CN105954316B - 一种路面结冰检测的室内实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种路面结冰检测的室内实验装置和方法，包括实验件、制冷系统、升降系统、降水系统、通风系统、监控系统以及数据采集系统。制冷系统包括保温箱、供冷装置以及模拟路基；升降系统包括升降支架和电驱动装置；降水系统包括喷嘴和供水管道；通风系统由鼓风机和变频器相连；监控系统由监控摄像机通过传输设备连接到计算机；数据采集系统包括光纤传感器、温湿度传感器、智能采集模块以及计算机，光纤传感器、温湿度传感器均由智能采集模块连接到计算机。本发明设计合理，综合考虑多种环境参数对路面结冰影响，分别模拟普通路面与桥面结冰，且智能化程度高，利用光纤传感器直接检测路面结冰状态并传输计算机记录采集，实现无人监守即可自动记录数据。

Description

一种路面结冰检测的室内实验装置和方法

技术领域

本发明涉及道路交通安全技术领域，尤其是一种路面结冰检测的室内实验装置和方法。

背景技术

路面结冰严重影响道路行车安全，在各类交通事故中，由于路面湿滑或结冰引发的比率高达70%，譬如2008年，全国大范围的冰雪灾害给人们的生命财产造成了巨大损害。路面结冰和积雪是交通事故的隐患，极易引发重大安全事故，给社会经济和人民群众造成巨大影响。因此，实时、准确检测道路表面结冰状态，可及时地采取相应措施减小道路结冰造成的损失，降低结冰危害。

多年来，相关领域的科研以及工程实践人员对路面结冰形成机理、结冰状态检测以及治理措施的研究工作投入了大量精力并取得了较多成果。然而，实际应用中，路面是否结冰仍大多通过人工观测获知，不仅费时费力，而且路面的结冰状态也难以实时获知，通常是结冰引发事故发生后才采取治理措施，造成经济损失和社会影响。室内结冰实验可以有效地进行结冰过程监测与结冰状态检测，是路面结冰研究不可缺少的手段。因此，路面结冰模拟实验对于结冰基础理论研究和应用技术开发，特别是对结冰形成机理以及结冰状态检测研究，无疑是非常重要的。

目前，大多数路面结冰实验都是在温控实验室内进行的，影响因子单一，灵活性不强，且智能化程度低，所得数据代表性有限，不能很好地满足于研究目的和试验要求。因此，为了获取接近真实环境条件下路面结冰状态，而且允许开展低成本的重复实验研究，开发能真实模拟路面结冰过程的简单可靠的实验装置和方法成为了必然要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是开发一种结构简单、可重复实现、真实模拟路面结冰过程的室内实验装置及试验方法，应用这种装置及方法进行路面结冰检测所得的测量结果与实际误差小；同时，在室内构建场景模拟道路运行环境，反应真实的结冰过程，为路面结冰状态预测以及道路结冰预警研究提供支持。

实现本发明目的的技术方案是：

一种路面结冰检测的室内实验装置和方法，包括实验件、制冷系统、升降系统、降水系统、通风系统、监控系统以及数据采集系统。制冷系统包括保温箱和通过供冷管道与保温箱内部连通的供冷装置，保温箱内部安放了用保温材料制成的模拟基层和路基；升降系统包括升降支架以及为升降支架提供动力的电驱动装置；降水系统包括喷嘴以及供水管道，供水管道包括空气输送管道和水输送管道，空气输送管道和水输送管道同时接入喷嘴，喷嘴安装在保温箱顶部壁上；通风系统由鼓风机和变频器相连，鼓风机安装在保温箱内部；监控系统包括监控摄像机，监控摄像机通过传输设备与计算机相连；数据采集系统包括光纤传感器、温湿度传感器、智能采集模块以及计算机，光纤传感器设置在实验件表面，温湿度传感器分别设置在实验件表面和保温箱内部，光纤传感器、温湿度传感器均通过智能采集模块连接到计算机。

