Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методики и измерительного устройства для диагностики состояния водно-ледового слоя на дорожной поверхности

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики и измерительного устройства для диагностики состояния водно-ледового слоя на дорожной поверхности"

На правах рукописи УДК 551.5

Зименков Павел Сергеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ВОДНО-ЛЕДОВОГО СЛОЯ НА ДОРОЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 25.00.30- метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

Санкт - Петербург 2014

005554123

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова»

Официальные оппоненты

Научный руководитель кандидат технических наук,

зав. отделом метрологии ФГБУ «ГГО»

Окоренков Вадим Юрьевич

Ложкин Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, профессор СПб университета Государственной противопожарной службы МЧС РФ

Комаров Анатолий Вениаминович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории № 6 ИЭМ "НПО "Тайфун"

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет»

Защита состоится «10» декабря 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д327.005.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при федеральном государственном бюджетном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова» по адресу: 194021, г. Санкт-Петербург, ул. Карбышева, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального государственного бюджетного учреждения «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова», http://voeikovmgo.ru

Ведущая организация

Автореферат разослан «22» октября 2014 г.

Ученый секретарь .

диссертационного совета, д.г.н. jUttLKj) A.B. Мещерская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Атмосферные явления, сопровождающиеся возникновением скользкости дороги, оказывают значительное влияние на скоростной режим и безопасность движения транспортных средств. Минимизация экономических потерь, вызванных возникновением скользкости дороги, может быть достигнута при адаптированном подходе по ликвидации или предотвращению её появления. Исходными данными для принятия решения по ликвидации или предотвращению появления скользкости являются результаты измерений автоматических дорожных метеорологических станций, оснащенных специализированными дорожными датчиками. Эффективность такой информационной системы зависит от применяемых измерительных инструментов и мест их расположения. Метеоданные с наблюдательной сети метеостанций могут применяться для грубой оценки метеоусловий на близлежащих дорогах. Для более точных измерений и прогнозов необходимо использование и размещение автоматических дорожных метеостанций со специализированными дорожными датчиками в непосредственной близости или на самой дороге. Порядок проведения метеорологических наблюдений на дороге описан в Руководстве ВМО № 8.

Ряд иностранных фирм занимается выпуском автоматических дорожных метеостанций, оснащенных специализированными дорожными датчиками с различными принципами действия. Ввиду специфики выполнения измерений, а также многообразия факторов, влияющих на свойства слоя, определяющего текущее состояние поверхности, создание подобных датчиков представляет сложнейшую задачу. Несмотря на то, что данная проблема существует несколько десятилетий, в России такие датчики не производят.

Все многообразие выпускаемых датчиков можно разделить на две группы: бесконтактные и контактные. Бесконтактные датчики устанавливаются на расстоянии от 5 до 10 метров от дороги, на которой выполняются измерения, приборы визируют дорогу под углом от 45 градусов. Контактные датчики устанавливаются в дорожное полотно так, чтобы их поверхность была параллельна поверхности дорога и утоплена до 3 мм. Контактные датчики включают две подгруппы, это активные и пассивные. Пассивные типы датчиков определяют текущее состояние водно-ледового слоя,

3

характеризуемого типом, толщиной, температурой и концентрацией антиобледенительного реагента, не изменяя его структуры; активные типы датчиков определяют температуру замерзания водно-ледового слоя, выполняя его охлаждение и нагрев, тем самым, изменяя структуру.

Достоинством бесконтактных датчиков является не подверженность механическому износу и простота установки; к недостаткам относятся: отсутствие возможности определения состояния нижнего слоя при многослойной структуре водно-ледового слоя, постоянное загрязнение оптических узлов, большая погрешность измерения температуры поверхности, отсутствие возможности измерять температуру грунта. Контактные датчики, напротив, определяют характеристики нижнего слоя при многослойной структуре, подвержены механическому износу и сложны в установке.

Наиболее полную информацию можно получить, используя данные с обоих типов датчиков. Однако контактные датчики являются наиболее перспективными, так как позволяют измерять такие важные параметры, необходимые для прогнозирования образования скользкости, как температура грунта (на глубине 5 см и более), температура замерзания (воды с примесью), а также измерять температуру поверхности с меньшей погрешностью. Кроме того, они дешевле и проще в изготовлении.

