CN109556551A - 一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法，涉及结构监测和无损检测技术领域。本发明是为了满足各种不同的结构体表面结冰厚度和时间的监测。本发明所述的一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法，实时采集被监测结构体的表面温度，并将获得的表面温度绘制成随时间变化的温度曲线，在温度曲线中提取特征持续时间，将特征持续时间与覆冰厚度建立映射关系，根据该映射关系获得特征持续时间内任一时刻的覆冰厚度。可实现结构物表面覆冰的长期在线监测，及时为除冰行动提供准确覆冰信息。

Description

一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法

技术领域

本发明属于结构监测和无损检测技术领域，尤其涉及结构体表面覆冰的监测。

背景技术

在冰冻气象条件下，工程结构表面会产生结冰现象。各种工程结构表面覆冰可能导致严重危害，如输电线路覆冰，轻则引起线路闪络和跳闸，严重时会造成断线、倒塔等事故；公路路面覆冰，会影响行车安全，给人民的生命财产安全带来严重威胁；斜拉桥上的斜拉索覆冰会改变斜拉索截面形状，形成不稳定的气动外形，引发各种类型风致振动，严重影响斜拉索及桥梁结构本身的安全，同时，斜拉索覆冰坠落对桥上路人和行车安全也造成极大威胁和伤害；风力发电机叶片覆冰会导致其疲劳荷载增加，影响叶片结构寿命，改变叶片气动外形，影响发电效率等。

覆冰现象与特定的气象条件有关，往往在短时间内发生且发展很快，并且，在覆冰早期，少量覆冰时除冰效果最好。因此，获得精确的覆冰开始时间和估计覆冰量是采用除冰方法解决覆冰问题的关键。

现有的覆冰监测方法通常分为间接法和直接法。

间接法通过间接信息判断是否覆冰，如根据气象条件，包括温度、湿度、降水、风速等信息预测覆冰情况；又如覆冰导致的结构质量变化从而导致结构振动特性发生改变，使用加速度传感器测量结构振动分析振动频率来判断覆冰量等。但是，间接法很难给出精确的覆冰开始时间和覆冰量。

直接法由覆冰导致的一些物理特征的变化，例如力学特性、光的反射特性、导电导热特性变化等来判断覆冰。具体常见方法有：超声法，用于测量冰厚，但需要将超声传感器放置于结构内部。光反射法，利用光纤接收到的反射强度对透明冰的厚度进行估计。光学非接触法，用激光束射至覆冰表面，通过测量折射光的范围对覆冰特征进行估计。电阻或电容法，两个圆柱形探针之间的电容和电阻变化来估计结冰量，当结冰发生时，电容增加而电阻降低。

上述各种方法均有其适用范围和不足之处，如超声法很难用于斜拉索表面覆冰监测。光发射法在长期使用时易受灰尘影响。光学非接触法依赖于大体积设备，且一般用于远程临时测量。电阻或电容法传感器结构稍复杂等。综上所述，现有的覆冰监测方法都具有一定的局限性，适应性不强。

发明内容

本发明是为了满足各种不同的结构体表面结冰厚度和时间的监测，现提供一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法。

一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法，实时采集被监测结构体的表面温度，并将获得的表面温度绘制成随时间变化的温度曲线，在温度曲线中提取特征持续时间，将特征持续时间与覆冰厚度建立映射关系，根据该映射关系获得特征持续时间内任一时刻的覆冰厚度。

进一步的，按照下式在温度曲线中提取特征持续时间Δt：

Δt＝t₁-t₂

其中，t₁表示温度上升瞬间时刻，t₂表示温度下降过程中的任一时刻。

进一步的，特征持续时间Δt与覆冰厚度y的映射关系为：

y＝a·Δt+b

其中，a和b均为系数。

进一步的，系数a和b的获得方法为：

分别采集n组特征持续时间Δt_i＝[Δt₁,Δt₂,...,Δt_n]所对应的覆冰厚度y_i＝[y₁,y₂,...,y_n]，n≥3，i＝1,2,...,n，

将Δt_i和y_i代入均方误差Q(a,b)的表达式中，并分别对a和b求偏导，

分别令a的偏导f_a(Δt_i,y_i)和b的偏导f_b(Δt_i,y_i)为零，获得a和b。

本发明提出一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法，该方法将温度传感器粘贴于被测结构表面，当结构表面结冰时，温度传感器可获取覆冰和结构表面之间的界面温度。通过连续采集，可得到界面温度曲线，分析界面温度曲线的变化特征，提取特征持续时间，可实现对结构物表面覆冰的开始时间和覆冰量的估计，通过分布式温度监测还可实现覆冰的分布式监测。

