CN103175860B - 基于离子摩尔浓度监测的路面冰点温度测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离子摩尔浓度监测的路面冰点温度测试系统及方法，根据溶液冰点温度与离子摩尔浓度的线性单调关系，通过溶液阻抗监测进行离子摩尔浓度测量，结合当前溶液温度，通过标定和校准即可测得溶液当前冰点温度。与常规冰点温度测试方法相比，该方法省去了溶液制冷装置及其温度控制单元，结构简单；同时由于检测对象直接是影响溶液冰点温度的离子摩尔浓度，因而可直接测量由多种不同溶质混合而成的溶液的冰点温度。该方法可应用于交通道路路面冰点温度测量，实现冬季道路结冰状态监测，指导交通运输安全。

Description

基于离子摩尔浓度监测的路面冰点温度测试系统及方法

技术领域

本发明涉及路面冰点温度测试技术领域，尤其涉及一种基于离子摩尔浓度监测的对路面冰点温度进行测试的系统及方法，在不需要制冷装置的情况下，可以进行单种溶质或多种不同混合溶质溶液的冰点温度测量。

背景技术

道路结冰会导致路面实际摩擦系数显著下降，增加机动车制动距离、降低对车辆的操控能力，从而引发更多的交通事故。因而采用专用的路面冰点温度测试系统，实时监测路面冰点温度，对于道路运行管理者以及养护作业者提供决策信息，以进一步提高恶劣气象条件下的道路安全检测具有重要的研究意义。

在冬季有雨雪天气发生时，交通运输部门常常在结冰路面喷洒融雪剂以降低路面冰点温度，然而当前市场上所使用的融雪剂有很多种，按其化学组成成分不同，可分为有机融雪剂、无机融雪剂或两者的混合物，有机融雪剂的主要成分为醋酸钾(CH₃COOK)，无腐蚀，但价格昂贵，较常用于机场等地；无机融雪剂多为氯盐类混合物，其成分包括NaCl、CaCl₂、MgCl₂、KCl等；而市场上以无机物和有机物的混合物居多。在道路表面撒有融雪剂时，可通过不同浓度的溶液盐度测量进行冰点温度推算。现有的路面盐度测试方法，通过配置不同质量体积百分比的盐溶液进行冰点温度监测，对于不同溶质、相同质量体积百分比的盐溶液，其质量摩尔浓度不一定相同，因此，冰点温度也不同。因此常规测试方法对实际路面冰点温度测量不适用，尤其是采用混合融雪剂的情况。

本发明通过离子摩尔浓度进行冰点温度检测，只要溶液总体离子摩尔浓度相同，不同溶质的有机、无机盐冰点温度的下降量相同，与溶质本身的性质无关。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于离子摩尔浓度监测的路面冰点温度测试系统及方法，以解决高速公路等道路表面的冰点温度监测问题，达到冬季道路安全提醒及监测的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种路面冰点温度测试系统，该系统包括温度检测模块1、阻抗检测模块2和微处理器8，其中：

温度检测模块1，用于测量当前路面被测溶液的温度t₀，并将该温度t₀传输至微处理器8，其中路面被测溶液是路面上被雨、雪或冰覆盖的或含有融雪剂的溶液；

阻抗检测模块2，用于测量当前路面被测溶液的阻抗值，并将该阻抗值传输至微处理器8；

微处理器8，用于对接收自阻抗检测模块2的该阻抗值进行求倒数运算得到当前路面被测溶液的实际电导值S_t，然后将该实际电导值S_t通过公式换算为25℃下的电导值S₂₅，β为温度校正系数，t₀为当前路面被测溶液的温度，再根据该25℃下的电导值S₂₅与离子摩尔浓度m_e的定量函数关系式计算出当前路面被测溶液的离子摩尔浓度m_e，再根据公式Δt_f＝|t_f-0℃|＝|t_f|＝1.863m_e计算得到当前路面被测溶液的冰点温度的下降值Δt_f，t_f是当前路面被测溶液的冰点温度，0℃是不含任何溶质的纯水对应的冰点温度，该下降值Δt_f等于当前路面被测溶液的冰点温度t_f。

