KR20010023765A - 표면 상의 액막에 따른 신호를 발생시키기 위한 방법 및장치 - Google Patents

표면 상의 액막에 따른 신호를 발생시키기 위한 방법 및장치 Download PDF

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Abstract

표면, 특히 도로 상의 수막의 두께를 결정하기 위해, 수막의 부분이 가열 또는 냉각되어 가열 또는 냉각 중의 온도의 증가로부터 수막이 결정된다. 발생된 출력 신호는 수막의 두께가 놓이는 많은 가능한 범위들 중에서 하나의 범위를 결정하는 데 이용된다. 펠티어 요소(1)는 수막을 가열하기 위해 이용된다. 수막의 온도는 열 요소(5)에 의해 측정되어 마이크로프로세서(8)에 의해 평가된다.

Description

표면 상의 액막에 따른 신호를 발생시키기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR GENERATING A SIGNAL ACCORDING TO A LIQUID FILM ON A SURFACE}
예를 들어, 차도 및 항공기를 위한 이착륙 활주로로서 이해되는 도로 상의 액막의 두께에 관한 정보를 제공하는 신호를 발생시키는 것이 필요하다. 따라서, (바퀴를 통과시키지 않는 수막의 부분 상의 차량 바퀴의 부동(floating) 상태인) 소위 하이드로플레이닝(hydroplaning)의 위험에 관한 정보가 얻어질 수 있거나, 또는 경고가 도로 상의 운전자에게 전달될 수 있다. 공지된 것처럼, 하이드로플레이닝의 위험은 수막의 두께 증가와 함께 증가된다. 마이크로파의 반사에 의해 가능한 정밀하게 수막의 두께를 측정하는 것이 EP-A-0 432 360호에서 공지되어 있다. 그러나, 방법이 복잡하다. US-A-4 897 597호에서, 수막 두께가 전도성을 측정함으로써 탐지되는 것이 공지되어 있지만, 이는 항상 만족할 만한 결과를 가져오는 것은 아니다. DE-A-31 18 997호, EP-A-0 045 106호 및 EP-A-362 173호는 액체의 어는점을 결정하기 위한 방법을 개시하지만 수막 두께를 탐지하기 위한 방법은 개시하지 않는다. 1997년 8월 27일에 발간된 일본 특허 초록 97-8호는 빙막 두께의 검출법을 개시하며, 두께는 동결되는 열교환기 라인으로부터 온도 센서의 설치 거리에 의해 검출된다.
본 발명은 표면, 특히 도로 상의 액막에 따른 신호를 발생시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 표면, 특히 도로 상의 액막에 따른 신호를 발생시키기 위한 방법 및 장치와, 액체의 어는점을 결정하기 위한 장치 내에서의 이러한 방법 및 장치의 이용에 관한 것이다.
도1은 방법을 실시하기 위한 장치의 전기적 설계를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도2는 방법을 실시하기 위한 장치의 구조적 설계를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도3은 도2에 따른 장치에 대해 액막의 두께에 대한 가열된 액체 부피의 관계를 개략적으로 도시하는 그래프이다.
도4는 가열된 액체의 온도의 증가를 개략적으로 도시하는 그래프이다.
도5는 액막의 세 개의 상이한 두께에 대한 온도의 증가를 개략적으로 도시하는 그래프이다.
도6은 액막의 세 개의 상이한 두께에 대한 온도의 감소를 개략적으로 도시한 그래프이다.
따라서, 본 발명의 목적은 액막에 따른 신호를 발생시키기 위해 가능한 간단하고 경제적인 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 대응하는 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 처음에 설명된 유형의 방법의 청구항 제1항의 특징에 의해 달성된다.
액막의 부분을 가열 또는 냉각시킴으로써 그리고 충분한 정확도를 가지고 온도의 증가 또는 감소를 측정함으로써, 적어도 액막 두께가 놓이는 두께 범위의 결론에 이를 수 있다. 통상, 액막 두께를 두께 범위 또는 등급에 할당하는 것이 하이드로플레이닝 경고의 목적에 대해 충분하다. 온도 곡선을 평가하는 데 있어서 더 많은 노력을 기울인다면, 방법은 또한 완벽한 두께가 더 높은 정도의 정확도로 결정되게 한다.
문제점은 처음에 설명된 장치의 청구항 제6항의 특징에 의해 해결된다.