本发明提出的结构物覆冰监测方法与传统方法相比，数据分析方法简单，通过后期数据分析可实现对覆冰开始时间的精确感知、对覆冰厚度的估计以及对覆冰区域的判断；可实现结构物表面覆冰的长期在线监测，及时为除冰行动提供准确覆冰信息。

附图说明

图1为温度曲线图；

图2为温度传感器设置在结构物表面时的结构示意图，其中，1结构物、2温度传感器、3数据线、4计算机；

图3为玻璃钢材料表面结冰过程中测得的温度曲线图，其中，实线为实测温度曲线，虚线为实测温度值平均后得到的平滑曲线，同一条件下实现和虚线组成一组曲线组，曲线组5、6、7分别表示喷洒水时间为2分钟、5分钟、10分钟；

图4为覆冰厚度与特征持续时间之间的关系曲线图；

图5为不同环境温度下，在低温实验室中测得的温度曲线图；

图6为有限元模拟得到的温度变化曲线与试验实测的温度变化曲线的示意图，其中A代表有限元模拟，B代表试验实测，同一条件下实现和虚线组成一组曲线组，曲线组10和11分别表示2分钟和5分钟；

图7为通过有限元分析得到的不同气流速度条件下温度曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：

自然界中物体表面的覆冰通常分为两种：透明冰和霜冰。两种类型冰均由过冷水滴撞击并附着在结构物表面而形成。一般情况下，来自空中的过冷水滴温度与结构物表面温度并不一致，因此当过冷水滴撞击结构物表面并形成结冰的过程中会涉及到复杂的能量转换、热交换和热平衡过程，进而影响结构物表面的温度。这其中主要涉及到的能量转换过程、热交换过程以及对温度的影响如下：

首先，过冷水滴首次附着在结构物表面，过冷水滴与结构物表面之间立即发生热传导，结构物表面瞬间发生温度改变，如图1温度曲线t₁时刻。

上述热传导过程可由以下两式表示：

式中，ρ、c、k、T分别为密度、热容、热导率、温度，下标s表示结构物，下标i表示冰。

运动的过冷水滴附着静止后，其动能转换为热能，对结构物表面产生温度轻微升高的影响。之后，过冷水滴凝结成冰发生相变过程中释放的潜热，对结构物表面产生温度轻微升高的影响。

上述两个过程产生的热量Q_a如下：

式中，为水滴在单位面积上的质量流，w为速度，L_f为相变潜热。

过冷水滴结冰前后，过冷水滴、冰及结构物表面温度与外界环境温度之间存在热交换，包括热对流和热辐射，该过程会降低结构物表面和冰之间的界面温度。以透明冰为例，上述过程导致的热量损失Q_gl可表示为：

式中，c_w为水的热容，λ_e为蒸发系数，e₀为饱和蒸发压力，H_aw为空气和水之间的对流传热系数，T_a为环境空气温度、T_w为水的温度。

热量损失Q_gl会使界面温度首先降低至t₂，该时刻通常为零度以下，且根据温度传感器2的分辨率确定，图1中t₂取-1摄氏度。到达t₂时刻所需的时间与冰厚有关，冰越厚，结构物和冰界面的温度变化越缓慢。也就是说，冰的厚度可以从温度曲线的变化特征中体现出来。

在到达t₂时刻后，温度持续降低，直至与外界环境温度一致，见图1中的t₃时刻。

另外，需要注意的是，式(4)中的对流传热系数H_aw受气流速度影响，也就是说覆冰表面的风速会加快热量流失，加快温度降低，因此需要通过测试数据对不同风速下的覆冰量与温度曲线关系进行标定。

综上所述，通过时刻t₁可判断覆冰开始时间，通过后续热平衡过程导致的温度变化所用时间可估计覆冰量，具体如下：

本实施方式所述的一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法，包括以下步骤：

如图2所示，将温度传感器2粘贴在结构物1的表面，然后通过数据线3将温度传感器2采集的温度发送至计算机4中。在实际工程应用中，测量结构物1表面温度的温度传感器2可采用热电阻型温度传感器、热电偶型温度传感器、光纤光栅式温度传感器或分布式光纤温度传感器等，其中光纤光栅温度传感器和分布式光纤温度传感器体积微小，耐久性好；而分布式光纤温度传感器可实现大范围分布式监测，从而判断不同区域的覆冰状况。

然后利用上述装置实时采集被监测结构体的表面温度，并将获得的表面温度绘制成随时间变化的温度曲线，如图1所示。按照下式在温度曲线中提取特征持续时间Δt：

Δt＝t₁-t₂ (5)

