NO314858B1 - Fremgangsmåte og innretning for tilveiebringelse av et signal i avhengighetav en v¶skefilm på en flate - Google Patents

Abstract

For å bestemme tykkelsen til en vannfilm på en overflate, særlig på en vei, blir en del av vannfilmen oppvarmet eller avkjølt. Vannfilmens tykkelse bestemmes ved hjelp av temperaturendringen under oppvarmingen eller kjølingen. Et generert signal benyttes for å. bestemme et område hvor vannfilmtykkelsen ligger. Et Peltier-element (1) benyttes for oppvarming av vannfilmen. Vannfilmens temperatur måles ved hjelp av et termoelement (5). og evalueres ved hjelp av en mikroprosessor (8).

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for tilveiebringelse av et signal i avhengighet av en væskefilm på en flate, særlig en trafikkflate. Videre vedrører oppfinnelsen en innretning for tilveiebringelse av et signal i avhengighet av en væskefilm på en flate, særlig en trafikkflate, såvel som en anvendelse av fremgangsmåten henholdsvis en anvendelse av innretningen i en anordning for fastslåing av væskens frysepunkt.

Det er ønskelig å kunne tilveiebringe et signal som gir informasjon over tykkelsen til en væskefilm på trafikkflater, herunder eksempelvis gater og rullebaner og start-/landebaner for fly. Man kan på den måten få informasjon med hensyn til faren for såkalt aquaplaning (hjulene på et kjøretøy vil flyte opp på den av hjulene ikke mer fortrengbare del av væskefilmen) henholdsvis å kunne gi et varsel til trafikkflatens benyttere. Som kjent øker faren for aquaplaning med økende tykkelse av vannfilmen. Fra EP-A-0 432 360 er det kjent å måle vannfilmtykkelsen mest mulig nøyaktig under utnyttelse av mikrobølgers reflektering. Denne fremgangsmåte er komplisert. Fra US-A-4 897 597 er det kjent å måle vannfilmtykkelsen ved hjelp av en konduktivitetsmåling, noe som ikke alltid gir tilfredsstillende resultater. DE-A-31 18 997, EP-A-0 045 106 og EP-A-362 173 viser fremgangsmåter for bestemmelse av en væskes frysepunkt, og ikke for bestemmelse av vannfilmtykkelsen. Patent Abstracts of Japan vol. 97, nr. 8,29. august 1997, viser detektering av en isfilmtykkelse, hvilken isfilmtykkelse detekteres ved hjelp av montasjeavstanden til en temperatursensor relativt en varmevekslerledning som ises ned.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en mest mulig enkel og kostnadsgunstig fremgangsmåte hvormed det kan tilveiebringes et signal som er avhengig av væskefilmen. Nok en hensikt er å tilveiebringe en tilsvarende innretning.

Denne hensikt oppnås med en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte type under utnyttelse av de kjennetegnende trekk i krav 1.

Foretrukne trekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige kravene 2-5.

Det har vist seg at man ved oppvarming henholdsvis avkjøling av en del av væskefilmen og måling av temperaturøkingen henholdsvis temperatursenkingen med tilstrekkelig nøyaktighet i det minste kan slutte seg til i hvilket tykkelsesområde væskefilmens tykkelse ligger. Som regel vil en slik tilordning av væskefilmtykkelsen til et tykkelsesområde henholdsvis en klasse være tilstrekkelig for en aquaplaningsadvarsel. Fremgangsmåten muliggjør dessuten også en fastslåing av den absolutte tykkelse med god nøyaktighet, når det settes inn en større vurderingsinnsats ved beregningen av temperaturforløpet.

Hensikten oppnås ved en innretning av den innledningsvis nevnte type ved hjelp av de kjennetegnende trekk som er angitt i krav 6.

Foretrukne trekk ved innretningen ifølge oppfinnelsen fremgår av de medfølgende uselvstendige krav 7-9.

