бабулер80

Испытание датчика обледенения

БУБНОВ Владимир Петрович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Информационные и вычислительные системы», профессор, д-р техн, наук, Санкт-Петербург, Россия

БАРАУСОВ Виктор Александрович, ООО «КТН», генеральный директор, Санкт-Петербург, Россия

ЗАБУЗОВ Вячеслав Сергеевич, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, кафедра «Информационно-вычислительных систем и сетей», доцент, канд. техн, наук, Санкт-Петербург, Россия

СУЛТОНОВ Шохрух Холмурзаевич, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Информационные и вычислительные системы», аспирант, Санкт-Петербург, Россия

Ключевые слова: датчик обледенения, инновационный датчик, автоматическая система, обогрев, электрообогрев, стрелочный перевод, испытательный стенд, климатическая камера, нагреватель, ARDUINO, контроллер, термодатчик
Аннотация. В статье представлены результаты лабораторного эксперимента с датчиком обледенения с применением экспериментального стенда. Приведена структурная схема и взаимосвязь между оборудованием стенда, подробно описаны испытания датчика, а также последовательность их проведения. По результатам испытаний были построены графики зависимости температуры рабочей поверхности пластины от времени с момента включения нагревателя. Для оценки функционирования датчика обледенения в реальных метеоусловиях и метода обнаружения обледенения на рабочей поверхности разработана и исследована компьютерная имитационная модель в среде Matlab.

Сущность лабораторного эксперимента заключается в исследовании влияния климатических условий на надежность работы системы очистки стрелочных переводов, оснащенных датчиками обледенения.
Согласно данным, приведенным в СП 342.1325800.2017, на пропускную способность станций и на безотказную работу железнодорожного транспорта влияют как геологические, так и климатические условия [1]. На большей части территории России в период с ноября по апрель среднемесячные температуры не превышают 0 °C, высота снежного покрова на отдельных станциях достигает 1,5 м и более. На северных участках температура воздуха в зимний период опускается ниже -55 °C [2].
Обильные снегопады и вызываемые ими снежные заносы представляют серьезную опасность для движения поездов. Снег на пути создает дополнительное сопротивление движению поездов, повышает расход энергии и топлива, снижает скорость движения, осложняя эксплуатационную работу заносимого
снегом участка. Своевременная защита и очистка путей и стрелочных переводов от снега, особенно на крупных узлах дорог необщего пользования, является важным условием стабильного перевозочного процесса [3].
Для решения этой задачи в зависимости от конкретных природных условий необходимо использовать различные методы очистки. Предпочтительным вариантом, отвечающим требованиям содержания железнодорожного пути при минимальных эксплуатационных затратах, а также требованиям техники безопасности и охраны окружающей среды, является система электрообогрева. Она состоит из шкафа автоматического управления системой, метеорологического блока, датчика температуры рельса и датчика обледенения [4].
Датчик обледенения (ДО) является самой важной составляющей системы электрообогрева, от качественного функционирования которого зависит работа всей системы очистки стрелочных переводов.


В числе наиболее соответствующих по техническим характеристикам средств для проведения лабораторного эксперимента был выбран датчик обледенения, созданный компанией ООО «КТН» (г. Санкт-Петербург) [5].
Общий вид опытного образца выбранного датчика обледенения представлен на рис. 1. Датчик помещен в металлический корпус, внутри которого дополнительно размещены первый и второй чувствительные элементы (ЧЭ). Он также снабжен теплопроводной пластиной с внешней рабочей поверхностью, подверженной воздействию окружающей среды, встроенным датчиком температуры (термодатчик) и нагревателем [6].
В качестве нагревателя используется резистор (серии SQP) мощностью 5 Вт и номиналом 10 ±0,2 Ом. Нагреватели закреплены на нижней поверхности пластины чувствительного элемента. Схема управления нагревателем представлена на рис. 2. Для измерения температуры рабочей поверхности пластины использовалась термопара хромель-алюмель. Рабочий конец датчик крепится внутри пластины максимально близко к рабочей поверхности.
Для проведения эксперимента был разработан испытательный стенд, состоящий из трех частей:

• исполнительной, в которую входят объект испытания и системы, обеспечивающие воздействие различных эксплуатационных факторов;
• информационно-управляющей, в которую входят системы управления и измерительные системы, информирующие о параметрах поведения объекта испытания и стенда;
• системы энергопитания.

