FI61249C - Anordning foer indikering av nedisning av asfaltsvaeg eller motsvarande - Google Patents

Description

RSSr^l γβι ««kuulutusjulkaisu *19Δο lBJ 11 UTLAGG N I NGSSKRI FT & ’ * 4 * C Patentti myönnetty 30 C6 1932 ^ Patent meddelat ^ T ^ (51) Kv,ik.3/int.ci.3 G 01 N 29/00 SUOMI—FINLAND (*) Pttanttlhakimui — Pat*ntift*Oknln| 7931^+8 (22) Hikamlipllvl — Amttknlnpdif 10.10.79 ^ * (23) Alkupllv! — Glltl(h«tad«f 10.10.79 (41) Tullut JulklMksI — Bllvlt offantllg ·. qI, q-i

Patentti- ja rakiatarihallitu· .... .... , _ . . . , . . (44) Nlhtlvtkilpenoo ft ltuuL|iillulMit pvm. — c a

Patent- och regifteratyrelaen ' ' Antokin utitfd och utUkrtftM puMicwwi 26.02.82 (32)(33)(31) Pyyd<tty «tuolle·»!*—B«g*rd priori*·* (71) Vaisala Oy, OOMO Helsinki Ut, Suomi-Finland (FI) . (72) Mauri Luukkala, Espoo, Suomi-Finland(Fl) (7U) Forssen & Salomaa Oy (5^) Asfalttitien tai vastaavan jäätymistä indikoiva laite -

Anordning för indikering av nedisning av asfaltsväg eller motsvarande

Keksinnön kohteena on asfalttitien pinnan, kiitoradan tai muun vastaavan pinnan jäätymistä indikoiva laite, jossa on valvottavan pinnan yhteyteen sijoitettava anturielin.

Syksyisin ja keväisin asfalttitielle tai esim. lentokentän kiitoradalle levinnyt ohut vesikerros yllättäen jäätyy tehden tiet liukkaiksi ja liikenteelle hengenvaaralliseksi. Tätä ilmiötä kutsutaan "mustan jään ongelmaksi" siksi, että on usein hyvin vaikeata erottaa, onko asfaltin musta pinta jäätynyt vai onko sillä ohut vesikerros. "Mustan jään" syntymistä on yritetty havaita esim. lämpötila-antureilla, jotka ovat sijoitettu asfaltin pinnan alle ja johtavuusmittareilla, mutta näissä mittausmenetelmissä on ollut puutteita. Esimerkiksi tien pinnan mahdollinen suolapitoisuus tekee lämpötilan ja johtavuuden mittauksen epäluotettavaksi.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan laite, joka hyvin luotettavasti ilmaisee onko asfaltin pinnassa jääkerros. Tarkoituksena on myös saada aikaan rakenteeltaan yksinkertainen, kestävä ja varmatoiminen laite.

Edellä esitettyjen päämäärien saavuttamiseksi keksinnölle on pääasiallisesti tunnusomaista se, 2 61249 että laite käsittää mainittuna anturielimenä valvottavan pinnan päälle asetetun, tietyllä tavalla mitoitetun lankamaisen tai nauhamaisen ultrasoonisen aaltoputken, että laite käsittää elektroniset laitteet, joilla sekä synnytetään että havaitaan mainitussa aaltoputkessa etenevät ultrasooniset aallot ja että mainittu anturielin ja laitteet on niin sovitettu, että mainitussa aaltoputkessa synnytetyn ultrasoonisen aallon vaimenemisen muutoksen perusteella havaitaan valvottavan pinnan jäätymistapahtuma, joka vaimenemisen muutos johtuu veden ja jään viskositeettierosta ja muista mekaanisten ominaisuuksien eroista.