В контактных датчиках определение состояния слоя на поверхности дороги выполняется на основе результатов измерений температуры и электрических характеристик сенсора. Водно-ледовый слой обладает физическими свойствами, такими как удельная проводимость и емкость, а также являясь электролитом, вызывает возникновение напряжения поляризации при контакте с электродами сенсора.

Толщину слоя определяют оптическим способом (реализован в дорожном сенсоре 0118511) или путем сопоставления электрических характеристик сенсоров различных геометрических размеров (выделение емкостных составляющих реализовано в патенте №: 115 6,239,601).

Недостатком оптического способа является низкая помехоустойчивость, вызванная измерением толщины в объеме водно-ледового слоя, ограниченном малыми размерами оптического сенсора. Это означает, что наличие, например,

песчинки на сенсоре способно значительно повлиять на точность измерений.

Недостатком способа выделения емкостных составляющих импеданса (полного сопротивления) сенсоров различной геометрии при использовании на дороге являются значительные погрешности измерения толщины, связанные с большим смещением номинальных характеристик сенсоров при износе.

Общим недостатком датчиков является отсутствие метрологического контроля: отсутствуют имитаторы и методики поверки измерительных каналов датчиков, отвечающих за достоверность определения типа водно-ледового слоя на дорожной поверхности.

Актуальность темы диссертационной работы определяется тем, что в ней рассматриваются метод измерения, вопросы разработки нового дорожного датчика, предназначенного для контактного определения состояний дорожной поверхности автономно, или в составе измерительных систем гололедно-изморозевых отложений, или в составе автоматических дорожных метеостанций и исследования его метрологических характеристик. Применение разработанного датчика в системе мониторинга состояния дорожной поверхности позволит значительно снизить риск возникновения аварийных ситуаций (предупреждение участников дорожного движения), загрязнение окружающей среды (за счет снижения количества расходуемого антиобледенительного реагента), экономические потери (своевременная очистка дороги предотвратит образование заторов). Данная разработка может найти применение в метеообеспечении автомагистралей и аэродромов.

Цель работы состоит в разработке устройства для наблюдений за состоянием дорожной поверхности автономно или в системах мониторинга окружающей среды и прогнозирования образования скользкости, а также в исследовании его метрологических характеристик. В соответствии с этим в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи: ^ выбор способа определения состояний дорожной поверхности; ^ разработка и создание дорожного датчика;

исследование зависимости температуры, импеданса, фазового угла и напряжения поляризации электродов сенсора от состояний дорожной поверхности;

^ исследование возможности измерения толщины слоя на дорожной поверхности;

^ исследование метрологических характеристик разработанного датчика; ^ разработка методики метрологического контроля измерительных каналов датчика, включающая имитацию типа водно-ледового слоя; ^ исследование достоверности определения состояний поверхности дорожным датчиком;

^ анализ возможности использования первичных данных и результатов определения состояний поверхности дорожным датчиком совместно с другими метаданными в измерительных системах, для повышения достоверности измерений.

Метод исследований. Поставленные в настоящей работе задачи решаются с применением теории измерений, математического анализа, а также с применением макетирования и эксперимента.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан и создан датчик состояния дорожной поверхности, не имеющий аналогов в России. Датчик позволяет проводить контактные измерения температуры и толщины слоя на дорожной поверхности, определять состояние этого слоя.

2. Предложен и реализован метод расчета толщины однородного проводящего слоя, находящегося на горизонтальной поверхности, по измеренным проводимостям контактирующих с ним сенсоров, образованных плоскопараллельными электродами с различными расстояниями между ними.

3. Предложены новые алгоритмы анализа состояния дорожной поверхности по измеряемым значениям температуры поверхности, импеданса, фазового угла и напряжения поляризации электродов сенсора.

4. Разработана методика метрологического контроля измерительных каналов датчика, включающая имитацию типа водно-ледового слоя.

5. Проведены лабораторные и натурные испытания датчика. Определены метрологические характеристики измерительных каналов. Определены диапазоны температуры, напряжения поляризации электродов, импеданса и фазового угла, принимаемые сенсорами при следующих состояниях дорожной поверхности: «сухо», «влажно», «мокро», «мокрый лед/снег», «снег», «лед».