양호한 장치는 액막을 가열하기 위한 펠티어(Peltier) 요소를 구비한 것이다. 펠티어 요소의 역운전은 또한 액막을 냉각시킨다. 따라서, 장치는 EP-A- 0 045 106호 또는 EP-A-0 362 173호에 개시된 방법에 따른 액체의 어는점을 결정하는 데에도 이용될 수 있다.
이하에서, 방법 및 장치의 실시예가 도면을 참조해서 더욱 상세하게 설명된다.
도1 및 도2는 본 발명에 따른 장치의 전기적 및 구조적 설계를 단순화되고 개략적 형태로 도시한다. 본원에서, 펠티어 요소는 액막을 가열하기 위해 이용된다. 이는 액막이, 예를 들어 전기 저항 가열 유닛과 같은 바람직한 가열원으로 가열될 수 있으므로 단지 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 전술한 것처럼, 냉각이 가열 대신에 발생할 수 있지만, 가열이 이하의 설명에서 예시적으로 취해질 것이다. 도1에서, 펠티어 요소(1)는 블럭으로서 개략적으로 도시되어 있다. 전기 동력은 본 실시예에서 제어 및 평가 회로(3) 내부에 위치된 공급 회로(2)로부터 나온다. 공급 회로(2)는, 예를 들어 정전류(i)를 가지는 정전류원, 또는 일정하지 않지만 공지된 전류 흐름이 있는 전류원일 수 있는 전기 공급원을 포함한다. 펠티어 요소의 고온 측면 상에서 생성된 열(QH)은 공식 QH= QC+ U·i에 의해 주어지고, 여기서 QC는 펠티어 요소의 저온 측면으로부터 제거된 열이고 U 및 i는 펠티어 요소에서의 전압 및 전류를 각각 지시한다. TC및 TH는 각각 펠티어 요소의 저온 측면 및 고온 측면의 온도이다. 유동의 역방향으로, 저온 및 고온 측면이 교환되므로 펠티어 요소는 또한 냉각을 위해 이용될 수 있다.
도2는, 예를 들어 구리인 열-전도 몸체(10)와, 예를 들어 알루미늄인 제2 열-전도 몸체(11) 사이에 고정된 펠티어 요소(1)를 도시한다. 낮은 열 전도성 재료로 만들어진 하우징 블럭(12)과 함께, 요소(1, 10, 11)들은 수막이 놓이는 표면의 하부에 지반 탐침의 형상으로 매설될 수 있는 장치(13)를 형성한다. 도시된 실시예에서, 상이한 층들을 구비한 도로(14)가 개략적으로 도시되고, 탐침은 탐침(13)의 표면(18)이 도로(14)의 표면(19)과 같은 수준에 놓이는 방식으로 이러한 도로 내에 설치된다. 탐침의 몸체(10)는 지반 또는 노상(路床)으로부터 열을 흡수하기 위해 지반 또는 노상 내에 매설되고, 열은 수막(17)을 가열하는 데 이용된다. 펠티어 요소(1) 위에 위치된 열-전도 몸체(11)는 그의 표면(15)으로 수막을 위한 가열 표면을 형성한다. 또한, 전극(4)이 탐침(13) 내에 제공될 수 있고, 이에 의해 수막이 존재하는 지를 결정하도록 전도성 측정이 수행될 수 있다. 이러한 목적으로, 전극(4)은 대응 측정 장치(6)에 연결되어, 제어 및 평가 회로(3)에 속하는, 특히 마이크로프로세서인 제어 및 평가 요소(8)에 결국 부착된다. 이러한 전극들은 또한 도로 상의 다른 위치에서 탐침의 위치 내에 제공될 수 있다. 또한, 수막과 접촉하는 온도 측정 저항기(5)가 탐침 내에 위치되고, 이에 의해 액막의 온도가 측정될 수 있다. 보통 공지된 Pt100 요소 또는 열 요소인 이러한 측정 저항기 또한 대응 측정 회로(7)에 의해 마이크로프로세서(8)에 연결된다. 온도는 또한 EP-A-0 362 173호에서 공지된 것처럼, 펠티어 요소에 의해 측정될 수 있다.