Keksinnön mukainen indikaattori perustuu ultraäänen hyväksikäyttöön siten, että ohutta lankaa tai metallinauhaa pitkin lähetetään sopiva ultraäänipulssi, joka etenee mainittua lankaa tai nauhaa pitkin ja heijastelee siinä edestakaisin. Tällaista lankaa tai nauhaa kutsutaan usein ultrasooniseksi aaltoputkeksi. Kun kyseinen aaltoputki keksinnön mukaisesti levitetään asfalttitien tai vastaavan poikki, aallon etenemisominaisuuksista voidaan päätellä, onko tien pinta jäässä, mikä perustuu siihen, että kyseisessä aaltoputkessa etenevä aalto havaitsee ympäristönsä mekaanisia ominaisuuksia siten, että aaltoputken ympäristön viskositeetin muuttuessa muuttuu myös aallon etenemisvaimennus. Veden ja jään viskositeettien ero on erittäin suuri ja juuri tämän suuren viskositeettieron havaitsemiseen perustuu keksinnön mukainen ultraäänilaite.

Keksinnön mukaisessa laitteessa käytetään esim. nk. magnetostriktiivistä lankaa esim. Ni-lankaa aaltoputkena, johon saadaan ultraäänipulssi synnytettyä kiertämällä sopiva käämi langan ympärille ja syöttämällä pulssi tähän käämiin. Ultraääni havaitaan vastaavasti nk. käänteisen magnetostriktion avulla siten, että kyseisessä langassa etenevä pulssi synnyttää käämiin jännitteen. Nauhamaiseen aalto-putkeen saadaan ultraäänipulssi helpoimmin synnytettyä siten, että lankamainen aaltoputki juotetaan kiinni nauhan päähän, jolloin nk. moodikonversion avulla nauhassa alkaa edetä ultrasooninen pulssi, jolla on havaittavissa nauhan kanssa kosketuksissa olevan nesteen jäätyminen.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyyn keksinnön erääseen sovellutusesimerkkiin, johon keksintö ei ole rajoitettu.

Kuvio 1 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista laitetta.

Kuvio 2 esittää magnetostriktiivistä anturia, jolla keksinnön mukaisesti nauhaan tai lankaan synnytetään ultrasooninen aalto ja vastaavasti vastaanotetaan vai- mentunut aalto.

3 61249

Kuvio 3 esittää kaaviollisesti anturilangan sijoitusta tien asfalttipinnan yhteyteen.

Kuvio 4 esittää aaltoputkinauhan erästä vaihtoehtoista poikkileikkausta.

Kuvion 1 mukaisesti pulssigeneraattorilla 10 synnytetään ultrasoonisella taajuudella f pulsseja, jotka johdetaan pulssivahvistimeen 11 ja edelleen sinänsä tunnettuun transmit/receive-kytkimeen 12. Laitteeseen kuuluu lisäksi pulssivastaan-otin 13, ilmaisin 14 sekä näyttö- ja hälytyslaite 15. Transmit/receive-kytkin 12 on yhdistetty koaksiaalikaapelilla 16 anturilaitteeseen 17. Anturilaitteessa 17 on magnetostriktiivistä ainetta esim. nikkeliä tai sopivaa lejeerinkiä olevan sauvan 19 ympärillä eristeainetta oleva kelarunko 21, jolle on käämitty kela 18. Kelan 18 napoihin 23 johdetaan mainitun koaksiaalikaapelin 16 kautta ultrasooniset jännitepulssit. Magnetostriktiivistä materiaalia oleva sauva 19 on sopivalla liitoksella 24 yhdistetty nauhamaiseen tai lankamaiseen ultrasooniseen aaltoputkeen 20.

Kuten kuvioista 1 ja 3 näkyy aaltoputki 20 on sijoitettu asfalttitiehen T, kiitorataan tai muuhun jäätymiselle alttiiseen pintaan tehtyyn uraan 25, johon aaltoputki 20 on kiinnitetty esim. sinkilöillä 26. Mainittu kiinnittäminen ei ole välttämätöntä eikä aaltoputken 20 muodostavaa nauhaa tai lankaa saa missään tapauksessa sijoittaa asfaltin sisälle eristetyksi siten, ettei sen ja ympäristön pinnan välille pääse muodostumaan vesi/jää-kerrosta.