作为上述技术方案的进一步改进，所述实验件为方体结构，采用水泥混凝土或者沥青混凝土制成，以单车道宽度3.75米为例，按照5:1比例缩小为长1000mm，宽750mm，厚50mm。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述模拟路基采用保温材料制成，长1200mm，宽900mm，厚50mm。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述供冷装置为封闭式制冷压缩机。制冷压缩机的温度区间在（0~-30℃），根据实验要求，可以将试验环境箱调为0~-30℃内的任意温度。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述升降支架包括固定底座，与底座相连的升降杆以及连接于升降杆并随升降杆上下移动的升降台。所述升降支架通过电路连通所述电驱动装置，可实现实验件的撑起和放下，分别模拟普通路面和桥面结冰过程模拟与结冰状态检测。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述喷嘴为双通道可调节液态水滴直径喷嘴，所述供水管道采用的是同心的双圆柱体管道，且内管路为水管道，外管路为气管道。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述鼓风机数量为2个，分别安装在保温箱侧壁的上下位置，实现普通路面与桥面结冰实验的供风，风力等级分低、中和高三档，低档对应的风等级为1~2级（0.3-3.4m/s），中档对应的风等级为3~4级（3.4-8.0m/s），高档对应的风等级为5~6级（8.0-13.9m/s）。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述光纤传感器为光纤式结冰传感器，数量至少为5个，分别安装在实验件的中心位置以及角隅位置。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述温湿度传感器采用热电阻传感器，数量至少为6个，分别安装在实验件的中心位置以及角隅位置以及保温箱内部，用于实时检测实验件表面以及保温箱内部的温度和湿度。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述监控摄像机采用抗低温CCD摄像机，数量至少为1个，安装在保温箱内部。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述智能采集模块包括温湿度信号采集模块以及光信号采集模块。

采用上述实验装置模拟路面结冰过程并检测结冰状态，包括以下步骤：

（1）制作实验件，将完成后的实验件置入保温箱里的模拟路基上或者升降支架上；

（2）封闭保温箱，打开制冷系统开关并调至实验所需温度，开始制冷；

（3）当保温箱内部温度达到实验设定的结冰温度值时，采用红外线测温仪进行温度确认后，[M1] 打开降水系统开关并调至实验所需降水量，同时将鼓风机调至实验所需风速，使实验件上结冰；

（4）利用计算机和智能采集模块进行实验数据采集，包括保温箱内部温湿度、实验件表面温湿度，利用光纤式结冰传感器判别是否结冰，并且记录结冰时间，同时利用监控系统实时监测路面结冰过程。

本发明公开的一种路面结冰检测的室内实验装置和方法，设计合理、使用操作简单，可以在有限的空间内完成所需要的实验研究计划，而且智能化程度高，利用光纤式结冰传感器直接检测路面结冰状态并传输给电脑记录采集，实现无人监守即可自动记录数据。

与现有的路面结冰室内实验方案相比，本发明能综合考虑多种环境参数对路面结冰的影响，可以通过调节温度、湿度、降雨强度以及风速等参数大小变化，再现路面结冰环境，更加真实可靠，所获取数据更具代表性。另外，桥面悬空吸热、散热速度较普通路面快，同样环境下比普通路面更容易结冰，本发明通过升降支架对实验件的高度进行调整，分别实现普通路面和桥面的结冰过程模拟与结冰状态检测，使研究更加全面。

附图说明

图1为本发明实验装置的整体结构示意图。

图2为本发明通过升降系统分别实现普通路面和桥面结冰实验示意图。

图3为本发明光纤式结冰传感器（温湿度传感器）安装位置图。

图4为本发明降水系统喷嘴布置位置图。

图5为本发明实施例中应用室内实验装置开展路面结冰模拟与检测试验研究的方法流程图。

图中标号说明：1.实验件，2.保温箱，3.模拟路基，4.制冷装置，5.升降支架，6.电驱动装置，7.喷嘴，8.供水管道，9.鼓风机，10.变频器，11.监控摄像机，12.光纤传感器，13.温湿度传感器，14.智能采集模块，15.计算机。

