должен обладать:
а) механической прочностью более чем у электродов – чтобы при эксплуатации электроды не выступали с поверхности датчика;
б) высокой химической устойчивостью – при попадании на диэлектрик электролитов на его поверхности не должны образовываться проводящие соединения – это внесет дополнительную погрешность.
в) очень низким водопоглощением – влага не должна впитываться в диэлектрик – это приведет к снижению точности измерений и повышению инертности сенсора;
г) гигроскопичностью – попадаемая влага должна как можно равномернее растекаться по поверхности датчика, измерение характеристик равномерного слоя даст более точную оценку текущего состояния поверхности.
Эпоксидные смолы обладают низкой водопоглощательной способностью [30], однако при испытании с чистой водой такого диэлектрика было получено смещение характеристик, приводящее к нечувствительности некоторых градаций, а при испытаниях с электролитом – к выходу его из строя (проводимость увеличилась в разы). Для дорожного датчика ФИРН1 применен диэлектрик, изготовленный из подкрашенного акрила, испытания которого показали отсутствие смещения характеристик сенсора.
Алгоритмы анализа динамики развития состояния поверхности измерительной системы гололедно-изморозевых отложений
Процентное соотношение достоверного определения состояния поверхности при переходном состоянии значительно выше, это связано с тем, что при переходном состоянии точно определить градацию невозможно – существующая градация в переходном состоянии считалась достоверно определенной, если возможно е существование в данных метеорологических условиях.
Существенный вклад (26 %) в процент недостоверного определения состояния поверхности при стабильном состоянии внесло запоздалое определение состояния «снег», сменяющего состояние «сухо». Смену состояний можно было бы определить вовремя, наделив ПО ПК функцией анализа входных данных: начало явления «снег» четко характеризуется наличием осадков и незначительным снижением импеданса сенсоров дорожного датчика.
Существенный вклад (15,5 %) в процент недостоверного определения состояния поверхности при переходном состоянии внесло определение состояния «мокро» при состоянии «влажно», сменяющимся на состояние «сухо». Смену состояний можно было бы определить достоверно, наделив ПО ПК функцией анализа входных данных: невозможностью существования явления «мокро» четко характеризуется ростом импеданса и напряжения поляризации сенсоров дорожного датчика и отсутствием осадков.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что для достижения большей достоверности результатов измерений состояния дорожной поверхности следует использовать результаты измерений атмосферных метеоусловий, то есть дорожный датчик должен выполнять измерения в составе станции, которая (или ПО ПК), в свою очередь, выполняет анализ текущего состояния. 4.3. Алгоритмы анализа динамики развития состояния поверхности измерительной системы гололедно-изморозевых отложений
В результате проведенных испытаний и их анализа наблюдались следующие закономерности смены состояний поверхности в отсутствии антропогенного фактора в зависимости от температур воздуха и поверхности, относительной влажности и наличия осадков:
Среди указанных переходов встречаются несколько направленных, то есть с не указанными обратными переходами. Для этих случаев обратные переходы существуют и вызваны они тремя факторами: отсутствием четких границ градаций, погрешностью измерения величин и не контролируемыми изменениями структуры слоя, например, сопровождающиеся механическими изменениями – растрескивание и отслоение льда, возникновение микропузырьков газа при электролизе и др.
Среди указанных различных переходов также встречаются несколько переходов, имеющих идентичные факторы. Это вызвано применением инструментальных средств, не позволяющих различать осадки. При этом состояние поверхности будет приниматься за состояние, совпадающее с показаниями датчика.
Наделение измерительной системы гололедно-изморозевых отложений (ИСГИО) соответствующими измерительными каналами метеорологических величин, описанной логикой, а также выявленными закономерностями реакции ДД ФИРН1, сопровождаемой атмосферными явлениями, значительно повысит эффективность правильного определения текущего состояния поверхности по сравнению с автономными измерениями ДД ФИРН1.
1. Выполнены натурные исследования разработанного датчика. Получены результаты параллельных измерений с образцовым оборудованием – серийно выпускаемой автоматической дорожной метеорологической станцией ROSA в комплекте с дорожным сенсором DRS511 фирмы Oy Vaisala.
2. Предложена и применена методика подсчета количества зафиксированных случаев существования состояний поверхности и вероятности определения состояния поверхности. За период испытаний с 29 января по 30 апреля 2013 года было зафиксировано 16 случаев стабильного существования состояний, с вероятностью определения 62,5 %, а существование переходных состояний было зафиксировано в 29 случаях, с вероятностью определения 83,8 %.
3. Показано повышение вероятности определения состояния дорожной поверхности на 26 % для стабильного и 15,5 % для переходного состояний при применении разработанного датчика в системе со специальным алгоритмом, использующим выявленные, при исследованиях закономерности.