Det foretrekkes en innretning med et Peltier-element for oppvarming av væskefilmen. Dette muliggjør også en avkjøling av væskefilmen, ved reversert drift av Peltier-elementet. Innretningen kan således i tillegg også benyttes for bestemmelse av væskens frysepunkt med fremgangsmåten ifølge EP-A-0 045 106 eller EP-A-0 362 173.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til tegningene som viser utførelseseksempler av fremgangsmåten henholdsvis innretningen. På tegningene viser

Figur 1 skjematisk den elektriske oppbygging av en innretning for gjennomføring av fremgangsmåten, Figur 2 viser skjematisk den konstruktive oppbygging av en innretning for gjennomføring av fremgangsmåten, Figur 3 viser approksimativt det oppvarmede væskevolums avhengighet av væskefilmtykkelsen ved innretningen ifølge figur 2,

Figur 4 viser skjematisk temperaturstigningen til den oppvarmede væske,

Figur 5 viser skjematisk temperaturakingen for tre forskjellige væskefilmtykkelser, og Figur 6 viser skjematisk temperatursenkingen for tre forskjellige væskefilmtykkelser. Figurene 1 og 2 viser i forenklet, skjematisk form den elektriske, henholdsvis konstruktive utforming av en innretning ifølge oppfinnelsen. For oppvarming av væskefilmen benyttes et Peltier-element. Dette er bare å betrakte som et eksempel, da oppvarmingen av væskefilmen i prinsippet kan skje med en vilkårlig varmekilde, eksempelvis med en elektrisk motstandsoppvarming. Som allerede nevnt, kan det i stedet for oppvarmingen også skje en avkjøling, men i det her omtalte eksempel tar man utgangspunkt i en oppvarming. I figur 1 er Peltier-elementet 1 vist skjematisk som en blokk. Det tilføres elektrisk strøm fra en tilførselskobling 2, som i eksempelet befinner seg i en styre- og beregningskobling 3. Tilførselskoblingen 2 innbefatter en elektrisk kilde, som eksempelvis kan være en konstant strømkilde med den konstante strøm i, eller en kilde med et ikke-konstant, men kjent strømforløp. Varmen Qh, som tilveiebringes på Peltier-elementets varme side, fremkommer ifølge formelen Qh = Qc + U ■ i, hvor Qc er den på Peltier-elementets kalde side uttmkkede varme og U og i er spenningen henholdsvis strømmen i Peltier-elementet. Tc og Th er temperaturene til Peltier-elementets kalde henholdsvis varme side. Peltier-elementet kan ved omvendt strømretning også benyttes for avkjøling, idet man da bytter den kalde og den varme side.

Figur 2 viser Peltier-elementet 1 innspent mellom et varmeledende legeme 10, eksempelvis av kobber, og et andre varmeledende legeme 11, eksempelvis av aluminium. Sammen med en husblokk 12 av et dårlig varmeledende materiale danner elementene 1,10 og 11 en innretning 13, som i form av en grunnsonde legges inn under den flate hvor vannfilmen danner seg. I utførelseseksempelet er en vei 14 med flere sjikt skjematisk antydet. I denne vei 14 er sonden 13 innebygget slik at sondens 13 overflate 18 flukter med veiens 14 overflate 19. Sondens legeme 10 er innleiret i grunnen henholdsvis i veiunderlaget, for å strekke varme fra grunnen, hvilken varme anvendes for oppvarming av vannfilmen 17. Det over Peltier-elementet 1 anordnede varmeledende legemet 11 danner oppvarmingsmåten for vannfilmen med sin overflate 15. I sonden 13 kan det videre være anordnet elektroder 4 hvormed man ved hjelp av en ledningsverdimåling kan fastslå hvorvidt det overhodet forefinnes en vannfilm eller ikke. Elektrodene 4 er for dette formål forbundet med en tilsvarende måleinnretning 6, som på sin side er forbundet med et styre- og beregningselement 8, særlig en mikroprosessor, i styre- og beregningsinnretningen 3. Slike elektroder kan også være anordnet på andre steder i verdien i stedet for i sonden 13. Videre er det i sonden i kontakt med vannfilmen 17, anordnet en temperaturmålemotstand 5, hvormed væskefilmens temperatur kan måles. Denne målemotstand, som regel et kjent Pt 100-element, eller også et termoelement, er forbundet med mikroprosessoren 8 ved hjelp av en tilsvarende målekobling 7. Temperaturen kan også måles ved hjelp av Peltier-elementet, som kjent fra EP-A-0 362 173.

Den viste oppbygging av sonden 13 og dens innbygging er naturligvis bare å forstå som et eksempel. Sonden kan, som nevnt, også innbefatte en annen varmeelementtype, og den kan være anordnet på annen måte ved siden av eller også over den flate hvor vannfilmen skal bestemmes, idet man da må passe på at sondens overflate er slik anordnet at det på den som regel vil danne seg en jevn vannfilm, på samme måte som på den observerte flate. Også beregningsinnretningen og styreretningen kan naturligvis være bygget opp på annen måte og f.eks. bestå av adskilte elementer. Som sagt behøver heller ikke elektrodene være anordnet i sonden.

