一种测量凝冰率的方法与装置与流程

本发明属于结冰探测领域，具体涉及一种测量凝冰率的方法与装置，应用于道路结冰预警、风力机结冰预警、飞行器结冰预警、动车组结冰预警等领域。

背景技术：

随着智能化概念的推广及传感器技术的发展，结冰传感器得到了越来越多的关注。高铁、飞机、道路、风力机等领域均有较为突出的结冰安全隐患，因此结冰传感器也得到了越来越多的应用。

目前用于结冰探测的技术包括光纤结冰探测技术、图像结冰探测技术、声表面波结冰探测技术、电容式结冰探测技术、谐振式结冰探测技术等，但现有技术均不能测量凝冰率，不能够准确了解结冰的状态，为防冰除冰工作的开展带来了一定的影响。另一方面，现有传感器在实用性方面各有所短，光纤式结冰探测技术具有能够区分冰型的优势，但测量误差较大，难以区分冰和水；图像结冰探测技术实现简单，但容易受霜雾等天气情况影响，测量可靠性不高；声表面波结冰探测技术能够定位结冰位置，但不能准确测量结冰厚度；电容式结冰探测技术能够区分冰与水，但无法测量病后；谐振式结冰探测技术即为本发明所采用的探测技术，方便安装，简单可靠，能够区分冰与水，并且测量准确度高。然而，现有的基于谐振式结冰探测技术的结冰传感器多为谐振筒式传感器，该传感器不能齐平保型安装，应用领域受到限制。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种测量凝冰率的方法与装置，目的在于实现在各种特殊的应用场合(如飞机、风力机、道路、动车组等)高效、可靠地进行结冰预警及探测。装置对冰与水的量程均达到5mm，精度达到0.1mm，独有的凝冰率测量技术进一步强化了结冰预警功能，使结冰预警定量化，具有一定的创新性。另一方面，传感器的工作温度范围涵盖-40℃至+60℃，温度稳定性良好，防护等级高，体积小巧，成产成本较低。

本发明提供了一种测量凝冰率的方法，其特征在于，包括：通过传感器获取目标表面水膜的厚度信息；通过传感器检测目标表面温度；根据温度与水膜信息判断目标表面是否开始结冰；通过水膜厚度信息预测目标表面水膜完全结冰时冰层厚度，并依据传感器的测量原理反演出完全结冰时传感器输出的对应物理量ui，如频率或电压值等；通过结冰过程中传感器输出的物理量uo及之前获取的信息依据特定公式可以计算出凝冰率。

所述通过传感器获取目标表面水膜的厚度信息，具体包括：传感器具有以同一原理测量水膜厚度以及冰层厚度的能力，且均以同一种物理量u表征，如电流、电压或频率等。

所述根据温度与水膜信息判断目标表面是否开始结冰，具体包括：若传感器监测出目标表面存在水膜，且温度高于冰点，则认为不具备结冰条件；若传感器监测出目标表面存在水膜，且温度低于冰点，则认为具备结冰条件，装置开始计算凝冰率。

所述通过水膜厚度信息预测目标表面水膜完全结冰时冰层厚度，并依据传感器的测量原理反演出完全结冰时传感器输出的对应物理量ui，如频率或电压值，具体包括：传感器探测到水膜后可得出水膜厚度，一般情况下水膜结冰后体积会膨胀，因此当水膜完全结冰厚度大约会增加至原来的1.1倍；依据传感器的测量原理，可以反演出水膜完全结冰时对应的物理量ui，如频率或电压等，与水膜状态时的物理量uw共同组成了计算凝冰率的必要条件。

所述通过结冰过程中传感器输出的物理量uo及之前获取的信息依据特定公式可以计算出凝冰率，具体包括：当水膜开始结冰，可测得结冰过程中任意状态下的物理量uo，将定义为凝冰率。凝冰率直接定量地反映了水膜结冰的程度。

本发明提供了一种测量凝冰率的装置属于一种结冰传感器，包括平膜膜片(1)、温度传感器(2)、防水硅胶环(3)、传感器底座(4)、电源及通讯线缆(5)、传感器外壳(6)、信号处理电路(7)、信号线(8)及上位机软件，其特征在于：平膜膜片(1)通过谐振频率反映装置表面冰层或水膜的厚度信息；温度传感器(2)获取平膜膜片(1)温度信息，为后续软件判断提供依据；信号处理电路(7)驱动平膜膜片(1)振动，处理谐振频率信号及温度信号并将信号发送至上位计算机；传感器外壳(6)是平膜膜片(1)的基座，壳体内容纳了信号处理电路(7)及温度传感器(2)，为平膜膜片(1)、信号处理电路(7)、温度传感器(2)提供保护并具有电磁屏蔽的功能；上位机软件安装于上位计算机内，具有对信号处理电路发送的信息进行计算、显示、查询、存储等功能。

所述平膜膜片(1)可由信号处理电路(7)驱动从而产生谐振，当膜片表面有冰层、水膜或冰水混合物时，谐振频率相应改变，从而达到测量冰层、水膜厚度及冰水混合物凝冰率的目的。