具体实施方案

为了使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种路面结冰检测的室内实验装置和方法，包括实验件1、制冷系统、升降系统、降水系统、通风系统、监控系统以及数据采集系统。制冷系统包括保温箱2和通过供冷管道与保温箱2内部连通的供冷装置4，保温箱2内部安放了用保温材料制成的模拟路基3；升降系统包括升降支架5以及为升降支架提供动力的电驱动装置6；降水系统包括喷嘴7、供水管道8，所述供水管道8包括空气输送管道和水输送管道，空气输送管道和水输送管道同时接入喷嘴7，喷嘴7安装在保温箱2顶部壁上；通风系统由鼓风机9和变频器10相连，鼓风机9安装在保温箱2内部；监控系统包括监控摄像机10、监控摄像机10通过传输设备与计算机15相连；数据采集系统包括光纤传感器12，温湿度传感器13、智能采集模块14以及计算机15，光纤传感器12设置在实验件1表面，温湿度传感器13分别设置在实验件1表面和保温箱2内部，光纤传感器12、温度传感器13均通过智能采集模块14连接到计算机15。

所述实验件1为方体结构，采用水泥混凝土或者沥青混凝土制成，以单车道宽度3.75米为例，按照5:1比例缩小为长1000mm，宽750mm，厚50mm。

所述模拟路基3采用硬泡聚氨酯、聚苯板、酚醛树脂、聚苯颗粒浆料、复合木材、软质木材等保温材料制成，长1200mm，宽900mm，厚50mm。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述供冷装置4为封闭式制冷压缩机，制冷压缩机的温度区间在（0~-30℃），根据实验要求，可以将试验环境箱调为0~-30℃内的任意温度。

所述升降支架5包括固定底座，与底座相连的升降杆以及连接于升降杆并随升降杆上下移动的升降台。所述升降支架5通过电路连通所述电驱动装置6，可实现实验件的撑起和放下，分别模拟普通路面和桥面结冰过程模拟与结冰状态检测。在模拟桥面结冰时，实验件1与底座之间的高度，以高速公路、一、二级公路规范要求桥面距离地面高5m为标准，按照5:1比例缩小的实验模型桥面距离底座的高度为1000mm。

所述喷嘴7为双通道可调节液态水滴直径喷嘴7，所述供水管道8采用的是同心的双圆柱体管道，且内管路为水管道，外管路为气管道。

所述鼓风机9数量为2个，分别安装在保温箱2侧壁的上下位置，实现普通路面与桥面结冰实验的供风，风力等级分低、中和高三档，低档对应的风等级为1~2级（0.3-3.4m/s），中档对应的风等级为3~4级（3.4-8.0m/s），高档对应的风等级为5~6级（8.0-13.9m/s）。

所述光纤传感器12为光纤式结冰传感器，数量至少为5个，分别安装在实验件1的中心位置以及角隅位置。

所述温湿度传感器13采用热电阻传感器，数量至少为6个，分别安装在实验件1的中心位置以及角隅位置以及保温箱2内部，用于实时检测实验件1表面以及保温箱2-1内部的温度和湿度。

所述监控摄像机11采用CCD摄像机，数量至少为1个，安装在保温箱2内部。

所述智能采集模块14包括温湿度信号采集模块以及光信号采集模块。

采用上述实验装置模拟路面结冰过程并检测结冰状态，实施例如下。

实施例1

普通路面结冰实验：设定试验箱温度为（0~-1℃），空气输送管道的压力为0.1MPa，纯净水输送管道的压力为0.2Mpa，设定降雨量为2mm，则喷头的需要降水的量为1.5L，风速为1.6-3.4m/s，风力等级为2级。

具体步骤如下：

（1）对整个装置的相应部分进行调试和检查：装置中调节开关的可靠性检测、监控程序的运行测试、数据采集模块以及各类传感器可靠性检测；

（2）制作实验件1，将升降支架5的高度调至为零，并将完成后的实验件1放入保温箱2内部的模拟路基3上，模拟普通路面结冰；

（3）封闭保温箱2，打开制冷装置4开关并将温度调至0~-1℃开始制冷；

（4）当保温箱2内部温度降至0~-1℃时，[P2] 打开降水系统开关并将降水量调至1.5L，同时将通过变频器101将鼓风机9的风速调节为2级，使实验件1上结冰；

（5）通过计算机15和智能采集模块14通过温湿度传感器13实时记录保温箱2内部以及实验件1表面的温湿度情况，通过光纤式结冰传感器12实时检测路面结冰状态，如若有结冰，记录结冰时间，同时通过监控系统实时监测实验件1的结冰过程。

实施例2

桥面结冰实验：设定试验箱温度为-3~-4℃，空气输送管道的压力为0.1MPa，纯净水输送管道的压力为0.2MPa，设定降雨量为4mm,，则喷头需要降水的量为3L，风速为3.4-5.5m/s，风力等级为3级。