Достигнута способность датчика определять указанные состояния дорожной поверхности.

6. Предложены алгоритмы контроля достоверности текущего состояния дорожной поверхности, определяемого датчиком, основанные на результатах измерений температуры воздуха и осадков.

Практическая ценность состоит в том, что разработан и создан дорожный датчик, который целесообразно включать в состав новых автоматических дорожных станций или интегрировать в уже эксплуатируемые, а также применять для нужд авиации и Министерства обороны РФ. Положения, выносимые па защиту.

1. Методика и измерительное устройство для диагностики состояния водно-ледового слоя на дорожной поверхности.

2. Аналитическая зависимость отношения проводимостей сенсоров, образованных плоскопараллельными электродами с различными расстояниями между ними от толщины контактирующего с их поверхностью проводящего слоя.

3. Алгоритмы анализа состояния дорожной поверхности, по измеряемым значениям температуры поверхности, импеданса, фазового угла и напряжения поляризации электродов сенсора.

4. Результаты лабораторных и натурных исследований.

Достоверность результатов обеспечена:

1. контролем метрологических характеристик измерительных каналов с применением эталонного оборудования;

2. соответствием результатов исследования проводимости сенсоров, контактирующих с водно-ледовым слоем различного состава, с опубликованными данными;

3. соответствием результатов исследования измерений толщины слоя воды, равномерно распределенной на площади поверхности датчика предложенным методом, с толщиной, заданной при помощи мерного стакана;

4. доказательством способности определения состояния дорожной поверхности дорожным датчиком при натурных испытаниях параллельно с применением в качестве образцового средства измерений, серийно выпускаемой

автоматической дорожной метеорологической станцией ROSA.

Личный вклад автора. Все представленные в работе результаты получены самим автором или при его участии.

Непосредственно автором разработан метод вычисления толщины водно-ледового слоя по измеряемым проводимостям сенсоров, образованных плоскопараллельными электродами с различными расстояниями между ними и контактирующими с этим слоем. Автором также самостоятельно разработана конструкция, электрическая схема, алгоритмы анализа состояний поверхности и программное обеспечение для работы датчика. Автором лично разработана методика и проведены лабораторные и натурные испытания датчика, выполнен анализ результатов; разработана методика метрологического контроля датчика, включающая имитацию типа водно-ледового слоя.

Апробация полученных результатов. Результаты исследований макетов дорожных датчиков в натурных условиях докладывались и обсуждались на Ученом Совете ФГБУ «ГГО» в 2009 г. Результаты разработки и исследования дорожного датчика пассивного типа в натурных условиях докладывались и обсуждались на Ученом Совете ФГБУ «ГГО» в 2012 г.

Внедрение. Датчики и результаты их апробаций были использованы в ФГБУ «ГГО» при выполнении НИР «Сперансы» в 2006 - 2007 гг. и в ОКР «Сперансы» в 2008г.

В 2013 - 2014 гг. результаты измерений автоматической станции АМС-2000 в комплекте с двумя, разработанными диссертантом дорожными датчиками были использованы в ФГБУ «ГГО» при выполнении хозяйственного договора по исследованию зарубежных дорожных датчиков Lufft (IRS31-PRO, ARS31, ARS31-PRO, NIRS31).

Публикации. Результаты исследований и разработок, выполненных автором лично, отражены в одном патенте на изобретение (2011 г.) и двух опубликованных статьях в трудах ГГО вып. 560 (2009 г.) и 566 (2012 г.) (из списка изданий рекомендованных ВАК).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 107 страниц, 16 таблиц, 42 рисунка. Список литературы на русском и английском языках содержит 58 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяются цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, приводятся результаты апробации работы, формулируются положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируются метеорологические факторы, сопутствующие образованию скользкости на дорожной поверхности; к ним относят атмосферные осадки, температуру и влажность воздуха. Сочетание указанных выше метеопараметров определяет тип возникающей скользкости: гололедица, «черный лед», гололед или снежный накат.