Общий вид испытательного стенда представлен на рис. 3, а структурная схема - на рис. 4.
Нижний уровень является исполнительной частью испытательного стенда, в состав которой входят климатическая камера модели СН600С для проведения испытаний с контролем температуры и относительной влажности и датчик обледенения.
Климатическая камера позволяет имитировать условия, максимально приближенные к природным, желаемую температуру и влажность внутри рабочего объема камеры.
Верхний уровень представляет собой, информационно-управляющую часть, которая обеспечивает подготовку и проведение испытания, регистрацию и обработку параметров в реальном времени. В состав оборудования верхнего уровня входят контроллер, компьютер и периферийные устройства.
В качестве контроллера был использован микроконтроллер ATmega2560 на аппаратной платформе ARDUINO Меда 2560 с SD-картой и часами реального времени, представленный на рис. 5. SD-карта служит для считывания заранее подготовленных параметров эксперимента, а также хранения записанных результатов для последующего анализа работы датчика обледенения в реальных метеоусловиях. Платформа подключена к компьютеру посредством кабеля USB, питание осуществляется при помощи адаптера AC/DC.
Взаимосвязь между оборудованием испытательного стенда представлена на рис. 6.


Метод обнаружения обледенения представляет собой следующую последовательность операций [7, 8]. В климатической камере устанавливается датчик обледенения, который подключается к контроллеру. Термодатчик первого чувствительного элемента определяет начальную температуру Т10 рабочей поверхности пластины. Если Т10 < 0 °C, то включается нагреватель первого чувствительного элемента.
После включения нагревателя первого чувствительного элемента через заданный интервал задержки At включается нагреватель второго чувствительного элемента, что определяет асинхронность включения нагревателей. Начинается одновременное отслеживание изменения во времени температуры рабочей поверхности обоих чувствительных элементов. Оно определяется по формуле (1) посредством датчика и контроллера:

Т1 = f1(t), Т2 = f2(t)(1)

где Т1, Т2 - температуры рабочей поверхности пластин ЧЭ;
f1; f2 - функции, соответствующие эмпирической зависимости;
t-текущее время с момента включения указанного нагревателя до значения, превышающего температуру фазового превращения воды «твердое-жидкое» -0 °C.
Далее делается заключение о наличии или отсутствии льда или снега, по формуле (2):

дельтаT(t) = T1(t)-T2(t). (2)

О наличии льда или снега свидетельствует только практическое обнуление величины AT(t) = 0.
По результатам испытаний были построены графики зависимости температуры рабочей поверхности пластины от времени с момента включения нагревателя.

Для экономии времени на поверхность пластин помещались заранее заготовленные кусочки льда с целью имитации их обледенения [9]. При включении нагревателей лед начинал плавиться только в точках контакта с поверхностью пластин, этим моментам соответствуют максимумы на кривых. При дальнейшем расплавлении лед опускался на пластины, приходя с ними в полный контакт. При этом теплоотдача пластин увеличивалась, их температура падала, а затем стабилизировалась до момента полного расплавления льда.
Для оценки функционирования датчика обледенения в реальных метеоусловиях и метода обнаружения обледенения на рабочей поверхности разработана и исследована компьютерная имитационная модель в программе Matlab. Она позволяет проанализировать тепловые процессы, протекающие в системе «объект нагрева».
Результат моделирования датчика обледенения на контролируемой поверхности с применением программы Matlab Simulink представлен на рис. 7, где графики 1 и 2 - сигналы на выходе термопар. Горизонтальные участки соответствуют моментам времени плавления льда. Ординаты этих участков совпадают и равны 0,3. На рисунке они немного разнесены по ординате для наглядности. График 3-разность AT(t) температуры рабочей поверхности Т1 и Т2.