당연히, 탐침(13)의 도시된 설계 및 설치는 단지 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 전술한 것처럼, 탐침은 다른 종류의 가열 요소를 포함할 수 있고 수막이 측정되는 표면에 접해서 또는 그 위에 다른 방식으로 위치될 수 있고, 관측되는 표면의 유형과 동일한 수막이 통상 관측되는 표면 상에 형성된다. 또한, 평가 및 제어 장치는 예를 들어 분리된 요소들로 구성된, 실시예에 도시된 것과는 다른 설계를 상호 가질 수 있다. 이미 설명한 것처럼, 전극(4)은 또한 탐침 내에 위치되어야만 하는 것은 아니다.
도시된 실시예에서, 탐침의 표면(18)은, 몸체(11)의 표면(15)에 의해 형성되어 도시된 실시예에서 직경(A)을 갖는 원형 영역을 형성하는 함몰부를 갖는다. 이러한 영역(15)에서 탐침(13)의 하강되지 않은 표면(18)으로의 전이 구역은 45°의 각도로 경사져 있다. 가열 장치로 수막(17)을 가열하는 데 있어서, 수막이 직경(B)의 원형 영역 내에서 가열된다는 것을 대체로 가정할 수 있다. 탐침(13)의 표면의 함몰부는 예를 들어 0.5 mm의 깊이(EO)를 가질 수 있다. 직경(A)은 14 mm일 수 있고 직경(B)은 20 mm일 수 있다. 함몰부는 도3에 개략적으로 도시된 것처럼, 수막의 두께(E)에 대한 수막 부피(V)의 비선형 상관 관계의 결과를 낳는다. 탐침 내의 함몰부는 매우 작은 수막 두께(E)의 경우에도 물의 한정된 양을 이용 가능하게 하는 데 양호하다. 그렇지 않으면, 수막 두께가 매우 작을 때 수막은 가열될 때 증발해서 중요한 측정을 불가능하게 만들 수 있는 위험이 있다.
수막에 따라 그의 두께를 지시하는 신호를 발생시키기 위해, 이하의 과정이 계속된다. 전극을 사용한 저항 측정은, 만약 제공된다면, 양호하게도 측정 탐침(13) 상에 물이 있는 지를 확인할 것이다. 매우 높거나 무한대의 저항값은 탐침의 표면이 건조하다는 것을 의미한다. 이러한 경우에는, 펠티어 요소로 가열하는 것이 도입되지 않고, 탐침(13)의 출력 신호 또는 탐침의 제어 및 평가 유닛은 수막이 존재하지 않는 다는 것을 지시한다. 한편으로, 저항 측정이 액체의 존재를 알리는 유한값을 생성하면, 가열 요소(1, 10, 11)가 작동된다. 물로 전도되는 에너지는 4.185·103Jkg-1K-1인 물의 비열에 의해 결정된다. 이러한 경우에, 가열이 시작될 때 물이 액체 형태로 존재하는 것을 가정할 수 있다. 만약 이러한 경우가 아니라면, 얼음의 비열 및 융해열이 고려되어야 한다. 알려진 부피 또는 수막의 결과적인 두께에 대해, 초기 근사화는 시간의 함수로서 온도(T)의 지수 온도 곡선을 가정할 수 있고, 이는 다음과 방정식으로 표현될 수 있다.
여기서, TO는 초기 온도이고, TA는 점근 온도이고, τ는 가열에 대한 시간 상수이다. 도4는 대응 온도 곡선을 개략적으로 도시한다. 본 발명의 하나의 태양에 따르면, 수막 두께는 정확한 정량적인 형태로 지시되기보다는 수막 두께가 놓이는 수막 두께 범위의 지정에 의해 정성적으로 지시된다. 이러한 이유로, 수막 내의 온도 증가의 동적 거동의 정확한 계산을 수행할 필요가 없다. 그러나, 이는 수막 두께가 정확하게 주어진다면 수행될 수 있다. 이러한 계산을 위해, 수막의 열 전도성(온도 구배)과, 대류, 복사 및 물 증발에 의한 공기와 물 사이의 열교환과, 탐침 내의 열 손실과, 펠티어 요소 및 알루미늄 부품(11)의 거동을 알아야 할 필요가 있고, 또한 순수한 물과 염 용액 사이의 열적 거동의 차이를 고려할 필요가 있다.
그러나, 통상 수막 두께가 상이한 등급으로 분리될 수 있는 방식으로 신호가 수막 두께를 지시하는 것으로 충분하다. 이는 예를 들어 다음의 표를 가지고 가능하다.