为达到上述目的，本发明还提供了一种路面冰点温度测试方法，该方法包括：

温度检测模块1测量当前路面被测溶液的温度t₀，并将该温度t₀传输至微处理器8；

阻抗检测模块2测量当前路面被测溶液的阻抗值，并将该阻抗值传输至微处理器8；以及

微处理器8对接收自阻抗检测模块2的该阻抗值进行求倒数运算得到当前路面被测溶液的实际电导值S_t，然后将该实际电导值S_t通过公式换算为25℃下的电导值S₂₅，β为温度校正系数，t₀为当前路面被测溶液的温度，再根据该25℃下的电导值S₂₅与离子摩尔浓度m_e的定量函数关系式计算出当前路面被测溶液的离子摩尔浓度m_e，再根据公式Δt_f＝|t_f-0℃|＝|t_f|＝1.863m_e计算得到当前路面被测溶液的冰点温度的下降值Δt_f，t_f是当前路面被测溶液的冰点温度，0℃是不含任何溶质的纯水对应的冰点温度，该下降值Δt_f等于当前路面被测溶液的冰点温度t_f。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种路面冰点温度测试系统及方法，根据溶液冰点温度与离子摩尔浓度的线性单调关系，通过溶液阻抗监测进行离子摩尔浓度测量，结合当前溶液温度，通过标定和校准即可测得溶液当前冰点温度，解决了高速公路等道路表面的冰点温度监测问题，达到了冬季道路安全提醒及监测的目的。

2、本发明提供的这种路面冰点温度测试系统及方法，与常规冰点温度测试方法相比，省去了溶液制冷装置及其温度控制单元，结构简单；同时由于检测对象直接是影响溶液冰点温度的离子摩尔浓度，因而可直接测量由多种不同溶质混合而成的溶液的冰点温度。

3、本发明提供的这种路面冰点温度测试系统及方法，可应用于交通道路路面冰点温度测量，实现冬季道路结冰状态监测，指导交通运输安全。

4、本发明提供的这种路面冰点温度测试系统及方法，由于直接通过监测离子摩尔浓度进行冰点温度判断，因而排除了不同化学成分融雪剂对测试结果的影响，增加了测试精度。

附图说明

图1是依照本发明实施例的路面冰点温度测试系统的结构框图；

图2是依照本发明实施例的线性修订后实际阻抗与电路测得阻抗的关系曲线；

图3是依照本发明实施例的路面冰点温度测试方法的流程图；

图中，1温度检测模块，2阻抗检测模块，3频率发生器，4增益放大电路，5ADC采样电路，6DFT变换电路，7电源管理模块，8微处理器，9电极，10被测溶液。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是依照本发明实施例的路面冰点温度测试系统的结构框图，该系统包括温度检测模块1、阻抗检测模块2和微处理器8，其中：温度检测模块1用于测量当前路面被测溶液的温度t₀，并将该温度t₀传输至微处理器8，其中路面被测溶液是路面上被雨、雪或冰覆盖的或含有融雪剂的溶液；阻抗检测模块2用于测量当前路面被测溶液的阻抗值，并将该阻抗值传输至微处理器8。该系统还包括电源管理模块7，用于为阻抗检测模块2和微处理器8进行供电。

微处理器8用于对接收自阻抗检测模块2的该阻抗值进行求倒数运算得到当前路面被测溶液的实际电导值S_t，然后将该实际电导值S_t通过公式换算为25℃下的电导值S₂₅，β为温度校正系数，t₀为当前路面被测溶液的温度，再根据该25℃下的电导值S₂₅与离子摩尔浓度m_e的定量函数关系式计算出当前路面被测溶液的离子摩尔浓度m_e，再根据公式Δt_f＝|t_f-0℃|＝|t_f|＝1.863m_e计算得到当前路面被测溶液的冰点温度的下降值Δt_f，t_f是当前路面被测溶液的冰点温度，0℃是不含任何溶质的纯水对应的冰点温度，该下降值Δt_f等于当前路面被测溶液的冰点温度t_f。