Aaltoputki 20 ulottuu koko tien T pinnan leveydelle niin, että sen toinen pää 20" on toisessa tien reunassa ja toinen pää 20’ kelan 18 päädyn kohdalla. Aaltoputken 20 muodostava lanka tai nauha on tehty Νί-langasta, titania sisältävästä lejeerin-gistä, haponkestävästä teräksestä tai muusta vastaavasta materiaalista, joka on riittävän kestävää mekaanista kulutusta vastaan siten, ettei aaltoputkea 20 tarvitse tarpeettoman usein uusia.

Edellä esitetty laite toimii seuraavasti. Pulssigeneraattorilla 10 synnytetään ult-rasoonisen taajuuden omaavia jännitepulsseja, jotka johdetaan kytkimen 12 ollessa transmit-asennossa koaksikaapelin 16 kautta kelalle 18, jossa syntyvä magneettikenttä aiheuttaa magnetostriktioon perustuen sauvassa 19 vastaavia värähtelyjä, jotka etenevät aaltoputkessa 20 ja heijastelevat siinä. Kaikuluotauksen periaatteiden mukaisesti havaitaan pulssin vaimeneminen aaltoputkessa 20 ja käänteiseen magnetostriktioon perustuen syntyy kelaan 18 jännitepulssi, joka siirretään koaksiaalikaapelin 16 välityksellä kytkimen 12 ollessa nyt receive-asennossa pulssin 4 61249 vastaanottimelle 13, joka on ilmaisimen 14 kautta yhteydessä näyttö- ja hälytyslaitteisiin 15. Asfattitien T tai vastaavan pinnalla oleva vesi pääsee aaltoputken 20 muodostaman nauhan tai langan yhteyteen. Täten riippuen siitä onko tien T pinnalla oleva vesi jäässä (I) tai nestemäisenä (W) muuttuu aaltoputkessa 20 etenevän pulssin tai seisovan aallon vaimennus aaltoputken ympäristön viskositeetin muuttuessa. Tämä perustuu siihen, että nestemäisen veden ja jään välillä on huomattava viskositeettiero.

Ultraäänen havaitsema jäätymistapahtuma voidaan täten esitetyllä ultraääni lähetin/ vastaanotin laitteella indikoida esim. digitaalisesti siten, että esim. täysi digitaalinen jännite tarkoittaa sitä, että asfaltti on kuiva tai märkä, mutta nolla-tason digitaalinen signaali sitä että asfaltti on jäässä. Tätä digitaalista signaalia voidaan sitten käyttää hyväksi eri hälytysjärjestelmissä mittausasemilla, lentokentillä tms.

Tässä yhteydessä on vielä huomattava, että keksinnön mukaisen laitteen etuna on se, että se on riippumaton tien suolapitoisuudesta ja ilmaisee vain jäätymistapahtu-man, kun taas esim. lämpötila-anturi ilmaistessaan 0 asteisen lämpötilan ei täten välttämättä ilmaise onko pinta jäätynyt vai ei. Jäätymistapahtumaan määritelmän mukaan kuuluu aina jähmettyminen eli viskositeetin jyrkkä muutos.

Keksinnössä käytettävän ultraäänen taajuus f on sopivimmin alueella f = 100...150 kHz. Kun äänen nopeus aaltoputkena 20 käytettävissä metalleissa on n. 3000 m/s, niin edellä mainittu taajuusalue vastaa aallonpituusaluetta V = 2...3 cm.

On havaittu, että aaltoputken 20 muodostavan langan poikkileikkauksen suurin dimensio on sopivimmin pienempi kuin n. JK .