其中，t₁表示温度上升瞬间时刻，即上述过冷水滴附着在结构体表面瞬间使得结构体表面的温度大幅度上升的瞬间时刻，t₂表示温度下降过程中的任一时刻。

按照式(5)分别采集n组特征持续时间Δt_i＝[Δt₁,Δt₂,...,Δt_n]和所对应的覆冰厚度y_i＝[y₁,y₂,...,y_n]，n≥3，i＝1,2,...,n，

大量试验结果表明，覆冰厚度与特征持续时间之间为线性关系，因此设特征持续时间与覆冰厚度映射关系为：

y＝a·Δt+b (6)

其中，a和b均为系数。

将Δt_i和y_i代入均方误差Q(a,b)的表达式中，并分别对a和b求偏导，

分别令a的偏导f_a(Δt_i,y_i)和b的偏导f_b(Δt_i,y_i)为零，获得a和b。

将获得的系数a和b代入式(6)中，最终获得特征持续时间与覆冰厚度映射关系，并根据该映射关系获得特征持续时间内任一时刻的覆冰厚度。

具体实施方式二：

当结构物表面无覆冰时，测得温度曲线为结构物表面温度，该温度与环境温度基本一致。当发生冻雨等天气现象时，过冷水撞击并附着在结构物表面会引起温度短时间内上升。在图3所示的试验(玻璃钢材料表面结冰试验)在低温实验室中采用过冷水喷淋的方法模拟结冰过程。当结冰开始时，温度迅速上升，随后缓慢下降，以-1摄氏度作为阈值，得到特征持续时间Δt₁用于估计覆冰量。进一步地，喷淋更长时间，覆冰量更多，得到特征持续时间Δt₂和Δt₃。在试验中，由于覆冰厚度均匀，取出小块结冰用游标卡尺测得覆冰厚度。将覆冰厚度与对应的特征持续时间点绘于图4中，并通过线性拟合得到覆冰厚度与特征持续时间的关系曲线，表达式如下：

y＝0.0629Δt+0.4046 (6)

式中，y为覆冰厚度，Δt为特征持续时间。在该例中，使用该公式即可获得各个时间点的覆冰厚度。

具体实施方式三：

同具体实施方式二的试验，本实施方式中给出了环境温度对特征持续时间的影响，如图5所示。图中曲线8对应环境温度为零下8摄氏度，曲线9对应环境温度为零下5摄氏度，从该图中可以看出，环境温度对特征持续时间影响很小。

具体实施方式四：

同具体实施方式二的试验，本实施方式中，使用有限元模型模拟了结冰过程中的温度变化，该有限元模型的热力学边界条件和初始条件与试验工况相同，材料热力学参数与试验中所用材料一致。模拟后得到的曲线为图6中的虚线，与试验得到的温度变化曲线(实线)相比，两者的温度变化趋势基本吻合。图6证明了有限元模型的正确性。随后，在该有限元模型中模拟了覆冰表面气流的影响，即风速影响。图7给出了不同风速下温度变化曲线，其中曲线13对应风速为零，曲线15、曲线14、曲线12对应风速分别为2米/秒、4米/秒、10米/秒。图7表明，覆冰表面风速增加会使得温度下降更快，在实际工程应用中，应根据实测风速对估计覆冰量进行修正。在无修正的情况下，只能大概估计覆冰量多少。

Claims (4)

1.一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法，其特征在于，实时采集被监测结构体的表面温度，并将获得的表面温度绘制成随时间变化的温度曲线，在温度曲线中提取特征持续时间，将特征持续时间与覆冰厚度建立映射关系，根据该映射关系获得特征持续时间内任一时刻的覆冰厚度。

2.根据权利要求1所述的一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法，其特征在于，按照下式在温度曲线中提取特征持续时间Δt：

Δt＝t₁-t₂

其中，t₁表示温度上升瞬间时刻，t₂表示温度下降过程中的任一时刻。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法，其特征在于，特征持续时间Δt与覆冰厚度y的映射关系为：

y＝a·Δt+b

其中，a和b均为系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于界面温度的覆冰厚度监测方法，其特征在于，系数a和b的获得方法为：

分别采集n组特征持续时间Δt_i＝[Δt₁,Δt₂,...,Δt_n]所对应的覆冰厚度y_i＝[y₁,y₂,...,y_n]，n≥3，i＝1,2,...,n，

将Δt_i和y_i代入均方误差Q(a,b)的表达式中，并分别对a和b求偏导，

分别令a的偏导f_a(Δt_i,y_i)和b的偏导f_b(Δt_i,y_i)为零，获得a和b。