Рассматриваются инструментальные средства измерений характеристик гололедно-изморозевых отложений. Проведен анализ пяти современных дорожных датчиков: бесконтактных - БС8111 фирмы Уа1Ба1а и N1115-31 фирмы контактных пассивных - 0115511 фирмы Уа1за1а и Ш5-31Р1Ю фирмы Ьи£й, контактного активного - АИ8-31Р110 фирмы Анализ показал, что температуру поверхности измеряют N1115-31, АЯ8-31РЯО, Б118511 и ШБ-31РБЮ; температуру грунта А115-31Р1Ю, 0118511 и Ж5-31РЯО; температуру льдообразования измеряет АК8-31РИО; толщину слоя воды измеряют БС5111, N№.8-31 и П18-31Р]Ю; толщину слоя льда и снега БС8111 и N11*5-31. Температуру поверхности с наименьшей погрешностью (0,1 °С) измеряет БИ8511, с наибольшей - N11*5-31 (0,8 °С).

Обосновывается выбор разработки и исследования контактного пассивного датчика, как обладающего наибольшей информативностью о состоянии водно-ледового слоя, а при многослойной структуре определяющего состояние нижнего слоя, что особенно важно; выбранный датчик отличается простотой, устойчивостью к воздействиям внешних факторов, а также относительно низкой стоимостью.

Анализируются физические свойства воды, снега, льда, смеси воды со льдом, такие как удельная проводимость и диэлектрическая проницаемость.

При разработке датчика учитывается опыт ранее разработанных датчика БК8511 и устройства, описанного в патенте №: 118 6,239,601 В1. В первом

проводятся измерения температуры поверхности и грунта, проводимости и напряжения поляризации электродов сенсора, электрической емкости сенсора. Анализ измеряемых датчиком характеристик позволяет определять состояние поверхности. Толщину слоя измеряют оптическим сенсором. Преимуществом является измерения нескольких независимых, упомянутых выше характеристик, способствующих повышению достоверности результатов анализа текущего состояния слоя. Недостатки связаны с использованием разнесенных сенсоров, что негативно сказывается на результатах при неоднородности анализируемого слоя и использовании оптического сенсора, имеющего низкую помехоустойчивость к механическим воздействиям (повреждение поверхности волноводов при движении транспортных средств) и к механическим примесям, вызывающих замутнение анализируемого слоя. Во втором устройстве измерения толщины слоя проводятся на основе сопоставления емкостей сенсоров различной геометрии. Преимуществом является простота реализации; недостатки связаны с использованием разнесенных сенсоров и увеличением погрешности выделения емкостных составляющих импеданса за счет смещения номинальных характеристик сенсоров при износе, и, как следствие, возрастанием погрешности измерения толщины слоя.

В работе разработан датчик; его принцип действия аналогичен рассматриваемым, но конструкция, схемные решения и алгоритм анализа позволяют устранить недостатки следующим способом:

1. электроды располагать так, чтобы минимизировать в пространстве расстояние между образуемыми ими сенсорами - плоскопараллельно с одним общим электродом;

2. результаты измерений с каждого сенсора (импеданс, фазовый угол и напряжения поляризации электродов) использовать для определения состояния поверхности и толщины слоя;

3. толщину слоя определять как функцию проводимостей (вычисление активной составляющей по измеренным импедансу и фазовому углу) двух сенсоров различной геометрии.

Сформулированы требования, которым должен отвечать разрабатываемый дорожный датчик для эксплуатации в реальных условиях и обеспечения метрологического контроля: это химически и механически устойчивая, а также снашиваемая чувствительная поверхность; герметичная разборная конструкция - съемные чувствительная поверхность и блок электроники.

Во второй главе выводится уравнение зависимости проводимости сенсора, чувствительная поверхность которого представляет собой плоскость диэлектрика с двумя плоскопараллельными электродами, от толщины проводящего слоя, находящегося на чувствительной поверхности сенсора. Для этого формулируется упрощенное описание электростатического поля между электродами. Площадь электрода, через которую протекает ток, разделена на области Oi, О2 и Оз, (рис. 1). Для каждой области построена модель распространения силовых линий электростатического поля:

01 — однородная область - линии тока над электродом представлены эллиптическими дугами (четверть эллипса в плоскости YOX) с одинаковыми соотношениями радиусов, линии между электродами - горизонтальные прямые в плоскости VOX. Каждая линия от одного электрода до другого лежит в одной плоскости.