在本发明的一个实施例中，温度检测模块1包括一热敏电阻，该热敏电阻可以为铂电阻，利用该热敏电阻的阻值与其环境温度之间的单调对应关系，通过对该热敏电阻阻值的测量实现对当前路面被测溶液的温度t₀的测量。

在本发明的一个实施例中，阻抗检测模块2包括频率发生器3、增益放大电路4、ADC采样电路5和离散傅里叶(DFT)变换电路6，其中频率发生器3发出一定频率的激励信号，该激励信号被送至浸入当前路面被测溶液的电极9，当前路面被测溶液产生复阻抗信号，该复阻抗信号依次经过增益放大电路4、ADC采样电路5和DFT变换电路6被处理为当前路面被测溶液的阻抗值，该阻抗值被传输至微处理器8。

在本发明的一个实施例中，微处理器8计算得到当前路面被测溶液的冰点温t_f后，通过RS232接口送往上位机实现对路面冰点温度的监测。

给予图1所述的路面冰点温度测试系统，本发明还提供了一种路面冰点温度测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：温度检测模块1测量当前路面被测溶液的温度t₀，并将该温度t₀传输至微处理器8；

步骤2：阻抗检测模块2测量当前路面被测溶液的阻抗值，并将该阻抗值传输至微处理器8；以及

步骤3：微处理器8对接收自阻抗检测模块2的该阻抗值进行求倒数运算得到当前路面被测溶液的实际电导值S_t，然后将该实际电导值S_t通过公式换算为25℃下的电导值S₂₅，β为温度校正系数，t₀为当前路面被测溶液的温度，再根据该25℃下的电导值S₂₅与离子摩尔浓度m_e的定量函数关系式(该函数关系式需通过记录当前电路在不同离子摩尔浓度下的各个输出电导值，然后进行线性拟合来确定)计算出当前路面被测溶液的离子摩尔浓度m_e，再根据公式Δt_f＝|t_f-0℃|＝|t_f|＝1.863m_e计算得到当前路面被测溶液的冰点温度的下降值Δt_f，t_f是当前路面被测溶液的冰点温度，0℃是不含任何溶质的纯水对应的冰点温度，该下降值Δt_f等于当前路面被测溶液的冰点温度t_f。

其中，微处理器8计算得到当前路面被测溶液的冰点温t_f后，通过RS232接口送往上位机实现对路面冰点温度的监测。

下面再结合图1至图3，对本发明提供的路面冰点温度测试系统及方法进行详细描述。

1、路面冰点温度测试系统

本发明提供的路面冰点温度测试系统如图1所示，该测试系统主要包括两个传感单元：温度检测模块1及阻抗检测模块2，温度检测模块1的主要组成单元为热敏电阻——铂电阻，在路面冰点温度测试应用中，被测溶液10表示路面上被雨/雪/冰覆盖的溶液(或含融雪剂)，利用铂电阻进行被测溶液10的当前温度测量，基于铂电阻阻值与其环境温度之间的单调对应关系，通过铂电阻阻值测量计算出当前被测溶液10的温度，该温度值被传送至微处理器8中参与后述的冰点温度计算。

阻抗检测模块2主要由频率发生器3、增益放大电路4、ADC采样电路5及DFT(离散傅里叶)变换电路6构成。在阻抗检测模块2中，频率发生器3发出一定频率的信号激励浸入被测溶液10的电极9，由于在不同溶液浓度下参与导电的离子摩尔浓度不同，因而溶液所表现出来的复阻抗也不同，该被测溶液10产生的复阻抗信号依次经过增益放大电路4、ADC采样电路5以及DFT变换电路6的计算处理，即得到与被测溶液离子摩尔浓度直接联系的溶液阻抗值，利用以下所述的冰点温度测试方法，可以得到经微处理器8最终换算得到的被测溶液冰点温度，该值可通过RS232接口送往上位机实现路面冰点温度监测，电源管理模块7同时为阻抗检测模块2和微处理器8供电。