I det viste utførelseseksempel har sondens overflate 18 et fordypet område som dannes av legemets 11 overflate 15 og som i det viste eksempel utgjør et sirkelformet område med diameter A. Overgangen mellom dette området 15 og sondens 13 ikke nedsenkede overflate 18 er i det viste eksempel utført med en skråvinkel på 45°. Ved en oppvarming av vannfilmen 17 ved hjelp av oppvarmingsanordningen kan man med grov tilnærming gå ut fra at det skjer en oppvarming i vannfilmen i et sirkelformet område med diameter B. Sondens 13 fordypede overflateområde kan eksempelvis ha en dybde Eo på 0,5 mm. Diameter A kan være 14 mm og diameter B kan være 20 mm. Fordypningen gir en ikke lineær avhengighet mellom vannfllmvolumet V og vannfilmens E tykkelse, slik det er vist skjematisk i figur 3. Sondens fordypning foretrekkes slik at man derved har en definert vannmengde til rådighet også ved en meget liten vannfilmtykkelse E. Hvis ikke foreligger det en fare for at det ved en meget liten vannfilmtykkelse vil oppstå en fordunsting av vannfilmen ved oppvarmingen, slik at en relevant måling umuliggjøres.

For tilveiebringelse av et signal som er avhengig av vannfilmen og er representativt for vannfilmens tykkelse, går man frem på følgende måte. Fortrinnsvis blir først elektrodene 4, dersom de forefinnes, benyttet til ved hjelp av en motstandsmåling å fastslå om det overhodet befinner seg vann på målesonden 13. En meget høy henholdsvis uendelig motstandsverdi betyr i denne forbindelse at sondens overflate er tørr. I så tilfelle innledes ingen oppvarming med Peltier-elementet, og sondens 13 utgangssignal henholdsvis dens styre- og beregningsenhet angir at det ikke forefinnes noen vannfilm. Dersom motstandsmålingen på den annen side gir en endelig verdi, som viser at det forefinnes væske, aktiveres oppvarmingsanordningen 1,10,11. Den til vannet tilførte energi gir seg av vannets spesifikke varme, som utgjør 4,185 ■ IO<3> J kg<*1> K<*1>. I dette tilfellet gås det ut fra at vann foreligger i flytende form ved begynnelsen av oppvarmingen. Er det ikke tilfellet, så må man ta hensyn til den spesifikke varme til is og smeltevarmen. For et kjent volum henholdsvis for den dertil relaterte vannfilmtykkelse, kan man i en første tilnærming gå ut fra et eksponensielt temperaturforløp for temperaturen T som en funksjon av tiden, gitt av ligningen

hvor To er begynnelsestemperaturen, TA er den asymptotiske temperatur og x er oppvarmingens tidskonstant. Figur 4 viser det tilsvarende temperaturforløp rent skjematisk. Ifølge et inventivt aspekt angis vannfilmtykkelsen ikke i en nøyaktig kvantitativ form, men kvalitativt ved hjelp av en angivelse av et vannfilmtykkelsesområde som den virkelige vannfilmtykkelse ligger innenfor. Det er derfor ikke nødvendig å gjennomføre en nøyaktig beregning av de dynamiske forhold ved oppvarmingen av vannfilmen. Man kan imidlertid gjennomføre en slik beregning dersom vannfilmtykkelsen skal angis nøyaktig. For en slik beregning er det nødvendig å kjenne vannfilmens varmeledningsevne (temperaturgradient), varmevekslingen mellom luft og vann som følge av konveksjon, stråling og fordamping av vannet, varmetapene i sonden, Peltier-elementets egenskaper og egenskapene til aluminiumdelen 11. Videre må man ta hensyn til forskjellene i de termiske forhold mellom rent vann og en saltløsning osv.

Som regel vil det være tilstrekkelig å angi vannfilmtykkelsen ved hjelp av sondesignalet på en slik måte at det oppnås en inndeling av vannfilmtykkelsen i forskjellige klasser. Dette er eksempelvis mulig som angitt i nedenstående tabeller.