02 - область с проявлением краевого эффекта с внутренней стороны электрода при образовании сенсора на расстоянии менее половины расстояния между электродами - линии тока над электродом представлены эллиптическими дугами (четверть эллипса в плоскости YOX) с изменяющимися соотношениями радиусов вдоль оси z (за счет сужения области), линии между электродами - эллиптическими дугами (половина эллипса в плоскости ZOX).

03 - область с проявлением краевого эффекта на торцах электродов -линии тока над электродом представлены эллиптическими дугами (четверть эллипса в плоскости YOZ) с изменяющимися соотношениями радиусов вдоль оси х (за счет сужения области), линии между электродами - эллиптическими дугами (половина эллипса в плоскости ZOK).

1,2 - электроды; 3 - диэлектрик: 4 - силовые линии электростатического поля; 01, Ог, Оз - области электродов, представляемые различными моделями распространения электростатического поля.

Рисунок 1. Сенсор импеданса и напряжения поляризации.

Теоретическим путем получена зависимость проводимостей областей сенсора от геометрических размеров и толщины проводящего слоя на чувствительной поверхности сенсора (уравнения 1-3). Проводимость сенсора определяется суммой проводимостей областей (уравнение 4).

С1 = (с-2хй)х<тхНх Г1-йг (П

с2 = ОХ нх /Д1 , -^--- (2)

2 Si

0 i+Sxsmftl J0 I' " - - -

I+jXSinCt) |(a-§XZ) XCO^M + H^xWW

G3 — a x H x ¡¿J;-, 2 —-(3)

2xdxJ0 J-dW*w-n,2xsi„*(t)-d£ + 2 xrxHxtf —I-^-at

J (гхдг) *cos2 и + "2 *si"2 м

G = Gj + 2 x G2 + 2 x G3 (4)

где:

С - проводимость сенсора;

G/, G2, Gj - проводимости областей О,, 02 и 03 сенсора соответственно; а - удельная проводимость вещества слоя; а - ширина электродов;

I

.

Ь - расстояние от торца электрода, до которого распространяются линии тока с внутренних сторон электродов; с - длина электродов;

<1 - половина расстояния между электродами; г, Х- параметры; Ъ х - оси;

Н - толщина слоя на чувствительной поверхности сенсора.

На примере сенсоров с расстояниями между электродами 3 и 6 мм, длиной 55 мм вычислена зависимость, которая показывает, что отношение проводимостей этих сенсоров зависит от толщины слоя и не зависит от удельной проводимости (рис. 2).

■----------

Н, мм

Рисунок 2. Зависимость отношения проводимостей сенсоров с расстояниями между электродами 3 мм (Суз) и 6 мм (Сш) от толщины слоя Я.

Аналитическая зависимость позволила рассчитать требуемую погрешность измерения отношения проводимостей сенсоров для заданной погрешности измерения толщины слоя: для обеспечения 10 % относительной погрешности определения толщины слоя, при толщинах слоя более 1 мм, требуется обеспечить измерения отношений проводимостей с погрешностью 0,65 % (для толщин менее 1 мм погрешность должна быть снижена). При увеличении отношения расстояний между электродами, образующими широкий и узкий сенсоры, погрешность измерения толщины слоя будет снижена за счет увеличения чувствительности (определяется крутизной отношения проводимостей сенсоров) и увеличена за счет влияния факторов не учитываемых выведенной зависимостью. Уменьшение отношения - вызовет обратный эффект.

Рисунок 3. Датчик состояний дорожной поверхности.

По результатам теоретических расчетов предложен и реализован датчик (рис. 3.), который представляет собой прямоугольный параллелепипед с чувствительной поверхностью (плоскостью) (6) из диэлектрика (I) с датчиком температуры (2) и тремя плоскопараллельными электродами (3 - 5) с различными расстояниями между ними. Он включает также и состоит из микропроцессорного модуля сбора и обработки данных с аналоговой перифериен. Оригинальными узлами модуля являются: коммутатор, позволяющий подключать любую пару электродов в любой полярности к каналам измерения импеданса и напряжения; канал измерения импеданса с автоматическим выбором диапазона измерения и функцией калибровки.