2、路面冰点温度测试方法

对有机盐等非电解质盐溶液，其冰点温度与溶液浓度的关系式可表示为：

Δt_f＝k_fm             (1)

式中，Δt_f为相对未加溶质的纯溶液，当前盐溶液冰点温度的变化，k_f为冰点温度变化常数，只与溶剂有关，对水来说，k_f＝1.863℃kg/mol，m为当前溶液的质量摩尔浓度。因此，对于不同溶质、相同质量体积百分比的盐溶液，其质量摩尔浓度不一定相同，因此，冰点温度也不同。但只要质量摩尔浓度相同，不同溶质的无机盐冰点温度的下降量相同，与溶质本身的性质无关。

但对于NaCl、CaCl₂等电解质，由于溶质会电解，冰点温度与溶液浓度的关系式将依赖于电解离子的浓度，对NaCl盐溶液，由于1mol的NaCl同时电解成1mol的Na⁺和1mol的Cl^-，上述关系式变为：Δt_f＝2k_fm，而对CaCl₂则为Δt_f＝4k_fm，因而不同的盐溶液具有不同的关系式，而在实际应用中，融雪剂成分不单一，因而冰点温度与溶液浓度关系式不统一，为此，我们采用离子质量摩尔浓度，选用统一的关系式如下：

Δt_f＝k_fm_e，m_e＝m×n         (2)

n为1mol溶质电离后离子mol数，对NaCl，n＝2，CaCl₂，n＝4.

因而，只要由传感器测得的附在其表面盐溶液的阻抗与离子摩尔浓度m_e的关系式，利用式(2)即可计算得到对应盐溶液的冰点温度的下降Δt_f，而不含任何溶质的纯水对应的冰点温度为0℃，因而Δt_f即为当前盐溶液的冰点温度。

冰点温度的测试方法流程图如图3所示，基于离子浓度的冰点温度测试方法的各个环节描述如下：

1)阻抗测试电路的标定

根据实际外场检测环境，撒了融雪剂的道路其冰点温度变化范围为-30℃至0℃，根据给水排水手册，盐溶液浓度与溶液电导率的关系式可推算实际盐溶液的电导率范围在1ms/cm至80ms/cm之间，而当前阻抗测量电极系数为3/cm，可推算被测盐溶液的阻抗值在12.5欧至3千欧之间，选用200欧姆的被测标定电阻，确定阻抗模块检测电路的增益系数。对若干该范围内的电阻用阻抗测量电路以及万用表分别进行测量，做出阻抗值对比曲线，在保证一定线性度的情况下进行线性拟合，修订电阻实际阻抗与测得阻抗之间的关系，写入程序。修订后测得阻抗与万用表测得的实际阻抗之间的关系曲线如图2所示，可以看出本发明设计的阻抗测量模块在较大的阻抗范围内具有很好的线性度。

2)寻找离子摩尔浓度与冰点温度测试系统测得的被测溶液阻抗(电导)之间的对应关系

由于通过离子摩尔浓度进行冰点温度检测与溶质种类无关，可选用最常见的NaCl盐溶液寻找变量关系。选用去离子水，配置从1％至20％的不同质量百分比浓度的NaCl盐溶液，测量各个质量百分比对应的溶液离子浓度和传感器测得的阻抗值之间的对应关系，并记录当前溶液温度t₀；

3)温度传感器的标定

采用一级温度计和温度传感器，分别对冰水混合物和沸水进行温度测量，测量冰水混合物温度时，要不断的搅拌混合物，等读数和温度计都达到平衡时记下此时二者的读数，根据一级温度计温度值标定温度传感器。

4)不同浓度的分段标定

根据测得的离子摩尔浓度和阻抗测量值的线性关系，可以选择分段标定的方法进一步提高测试精度，另外，可采用二次拟合方法提高标定精度；写出各区间段离子摩尔浓度和阻抗值之间的关系式，完成标定。