Провал в графике на позиции 3 служит признаком наличия снега или льда на поверхности датчика обледенения [10]. Признак вырабатывается, когда сигнал на выходе разностной схемы становится ниже (по абсолютной величине) некоторого порогового значения [11].
Полученный по экспериментальным данным результат в случае отсутствия осадков показан на рис. 8, а при наличии осадков показан на рис. 9 [12].
В процессе экспериментального исследования выявилось, что технический результат обусловливает повышение достоверности оценки ситуации с обледенением и/или заснеженностью в районе установки датчика.
Испытательный стенд позволяет проверять устройства на воздействие различных климатических факторов (перепад температур, повышенная влажность). Учитывая предназначение изделия, а также реальные условия его использования, можно выбирать разные виды оборудования.
Исследования, выполненные по данной тематике, проводились в рамках реализации Федеральной программы поддержки университетов «Приоритет 2030».

СПИСОК источников

1. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации, за 2020 год. М.: Росгидромет, 2021. 104 стр.
2. Инструкция по подготовке к работе в зимний период и организации снегоборьбы на железных дорогах, в других филиалах и структурных подразделениях ОАО «РЖД», а также его дочерних и зависимых обществах // Вагоны и вагонное хозяйство. 2014. № 3 (39). С. 14-22.
3. Басовский Д.А., Говоров Д.А., Козлов И.С. Новое решение системы обогрева железнодорожных стрелочных переводов путей необщего пользования И Бюллетень результатов научных исследований. 2019. № 3. С. 38-45. DOI: 10.20295/2223-9987-2019-3-38-45.
4. Султанов Ш.Х. Особенности установки и эксплуатации системы электрообогрева стрелочных переводов СЭИТ-04/ СЭИТ-04М производства ООО «КТН»//Интеллектуальные технологии на транспорте. 2021. № 3 (27). С. 17-24. DOI: 10.24412/2413-2527-2021-327-17-24.
5. Бубнов В.П., Бараусов В.А., Султанов Ш.Х. Анализ датчиков автоматической системы обогрева стрелочных переводов//Автоматика, связь, информатика. 2022. № 4. С. 8-11. DOI: 10.34649/АТ.2022.4.4.002.
6. Sultonov S., Bubnov V. Elements of technical solutions of the system purifying of turnouts based on an icing sensor // TransSiberia 2021. International Scientific Siberian Transport Forum. Springer, Cham, 2022. P. 889-897. DOI: 10.1007/978-3-030-96380-4. 97. (Lecture Notes in Networks and Systems; Vol. 402).
7. Султанов Ш.Х., Крицкий H.A., Султанова З.Р. Структура управляющей программы и способ для обнаружения обледенения на поверхности стрелочных переводов // Интеллектуальные технологии на транспорте. 2020. Ns 2 (22). С. 59-64.
8. Barausov V.A., Bubnov V.P., Sultonov Sh. Kh. Designing automatic railway switch heating system with innovative intelligent sensors // CEUR Workshop Proceedings. St. Petersburg, 2021. Vol. 2924. P. 3-9. URL: http://ceur-ws.org/Vol-2924/ paperl .pdf.
9. Barausov V.A., Bubnov V.P., Sultonov Sh.Kh. Control software for surface ice and snow detecting device // CEUR Workshop Proceedings 2021. St. Petersburg, 2020. Vol. 2924. P. 75-79.
10. Султанов Ш.Х., Бубнов В.П. Алгоритм работы системы управления электрообогревом стрелочных переводов на основе энергосберегающих технологий И Транспорт : проблемы, идеи, перспективы : сборник трудов LXXX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / ПГУПС. СПб., 2020. С. 74-77.
11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022614387 RU. Программа для обеспечения надежного таяния снега и льда на контролируемой поверхности / Ш.Х. Султанов, В.П. Бубнов, В.А. Бараусов. № 2022613613; заявл. 15.03.2022; опубл. 21.03.2022. 1 с.
12. Алгоритмы управляющей программы системы автоматической очистки стрелочных переводов на базе датчика определения льда или снега на контролируемой поверхности / В.А. Бараусов, В.П. Бубнов, Ш.Х. Султанов, Д.В. Бараусов // Автоматика на транспорте. 2021. Т. 7, № 2. С. 231-251. DOI: 10.20295/2412-9186-2021-7-2-231-251.