Для каждой из градаций «сухо», «влажно», «мокро», «снег», «мокрый лед/снег» и «лед» определены диапазоны принимаемых значений температуры поверхности, импеданса сенсора, включая фазовый угол и напряжения поляризации электродов. Для некоторых градаций диапазоны перечисленных величин могут частично или полностью совпадать, однако любое сочетание величин не может полностью соответствовать более чем одной градации. Определение состояния поверхности выполняется по следующему алгоритму: проверяется соответствие измеряемых величин каждой из перечисленных градаций; полное соответствие градации или наиболее опасная градация из нескольких подходящих по некоторым величинам определяет результат выбора градации.

В третьей главе описаны требования к материалам изготовления чувствительных элементов: это химически и механически устойчивые

материалы с низким водопоглощением, с высокой проводимостью для электродов и низкой - для диэлектрика. Таким требованиям отвечают графит и акрил соответственно. Описана разборная конструкция дорожного датчика, герметичность которой обеспечена применением герметичного разъема внутри корпуса и заполнение герметиком электронного модуля.

Проведены лабораторные испытания по определению основных случайных абсолютных и относительных погрешностей измерительных каналов, которые показали: погрешность канала температуры в диапазоне минус 50 - плюс 25°С не более 0,1 °С; канала импеданса в диапазоне 10 - 300 Ом не более 0,9 %, в диапазоне 300 - 10000 Ом не более 0,13 %, в диапазоне 10 - 100 кОм не более 1 %; канала напряжения в диапазоне 10 - 1000 мВ не более 1,2 мВ. Снижение основных погрешностей малоэффективно, так как дополнительные погрешности измерений, вызванные условиями эксплуатации (например, неоднородности водно-ледового слоя на поверхности), будут значительно их превосходить.

Проведены лабораторные испытания с целью определения диапазонов принимаемых значений импеданса сенсора, а также возможность измерения толщины слоя для состояний слоя «вода» и «лед». Испытания показали, что диапазоны принимаемых значений не перекрываются. Это означает, что состояния слоя «вода» и «лед» могут быть однозначно определены по значению импеданса сенсора. Также была подтверждена возможность измерения толщины слоя воды, и невозможность измерения толщины слоя льда, вызванная неравномерным распределением дефектов кристаллизации по объему слоя.

Проведены лабораторные исследования по определению диапазонов толщины слоя, в которых обеспечивается требуемая погрешность измерения толщины слоя для пар сенсоров, с расстояниями между электродами 3 и 6 мм, длиной 55 мм (Датчик 1) и с расстояниями между электродами 3 и 10 мм, длиной 25 мм (Датчик 2) (табл. 1).

Результаты эксперимента (табл. 1) показали, что погрешность определения толщины слоя в 20 % возможна при толщинах слоя до 1/3 расстояния между электродами 4 и 5 (рис.3), образующими широкий сенсор.

Таблица 1. Измерение толщины слоя воды.

Заданная толщина, мм 0,5 0,9 1,3 1,6 2,0 2,7 3,0

Датчик 1 0,5 0,9 1,7 1,9 2,3 3,4 4,0

Датчик 2 0,4 0,8 1,2 1,5 1,8 2,5 2,8

Разработана методика поверки датчика, заключающаяся в имитации характеристик водно-ледового слоя посредством стенда-имитатора. Стенд-имитатор имеет терморегулируемый элемент, для поддержания заданной температуры поверхности и два идентичных калибратора импеданса и напряжения, которые состоят из последовательно соединенных регулируемого источника напряжения с параллельно соединенными мерами электрического сопротивления и емкости. Имитируемые величины сравнивают с измеряемыми (поверка измерительных каналов), а соответствующую им градацию с определяемой (проверка работоспособности).

В четвертой главе выполнен анализ данных натурных экспериментов (пример, рис. 4). Они выполнялись в ГТО в период с 21 декабря 2011 года по 27 января 2012 года и с 29 января по 30 апреля 2013 года, были направлены на изучение измеряемых разработанным датчиком характеристик водно-ледового слоя, в том числе не воспроизводимого в лабораторных условиях: снег и таящий снег. Испытания проводились с использованием серийно-выпускаемой автоматической дорожной метеорологической станцией ROSA в составе с дорожным сенсором DRS511 и с применением специального программного обеспечения, позволяющего отображать и архивировать результаты измерений.