10

Kuviossa 3 esitetyn pyöreäpoikkipintaisen aaltoputkilangan 20 halkaisija D on esim. n. 2 mm ja kuviossa 4 esitetyn nauhamaisen aaltoputken pienempi dimensio A = n. 2 mm ja suurempi dimensio B = n. 6 mm. Kuten sanottu aaltoputken 20 poikkileikkauksen dimensiot voivat vaihdella esim. edellä esitetyissä rajoissa aallonpituudesta riippuen, siten kuitenkin että langan halkaisija D ja nauhan suurin dimensio B < dispersioilmiön välttämiseksi. Tarvittaessa voidaan käyttää myös korkeampia tai matalampia ultrasoonisia taajuuksia kuin edellä esitetty taajuusalue f = 100...150 kHz.

Lisäksi on korostettava, että keksinnön mukainen laite voi perustua joko etenevän pulssin vaimennuksen tai seisovan aallon mittaukseen.

Claims (7)

1. Asfalttitien pinnan, kiitoradan tai muun vastaavan pinnan jäätymistä indikoiva laite, jossa on valvottavan pinnan yhteyteen sijoitettava anturielin, tunnet-t u siitä, että laite käsittää mainittuna anturielimenä valvottavan pinnan (T) päälle asetetun, tietyllä tavalla mitoitetun lankamaisen tai nauhamaisen ultrasoonisen aalto-putken (20), että laite käsittää elektroniset laitteet (10,11,12,13,14,15,16,17,18,19), joilla sekä synnytetään että havaitaan mainitussa aaltoputkessa etenevät ultrasooniset aallot ja että mainittu anturielin ja laitteet on niin sovitettu, että mainitussa aaltoputkessa (20) synnytetyn ultrasoonisen aallon vaimenemisen muutoksen perusteella havaitaan valvottavan pinnan jäätymistapahtuma, joka vaimenemisen muutos johtuu veden ja jään viskositeettierosta ja muista mekaanisten ominaisuuksien eroista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että ultrasooni-nen aaltoputki (20) muodostuu kokonaan tai osittain (19) magnetostriktiivisestä materiaalista tehdystä sauvasta (19) tai vastaavasta ja että mainitun sauvan tai vastaavan ympärille on sovitettu sähkömagneettinen kela (18), jolla aaltoputkeen (20) sekä synnytetään ultrasooniset aallot että havaitaan aaltoputkessa (20) vaimentuneet ultrasooniset aallot.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteessa käytetyn ultrasoonisen värähtelyn taajuus on alueella f 100...150 kHz. 6 61249

4. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että lankamaisen tai nauhamaisen, sopivaa metallia olevan aaltoputken (20) poikkileikkauksen suurin dimensio on pienempi kuin n. kymmenesosa käytetyn ultrasoonisen värähtelyn aallonpituus ( 'TO.

5. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki (20) muodostuu riittävän mekaanisen kestävyyden omaavasta olennaisesti pyöreäppikkipintaisesta langasta (kuvio 3), jonka halkaisija (D) on n. 2 mm.

5 61249 Kun keksintöämme verrataan kaikuluotaukseen, niin voidaan yksinkertaistaen todeta, että keksinnön mukaisesta aaltoputkesta 20 saadaan "kaiku" kun aaltoputken ympäristö on kuiva tai veden peittämä, kun taas "kaikua" ei saada kun aaltoputken ympäristö on jäässä. Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella.

6. Patenttivaatimuksen 1,2,3 tai 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki (20) muodostuu riittävän mekaanisen kestävyyden omaavasta metallinau-hasta, jonka poikkileikkaus on olennaisesti suorakaiteen muotoinen ja suurempi dimensio n. 6 mm ja pienempi dimensio n. 2 mm (kuvio 4).

7. Patenttivaatimuksen 1,2,3,4,5 tai 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki on sovitettu asfalttitien pintaan tehtyyn uraan (25), jonka syvyys on olennaisesti yhtäsuuri kuin aaltoputken (20) pystysuuntainen dimensio ja että mainittu ura (25) on siten avoin, että vesi/jää pääsee mainitun uran (25) seinämien ja aaltoputken (20) ulkopinnan välillä. 61249 7