5)去除温度对测量阻抗的影响

根据经验公式将温度t₀下测得的阻抗值换算得到的电导值S_t换算成25℃下的电导值S₂₅，其中，温度校正系数β通常情况下近似为0.02(给排水手册中的经验值)，为精确测量冰点温度，可以采用温度箱，设定为环境温度所能达到的温度范围内的数值(如-30℃至40℃)，利用电导率仪对该温度范围内的温度校正系数进行重新标定。从而得到S₂₅与离子摩尔浓度的关系，实现阻抗模块的标定。在标定过程中，为监测冰点温度测量误差，可通过含盐量误差进行监测，当系统测试得到的含盐量误差小于0.5％时，认为上述阻抗标定过程有效，否则进行二次标定，直到含盐量测试结果在小于0.5％的误差允许范围内为止。

6)路面冰点温度测量

通过上述过程实现标定后，在测试过程中，首先通过温度检测模块1中的铂电阻阻值测量，推算并记录当前溶液温度t₀；其次，通过阻抗检测模块2测得当前溶液的阻抗值，并通过求倒数得到其电导值S_t。每测得一个当前盐溶液的离子摩尔浓度对应的电导值S_t，通过先换算成25℃下的电导值S₂₅，再根据上述2)至5)所述标定过程中得到的S₂₅与离子摩尔浓度m_e的定量函数关系式(该函数关系式需通过记录当前电路在不同离子摩尔浓度下的各个输出电导值，然后进行线性拟合来确定)，计算出当前溶液的离子摩尔浓度m_e，再根据公式Δt_f＝|t_f-0℃|＝|t_f|＝1.863m_e，式中0℃表示不含任何溶质的纯水对应的冰点温度，即可计算得到当前溶液的冰点温度的下降值，该下降值即为当前溶液的冰点温度。

在本发明的一个实施例中，经过上述2)至5)所述的标定过程，得到的S₂₅与离子摩尔浓度m_e的定量函数关系式如表1所示，根据标定测试结果，将此关系式分为4段分别进行线性拟合。

me(摩尔/升)与S25的分段关系式	S25(西门子)
		me＝87.108S25+0.09375	0-0.00501
me＝153.059S25-0.38913	0.00501-0.0117
		me＝314.0075S25-2.97937	0.0117-0.015
me＝529.188S25-7.61332	0.015-0.02

表1

从上述实施例可以看出，本发明提供的这种基于溶液离子摩尔浓度监测的冰点温度测试方法，根据溶液冰点温度与离子摩尔浓度的线性单调关系，通过溶液阻抗监测进行离子摩尔浓度测量，结合当前溶液温度，通过标定和校准即可测得溶液当前冰点温度。与常规冰点温度测试方法相比，该方法省去了溶液制冷装置及其温度控制单元，结构简单；同时由于检测对象直接是影响溶液冰点温度的离子摩尔浓度，因而可直接测量由多种不同溶质混合而成的溶液的冰点温度。该方法可应用于交通道路路面冰点温度测量，实现冬季道路结冰状态监测，指导交通运输安全。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种路面冰点温度测试系统，其特征在于，该系统包括温度检测模块(1)、阻抗检测模块(2)和微处理器(8)，其中：

温度检测模块(1)，用于测量当前路面被测溶液的温度t₀，并将该温度t₀传输至微处理器(8)，其中路面被测溶液是路面上被雨、雪或冰覆盖的或含有融雪剂的溶液；

阻抗检测模块(2)，用于测量当前路面被测溶液的阻抗值，并将该阻抗值传输至微处理器(8)；

微处理器(8)，用于对接收自阻抗检测模块(2)的该阻抗值进行求倒数运算得到当前路面被测溶液的实际电导值S_t，然后将该实际电导值S_t通过公式换算为25℃下的电导值S₂₅，β为温度校正系数，t₀为当前路面被测溶液的温度，再根据该25℃下的电导值S₂₅与离子摩尔浓度m_e的定量函数关系式计算出当前路面被测溶液的离子摩尔浓度m_e，再根据公式Δt_f＝|t_f-0℃|＝|t_f|＝1.863m_e计算得到当前路面被测溶液的冰点温度的下降值Δt_f，t_f是当前路面被测溶液的冰点温度，0℃是不含任何溶质的纯水对应的冰点温度，该下降值Δt_f等于当前路面被测溶液的冰点温度t_f。