등급 도로 상태 E (mm)
1 건조 0
2 습기 0 내지 0.1
3 젖음 1 0.1 내지 0.5
4 젖음 2 0.5 내지 1
5 젖음 3 1 초과
다섯 개의 등급이 본원에서 제공된다. 등급 1에서는 건조하고, 등급 2에서는 도로가 단지 습기가 있고, 등급 3 내지 5에서는 젖은 도로의 다른 영역들이 있다. 통상, 이러한 종류의 분류는 효과적인 하이드로플레이닝 경고를 위해 충분하다.
도4는 수막 온도의 증가를 도시하고, 여기서 증가는 수학식 3으로 표현될 수 있다.
증가는 점진적으로 감소하여 온도가 점근값(TA)에 도달했을 때 0에 도달한다. 이 때, 시스템은 동적 평형을 이루고, 발생된 출력은 가열 요소에 의해 도입된 동력에 일치한다. 그 다음, 설명된 온도 증가에 의한 진행은 부피 및/또는 수막 두께에 대한 특성을 나타낸다. 도5는 상이한 수막 두께에 대한 세 개의 실시예를 도시하고, 여기서 곡선 1은 작은 수막 두께를 나타내고, 곡선 2는 중간 수막 두께를 나타내고, 곡선 3은 큰 수막 두께를 나타낸다. 도5에 대한 눈금은 시간 및 온도에 대한 임의의 단위로 주어지고 초 및 ℃가 아니다. 이제, 평가 장치는 곡선으로부터 가열 중에 주어진 곡선을 발생시킨 실제 수막이 어떤 수막 두께 영역의 등급에 할당되어야 하는 지를 결정한다. 따라서, 당연히 지시되지 않은 도5의 구체적인 눈금에 따라서, 곡선 1을 발생시킨 수막은 등급 2 또는 3에 할당되고, 곡선 2를 발생시킨 수막은 등급 3 또는 4에 할당되고, 곡선 3을 발생시킨 수막은 등급 4 또는 5에 할당될 것이다. 도6은 수막을 냉각시키는 대응 곡선을 도시한다.
온도 증가에 대한 곡선들은 당연히 평가 장치(3) 내에서 도식적인 형태로 존재하기보다는 마이크로프로세서(8)에 속하는 메모리 내에 저장된 온도 센서(5)로부터 연속적인 저장된 온도 측정 데이터로서 이용 가능하다. 곡선은 다소 많은 수의 온도에 대해 측정된 데이터에 의해 도시될 수 있다. 이상적으로는, 온도(TO)에 대해 최초 측정된 데이터는 가열의 시작 전에 또는 정확히 그와 동시에 형성되고, 수막의 초기 온도를 지시한다. 온도 측정 데이터는 이후에 상이한 시간 간격에서 얻어질 수 있고, 당연히 온도 곡선은 더욱 정확하게 설정될 수 있고, 더 많은 측정 데이터가 TO와 점근 온도(TA)가 도달된 지점 사이에 저장된다. 저장된 온도 측정 데이터를 평가하기 위해, 평가 장치(3) 또는 마이크로프로세서는 이미 공지된 다양한 방법을 사용할 수 있다. 첫째로, 측정된 데이터에 대한 근사화는 함수(2)를 가지고 만들어질 수 있고, 이에 의해 결국 가열된 물 영역의 가정된 반경(B)에 의해 결정된 가열되는 물의 주어진 부피에 대한 두께(E)의 함수가 되는 값 TA및 τ가 추정될 수 있다. 근사화 방법에 대한 대안으로서, 가열의 시작 후에 고정 시간(T*) 중의 온도의 증가(ΔT)가 측정될 수 있다. ΔT*는 다음과 같이 표현될 수 있다.
수막 두께는 결국 TA및 τ를 이용해서 이로부터 추정될 수 있다.
수막 두께의 정확한 측정을 위해, 두께값(ε)은 임의의 필요한 세분화된 분류에 따라, 표에 저장된다. 그 다음, 적용 가능한 표의 값이 곡선의 평가로부터 추정될 수 있다.
다른 변형예로서, 시간(t=0)에서의 가열의 시작과 함께 시작해서, 소정의 온도 증가(ΔTX)가 도달될 때까지 필요한 시간(tX)을 측정하는 것이 가능하다. 방정식(2) 및 다음의 방정식(5) 및 (6)으로부터, 수막 두께(E)는 결국 값 TA및 τ를 이용해서 결정될 수 있다.