Det etableres 5 klasser for vannfilmtykkelsen E, idet man i klasse 1 har tørre forhold, i klasse 2 har en fuktig trafikkflate og i klassene 3-5 har ulike våte kjørebaneområder. En slik inndeling vil som regel være tilstrekkelig for en adekvat aquaplaningsadvarsel.

Figur 4 viser som nevnt temperaturforløpet til den oppvarmede delen av vannfilmen og dermed også vannfi lm temp erat urens stigning.

Økingen avtar progressivt, og blir null når temperaturen har nådd den asymptotiske verdi TA. I dette øyeblikk vil systemet være i dynamisk likevekt og den avgitte effekt vil være lik den av oppvarmingsanordningen tilførte effekt. Forløpet til temperaturøkingen er karakteristisk for volumet henholdsvis vannfilmtykkelsen. Figur 5 viser tre eksempler for forskjellige vannfilmtykkelser, idet kurve 1 viser en liten vannfilmtykkelse, kurve 2 viser en midlere vannfilmtykkelse og kurven 3 viser en større vannfilmtykkelse. Skaleringen i figur 5 er med hensyn på tid og temperatur gitt i vilkårlige enheter og ikke i sekunder og °C. Fra kurveforløpet kan man med beregningsinnretningen finne ut i hvilken klasse vannfilmtykkelsesområdet til den virkelige vannfilm som har gitt kurveforløpet under oppvarmingen, skal anbringes. Avhengig av den konkrete skalering i figur 5, som altså her ikke er gitt, kan man således innordne den vannfilm som gir kurven 1 i klasse 2 eller 3, mens den vannfilm som medfører kurven 2, anordnes i klasse 3 og 4 og den vannfilm som gir kurven 3 anbringes i klasse 4 eller 5. Figur 6 viser tilsvarende kurveforløp ved en avkjøling av vannfilmen.

Temperaturøkingskurvene ligger naturligvis ikke i en grafisk form i beregningsinnretningen 3, men foreligger som en rekke lagrede temperaturmåleverdier fra temperatursensoren 5, hvilke måleverdier tilføres et lager i mikroprosessoren 8. Kurveforløpet kan naturligvis etableres ved hjelp av et større eller mindre antall temperaturmåleverdier. Fortrinnsvis dannes den første temperaturmåleverdi To før eller ved begynnelsen av oppvarmingen og angir således vannfilmens opprinnelige temperatur. Deretter kan det i forskjellige tidsavstander tilveiebringes temperaturmåleverdier, og kurveforløpet kan naturligvis fastslås mer nøyaktig jo flere måleverdier som lagres i tiden mellom To og oppnåelsen av den asymptotiske temperatur TA. For beregning av de lagrede temperaturmåleverdier kan det gjennomføres flere i og for seg kjente metoder ved hjelp av beregningsinnretningen 3 henholdsvis ved hjelp av mikroprosessoren. Det kan foretas en approksimasjon av måleverdiene ved hjelp av funksjonen (2), idet man da kan slutte seg til verdiene TA og x, som er en funksjon av tykkelsen E (ved gitt volum av det vann som skal oppvarmes, hvilket volum bestemmes av den antatte radius B i det oppvarmede vannområdet. Alternativt til approksimasjonsmetoden kan man måle temperaturøkingen AT i løpet av en fast tid t<*> etter begynnelsen av oppvarmingen. AT<*> kan man finne med følgende uttrykk

Man kan så slutte seg til vannfilmtykkelsen ved hjelp av Ta og x.

For en nøyaktig vannfilmtykkelsesmåling kan tykkelsesverdiene e lagres med vilkårlig fininndeling i en tabell. Ved hjelp av kurveforløpet kan man så finne den aktuelle tabellverdi.

Som en ytterligere variant kan man fira begynnelsen av oppvarmingen måle den tid tx, regnet fra t = 0, som er nødvendig for oppnåelse av en bestemt temperaturøking ATX. Ved hjelp av ligning 2 og de etterfølgende ligninger 5 og 6, kan man så beregne vannfilmtykkelsen E ved hjelp av verdiene TA og x.

Ved hjelp av de nevnte beregningsmetoder kan det skje en inndeling av vannfilmtykkelsen i de ønskede klasser, og fra beregningsinnretningen kan det gis et tilsvarende signal.