На рисунке 4 представлены результаты определения переходного состояния поверхности при смене «снег» —> «мокрый лед» —► «лед», подтвержденной визуальными наблюдениями. Датчик показал смену состояний поверхности «снег» —► «мокрый лед» через состояние «лед», «мокрый лед» —> «лед» с ошибочно определенным состоянием «мокро». Таким образом, показания датчика соответствовали визуальным наблюдениям не полностью. Разработана методика по оценке достоверного определения состояния поверхности, основанной на визуальных наблюдениях и результатах измерений осадков, температуры воздуха и поверхности. В методике приняты две разновидности существования состояний поверхности. Стабильное состояние -

существует только одна градация, для которой строго определенны температурные режимы воздуха и поверхности, а также вид осадков. Переходное состояние - одновременно существует несколько градаций, каждая из которых может существовать в текущих температурных режимах и осадков. Считается, что стабильное состояние определено верно, если оно совпадает с истинным состоянием. Переходное состояние считается определенным верно, если оно совпадает с любым из существующих состояний, так как количественное соотношение присутствующих состояний не может контролироваться. Для подсчета количества случаев принято, что один случай это одно стабильное или переходное состояние, не зависящее от периода его существования. По указанной методике рассчитаны вероятности определения состояния поверхности для стабильных и переходных состояний, которые составили 62,5 и 83,8 % соответственно.

Рисунок 4. Результаты определения состояния поверхности.

Разработан алгоритм анализа данных дорожного датчика, датчиков температуры воздуха и осадков, позволяющий повысить вероятность определения состояния поверхности для стабильного состояния на 26 %, для переходного - на 15,5 %.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы:

1. Проведен анализ метеорологических условий возникновения гололедно-изморозевых отложений, выделены метеопараметры, наблюдение которых необходимо для определения существования и прогноза этих опасных явлений.

2. Проведен анализ инструментальных средств для наблюдений за гололедно-

17

изморозевыми отложениями. Выполнен обзор дорожных датчиков, получивших наибольшее распространение на территории Российской Федерации - это датчики зарубежных производителей. Собственного опыта в серийном выпуске дорожных датчиков наша страна не имеет.

3. Выбрано направление исследований, в соответствии с которым для автоматического определения состояния дорожной поверхности измеряются: температура, импеданс и фазовый угол сенсора, напряжение поляризации электродов; для измерения толщины слоя применено плоскопараллельное расположение электродов

4. Выведено уравнение зависимости проводимости сенсора от толщины слоя на его поверхности, данное уравнение применимо к сенсору любого размера, состоящего из плоскопараллельных прямоугольных электродов.

5. Разработаны конструкция, электрическая схема и программное обеспечение датчика.

6. Разработан алгоритм определения состояний поверхности.

7. Проведены лабораторные испытания по определению погрешности измерительных каналов, показавшие приемлемую точность для предназначенных условий эксплуатации.

8. Проведены лабораторные испытания, а также выполнены расчеты, определяющие границы диапазонов принимаемых значений измеряемых величин для градаций состояний поверхности «вода» и «лед».

9. Проведены лабораторные испытания, которые показали, что при толщинах слоя до 1/3 расстояния между электродами, образующими широкий сенсор, погрешность измерения толщины слоя воды не превышает 20 %.

10. Разработана методика поверки дорожного датчика.

11. 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 Оу Vaisala.

12. 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 %. 13. 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.

1. Зименков П. С. Измерение толщины водосодержащего слоя дорожным датчиком. Труды ГГО. 2012. Вып. 566. С.223-233.

2. Зименков П.С. Патент № 2464580 от 06 мая 2011 г. на изобретение «Анализатор-измеритель состояния слоя воды/льда с примесями на дорожной поверхности». - Бюл. № 29,2012.

3. Зименков П.С. Исследование датчика гололедно-изморозевых отложений. Труды ГГО. 2009. Вып. 560. С.268-276.

Список публикаций по теме диссертации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК

Отпечатано с готового оригинал-макета в ЦНИТ «АСТЕРИОН» Заказ № 206. Подписано в печать 22.09.2014 г. Бумага офсетная Формат 60х84'Лб. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз.

Санкт-Петербург, 191015, а/я 83, тел. /факс (812) 685-73-00, 663-53-92, 970-35-70 asterion@asterion.ru