본원에서 개시된 평가 방법으로, 수막 두께를 필요한 등급으로 분류하는 것이 가능하고 대응 신호가 평가 장치에 의해 발생될 수 있다.
전술한 것처럼, 액체의 어는점을 결정하기 위한 방법은 EP-A-0 045 106호 및 EP-A-0 361 045호에서 공지되어 있다. 이러한 방법은 또한 설명된 탐침과 함께 실시될 수 있어서, 도로 내의 단일 탐침으로 결빙 경고 및 하이드로플레이닝 경고를 발생시키는 것이 가능하다.
만약 탐침 상에 얼음이 있다고 하더라도, 얼음은 먼저 수막 두께를 탐지하기 위해 융해될 수 있다. 그 다음 탐침은 어는점을 결정하기 위해 냉각될 수 있다. 그러나, 녹는 동안 녹는점을 확인하는 것이 가능하고, 이는 또한 어는 점 온도를 알려줄 것이다. 그러나, 분리된 탐침 또한 수막 두께 및 어는점을 결정하기 위해 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 수막 두께를 결정하기 위한 장치는 이상적으로는 어는점을 결정하기 위한 장치 내에서 이용될 것이다. 수막 두께를 아는 것은 어는점을 확인하는 데 유용하며, 이것으로부터 단위 표면당 적용되는 융해제의 양이 알려지면 액체 내의 융해제의 농도가 추정될 수 있기 때문이다.

Claims (10)

  1. 표면(18, 19), 특히 도로 상의 액막(17)에 따른 신호를 발생시키기 위한 방법에 있어서,
    액막(17)의 액체의 부분이 가열 장치 또는 냉각 장치(1, 10, 11)에 의해 가열 또는 냉각되는 단계와,
    가열 또는 냉각된 부분의 온도의 증가 또는 감소가 온도 측정 장치(5, 7, 8)에 의해 탐지되는 단계와,
    액막의 두께에 대한 값 또는 값의 범위가 평가 장치(8)에 의해 온도 증가 또는 감소에 할당되고 신호로서 발생되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 표면(18, 19)에 대해 함몰되어 내부에서 액체가 가열되는 영역이 가열 장치 또는 냉각 장치 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가열 출력 또는 냉각 출력이 가열 또는 냉각 중에 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 액막의 초기 온도(TO)가 가열 또는 냉각 이전에 또는 그와 동시에 각각의 경우에서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 액체의 존재에 대한 시험이 가열 또는 냉각 이전에 수행되고, 가열 장치 또는 냉각 장치는 단지 액체가 확인되면 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 표면(18, 19), 특히 도로 상의 액막(17)에 따른 신호를 발생시키는 장치에 있어서,
    액막(17)의 부분을 가열하거나 냉각할 수 있는 가열 장치 또는 냉각 장치(1, 2, 10, 11)와,
    가열 장치 또는 냉각 장치에 의해 가열 또는 냉각될 수 있는 액막(17)의 온도를 결정하기 위한 온도 측정 장치(5, 7, 8)와,
    액막의 두께 또는 두께 범위가 측정된 온도 증가 또는 감소에 할당되어 신호로서 발생되는 방식으로, 가열 장치 또는 냉각 장치와 온도 측정 장치가 제어될 수 있고 온도 측정 장치의 신호가 평가될 수 있는 제어 및 평가 장치(3)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 장치는 가열 장치의 영역 내의 액체의 존재를 확인하기 위한 수단(4, 6), 특히 전극 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제6항 또는 제8항에 있어서, 가열 장치 또는 냉각 장치는 일정한 동력으로 작동되는 적어도 하나의 펠티어 요소(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 상기 영역과 수평이 되도록 정렬될 수 있는 표면(18)을 가져서 액막(17)이 영역(19) 및 장치의 표면(18)을 균일하게 덮고, 가열 장치 또는 냉각 장치의 영역 내의 함몰부가 표면(18) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 따른 방법의 이용과, 표면 상의 액체의 어는점을 지시하는 신호를 발생시키기 위한 장치 중 제6항에 따른 장치의 이용.
KR10-2000-7002421A 1997-09-09 1998-09-09 표면 상의 액막에 따른 신호를 발생시키기 위한 방법 및장치 KR100527024B1 (ko)

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