2.根据权利要求1所述的路面冰点温度测试系统，其特征在于，所述温度检测模块(1)包括一热敏电阻，利用该热敏电阻的阻值与其环境温度之间的单调对应关系，通过对该热敏电阻阻值的测量实现对当前路面被测溶液的温度t₀的测量。

3.根据权利要求2所述的路面冰点温度测试系统，其特征在于，所述热敏电阻为铂电阻。

4.根据权利要求1所述的路面冰点温度测试系统，其特征在于，所述阻抗检测模块(2)包括频率发生器(3)、增益放大电路(4)、ADC采样电路(5)和离散傅里叶(DFT)变换电路(6)，其中频率发生器(3)发出一定频率的激励信号，该激励信号被送至浸入当前路面被测溶液的电极(9)，当前路面被测溶液产生复阻抗信号，该复阻抗信号依次经过增益放大电路(4)、ADC采样电路(5)和离散傅里叶(DFT)变换电路(6)被处理为当前路面被测溶液的阻抗值，该阻抗值被传输至微处理器(8)。

5.根据权利要求1所述的路面冰点温度测试系统，其特征在于，所述微处理器(8)计算得到当前路面被测溶液的冰点温度t_f后，通过RS232接口送往上位机实现对路面冰点温度的监测。

6.根据权利要求1所述的路面冰点温度测试系统，其特征在于，该系统还包括电源管理模块7，用于为阻抗检测模块(2)和微处理器(8)进行供电。

7.一种路面冰点温度测试方法，应用于权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于，该方法包括：

温度检测模块(1)测量当前路面被测溶液的温度t₀，并将该温度t₀传输至微处理器(8)；

阻抗检测模块(2)测量当前路面被测溶液的阻抗值，并将该阻抗值传输至微处理器(8)；以及

微处理器(8)对接收自阻抗检测模块(2)的该阻抗值进行求倒数运算得到当前路面被测溶液的实际电导值S_t，然后将该实际电导值S_t通过公式换算为25℃下的电导值S₂₅，β为温度校正系数，t₀为当前路面被测溶液的温度，再根据该25℃下的电导值S₂₅与离子摩尔浓度m_e的定量函数关系式计算出当前路面被测溶液的离子摩尔浓度m_e，再根据公式Δt_f＝|t_f-0℃|＝|t_f|＝1.863m_e计算得到当前路面被测溶液的冰点温度的下降值Δt_f，t_f是当前路面被测溶液的冰点温度，0℃是不含任何溶质的纯水对应的冰点温度，该下降值Δt_f等于当前路面被测溶液的冰点温度t_f。

8.根据权利要求7所述的路面冰点温度测试方法，其特征在于，所述温度检测模块(1)包括一热敏电阻，利用该热敏电阻的阻值与其环境温度之间的单调对应关系，通过对该热敏电阻阻值的测量实现对当前路面被测溶液的温度t₀的测量。

9.根据权利要求7所述的路面冰点温度测试方法，其特征在于，所述阻抗检测模块(2)包括频率发生器(3)、增益放大电路(4)、ADC采样电路(5)和离散傅里叶(DFT)变换电路(6)，其中频率发生器(3)发出一定频率的激励信号，该激励信号被送至浸入当前路面被测溶液的电极(9)，当前路面被测溶液产生复阻抗信号，该复阻抗信号依次经过增益放大电路(4)、ADC采样电路(5)和离散傅里叶(DFT)变换电路(6)被处理为当前路面被测溶液的阻抗值，该阻抗值被传输至微处理器(8)。

10.根据权利要求7所述的路面冰点温度测试方法，其特征在于，所述微处理器(8)计算得到当前路面被测溶液的冰点温度t_f后，通过RS232接口送往上位机实现对路面冰点温度的监测。