具体步骤如下：

（1）对整个装置的相应部分进行调试和检查：装置中调节开关的可靠性检测、监控程序的运行测试、数据采集模块以及各类传感器可靠性检测；

（2）制作实验件1，打开升降系统开关并将升降支架5升高至离模拟路床1000mm高度，并将完成后的实验件1放置在升降支架5上，模拟桥面结冰；

（3）封闭保温箱2，打开制冷装置4开关并将温度调至-3~-4℃，开始制冷；

（4）当保温2内部温度降至-3~-4℃时，打开降水系统开关并将降水量调至3L，同时将通过变频器10将鼓风机9的风速调至3级，使实验件1上结冰；

（5）通过计算机15和智能采集模块14通过温湿度传感器13实时记录保温箱2内部以及实验件1表面的温湿度情况，通过光纤式结冰传感器12实时检测路面结冰状态，如若有结冰，记录结冰时间，同时通过监控系统实时监测实验件1的结冰过程。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种路面结冰检测的室内实验装置，其特征在于：包括实验件、制冷系统、升降系统、降水系统、通风系统、监控系统以及数据采集系统；制冷系统包括保温箱和通过供冷管道与保温箱内部连通的供冷装置，保温箱内部安放了用保温材料制成的模拟路基；升降系统包括升降支架以及为升降支架提供动力的电驱动装置，所述升降支架包括固定设置的底座，与底座相连的升降杆以及连接于升降杆并随升降杆上下移动的升降台，所述升降支架通过电路连通所述电驱动装置；降水系统包括喷嘴以及供水管道，供水管道包括空气输送管道和水输送管道，空气输送管道和水输送管道同时接入喷嘴，喷嘴安装在保温箱顶部壁上；通风系统由鼓风机和变频器相连，鼓风机安装在保温箱内部；监控系统包括监控摄像机，监控摄像机通过传输设备与计算机相连；数据采集系统包括光纤传感器、温湿度传感器、智能采集模块以及计算机，光纤传感器安装在实验件表面，所述光纤传感器为光纤式结冰传感器，数量为5个以上，分别安装在实验件的中心位置以及角隅位置，温湿度传感器分别安装在实验件表面和保温箱内部，光纤传感器、温度传感器均通过智能采集模块连接到计算机。

2.根据权利要求1所述的一种路面结冰检测的室内实验装置，其特征在于：所述实验件为方体结构，采用水泥混凝土或者沥青混凝土制成。

3.根据权利要求1所述的一种路面结冰检测的室内实验装置，其特征在于：所述模拟路基采用保温材料制成，安放在保温箱底部中间位置。

4.根据权利要求1所述的一种路面结冰检测的室内实验装置，其特征在于：所述供冷装置为封闭式制冷压缩机，制冷压缩机的温度区间在0～-30℃。

5.根据权利要求1所述的一种路面结冰检测的室内实验装置，其特征在于：所述鼓风机数量为2个以上，分别安装在保温箱侧壁的上下位置，风力等级分低、中和高三档，低档对应的风等级为1～2级0.3-3.4m/s，中档对应的风等级为3～4级3.4-8.0m/s，高档对应的风等级为5～6级8.0-13.9m/s。

6.根据权利要求1所述的一种路面结冰检测的室内实验装置，其特征在于：所述温湿度传感器采用热电阻传感器，数量为6个以上，分别安装在实验件的中心位置、角隅位置以及保温箱内部。

7.采用权利要求1至6任意一项权利要求所述的一种路面结冰检测的室内实验装置进行路面结冰过程模拟的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)制作实验件，将完成后的实验件放入保温箱里的模拟路基上或者升降支架上；

(2)封闭保温箱，打开制冷系统开关并调至实验所需温度，开始制冷；

(3)当保温箱内部温度达到实验设定的结冰温度值时，采用红外线测温仪进行温度确认后，打开降水系统开关并调至实验所需降水量，同时将鼓风机调至实验所需风速，使实验件上结冰；

(4)利用计算机和智能采集模块进行实验数据采集，包括保温箱内部温湿度、实验件表面温湿度，利用光纤式结冰传感器判别是否结冰，并且记录结冰时间，同时利用监控系统实时监测路面结冰过程。