Som allerede nevnt er det fra EP-A-0 045 106 og EP-A-0 361 173 kjent en fremgangsmåte for bestemmelse av en væskes frysepunkt. Slike fremgangsmåter kan likeledes gjennomføres ved hjelp av den beskrevne sonde, slik at man med en eneste sonde i kjørebanen kan tilveiebringe en isingsadvarsel såvel som en aquaplanings-ad varsel.

Når det befinner seg is på sonden, kan isen først smeltes for å bestemme vannfilmtykkelsen. Det kan så foretas en kjøling for å få frem frysepunktet. Det vil også være mulig å få frem smeltepunktet under tiningen, hvorved også frysepunkt-temperaturen vil være kjent. Det kan benyttes separate sonder for måling av vannfilmtykkelsen og frysepunktet. I så tilfelle anvendes innretningen for vannfilmtykkelsesmåling fortrinnsvis i en anordning for frysepunktmåling. Kjennskapet til vannfilmtykkelsen vil være nyttig ved en frysepunktmåling, fordi man da - ved kjent mengde anbrakt opptiningsmiddel pr. flateenhet - kan trekke slutninger med hensyn til opptiningsmiddelkonsentrasjonen i væsken.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for tilveiebringelse av et signal i avhengighet av en væskefilm (17) på en flate (18,19), særlig en trafikkflate, karakterisert v e d at ved hjelp av en oppvarmingsanordning henholdsvis en avkjølingsanordning (1,10,11) oppvarmes henholdsvis avkjøles en del av væsken i væskefilmen (17), økingen henholdsvis reduseringen av temperaturen til den oppvarmede henholdsvis avkjølte del bestemmes ved hjelp av en temperaturmåleanordning (5,7, 8), og at temperaturøkingen henholdsvis temperatursenkingen ved hjelp av en beregningsinnretning (8) tilordnes en verdi eller et verdiområde for væskefilmens tykkelse, som avgis som et signal.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det i oppvarmingsanordningen henholdsvis kjøleanordningen tilveiebringes et relativt flaten (18,19) forsenket område hvor oppvarmingen av væsken foretas.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at oppvarmingseffekten henholdsvis kjøleeffekten holdes konstant under oppvarmingen henholdsvis avkjølingen.

4. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert v e d at væskefilmens utgangstemperatur To bestemmes før eller ved begynnelsen av oppvarmingen henholdsvis avkjølingen.

5. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at før begynnelsen av oppvarmingen henholdsvis avkjølingen foretas det en prøve av hvorvidt det forefinnes væske, idet oppvarmingsanordningen henholdsvis kjøleanordningen bare aktiveres når det er fastslått at det forefinnes væske.

6. Innretning for tilveiebringelse av et signal i avhengighet av en væskefilm (17) på en flate (18,19), særlig en trafikkflate, karakterisert ved at den innbefatter en oppvarmingsanordning henholdsvis kjøleanordning (1,2, 10, 11), hvormed en del av væskefilmen (17) kan oppvarmes henholdsvis avkjøles, en temperaturmåleanordning (5, 7, 8) for bestemmelse av temperaturen til den av oppvarmingsanordningen henholdsvis kjøleanordningen oppvarmbare henholdsvis avkjølbare væskefilm (17), og en styre- og beregningsinnretning (3) hvormed oppvarmingsanordningen henholdsvis kjøleanordningen og temperaturmåleanordningen kan styres og temperaturmåleanordningens signaler kan beregnes på en slik måte at den målte temperaturøking henholdsvis temperatursenking vil være tilordnet en tykkelse eller et tykkelsesområde av væskefilmen og avgis som signal.

7. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at den innbefatter et middel (4,6), fortrinnsvis en elektrodeanordning, for bestemmelse av hvorvidt det forefinnes væske i området ved oppvarmingsanordningen.

8. Innretning ifølge et av kravene 6 eller 8, karakterisert ved at oppvarmingsanordningen henholdsvis kjøleanordningen innbefatter minst ett Peltier-element (1) hvilket element drives med en konstant effekt.

9. Innretning ifølge et av kravene 6 - 8, karakterisert v e d at den har en overflate (18) som er innrettbar i flukt med flaten, på en slik måte at væskefilmen (17) vil dekke flaten (19) og innretningens overflate (18) jevnt, og at det i området ved oppvarmingsanordningen henholdsvis kjøleanordningen er anordnet en fordypning i overflaten (18).

10. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 henholdsvis en anvendelse av en innretning ifølge krav 6 i en anordning for tilveiebringelse av et signal for frysepunktet til væsken på flaten.