所述温度传感器(2)具有精度高、响应快的特点，安装位置紧贴平膜膜片(1)，实时测量膜片的温度。

所述信号处理电路(7)具有输出不同频率波形的功能，能够驱动平膜膜片(1)进行谐振，并同时采集平膜膜片(1)的谐振信号及温度传感器(2)的温度信号，将信号通过rs485、can或以太网等通讯方式传输给上位计算机。

所述传感器外壳(6)及底座(5)坚固耐磨，简单小巧，具有良好的气密性，平膜膜片(1)安装于外壳表面与冰层或水膜直接接触，信号处理电路(7)安装于壳体内，电源及通讯线缆(5)由壳体上连接器处引出。

所述上位机软件安装于上位计算机中，上位计算机通过电源及通讯线缆(5)与传感器相连，上位机软件能够对传感器采集的谐振频率、温度等信号进行融合处理，依据谐振频率的变化规律及温度的高低进行传感器负载状态判断，共有四种负载状态：空载、水、冰、冰水混合物。同时，通过谐振频率的高低等信息，上位机软件可以计算出水膜或冰层的厚度以及冰水混合物在结冰过程中的凝冰率。

所述凝冰率的测量，是将平膜膜片(1)的谐振频率信息和温度变化规律进行综合处理而实现的。装置在负载为水膜的状态下谐振频率较初始值下降，在负载为冰层的状态下谐振频率较初始值上升。在负载为水膜状态时，装置可测得水膜厚度hw，此时的谐振频率为fw，依据传感器内部标定数据可计算出若水膜完全结冰，则对应的谐振频率为fi。当水膜开始结冰，可测得结冰过程中任意状态下的谐振频率fo，将定义为凝冰率。凝冰率直接定量地反映了水膜结冰的程度。

装置在工作时，测量的数据包括谐振频率及温度。当负载为水膜时，谐振频率fw小于空载频率fe，且温度tw高于冰点to，因此可以判断为积水，再通过存储于软件中的标定数据计算出fw对应的水膜厚度hw；当负载为冰层时，谐振频率fi大于空载频率fe，且温度ti低于冰点to，因此可以判断为结冰，再通过存储于软件中的标定数据计算出fi对应的冰层厚度hi；当负载为水膜，且温度由高于冰点to的tw逐渐下降至冰点to以下的ti，谐振频率将由fw逐渐上升至fi，在结冰过程中的任意状态下，温度为to，谐振频率为fo，则此时可判断为正在结冰，且凝冰率为

本发明凝冰率计算方法独特，实施简便，效果较佳，测量装置结构简单，重量轻，便于安装及维护，可应用于道路结冰预警、风力机结冰预警、飞行器结冰预警、动车组结冰预警等领域，且具有较高的稳定性与可靠性，可依据膜片的温度对测量结果进行补偿，对水膜和冰层厚度的测量精度高。

【附图说明】

图1为本发明一种测量凝冰率的方法与装置的方法流程图；

图2为本发明一种测量凝冰率的方法与装置的装置结构示意图；

图3为本发明一种测量凝冰率的方法与装置的装置空载时数据示意图。

图4为本发明一种测量凝冰率的方法与装置的装置测量水膜时数据示意图。

图5为本发明一种测量凝冰率的方法与装置的装置测量结冰时数据示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2所示为本发明的一种实施例，装置外形可以为任意方便制造或安装的形状，本实施例中传感器为圆柱体形。平膜膜片(1)以螺纹形式带导电胶固定于传感器外壳(6)上，温度传感器(2)紧贴于平膜膜片(1)侧面，也以螺纹形式带胶固定于传感器外壳(6)上。信号线(8)连接了平膜膜片(1)及信号处理电路(7)，电源及通讯线缆(5)从信号处理电路(7)上引出，穿过传感器底座(4)至传感器外。信号处理电路(7)通过螺钉固定在传感器外壳(6)上，传感器底座(4)与传感器外壳(6)通过螺纹连接，防水硅胶环(3)置于传感器底座(4)中起防水密闭作用。

其工作流程：如图3所示，实线为谐振频率，虚线为温度，装置时，谐振频率为fe，温度在冰点to以上任意波动，平膜膜片(1)谐振频率不变，上位机软件判断为空载；如图4所示，装置在t1时刻前为空载状态，在t1时刻在平膜膜片(1)上加载厚度为hw的水膜，谐振频率立刻下降为fw，温度在冰点to以上任意波动，平膜膜片(1)谐振频率保持不变，上位机软件通过对比谐振频率标定数据判断为积水，厚度hw；如图5所示，装置在t1时刻前为空载状态，在t1时刻在平膜膜片(1)上加载厚度为hw的水膜，温度在冰点to以上任意波动，在t2时刻温度下降至冰点to，并且之后保持在冰点以下，从t2时刻开始，谐振频率逐渐上升，至t3时刻结冰完成，谐振频率上升至fi并保持稳定，上位机软件在t2时刻之后判断为结冰状态，并在任意时刻依据公式计算凝冰率，其中fo为任意时刻谐振频率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。