Значительная часть автодорог оборудованы автоматическими системами метеорологического обеспечения (АСМО). В соответствии с требованиями нормативных документов (ОДМ, 2009) дорожные станции АСМО должны включать специализированные датчики температуры поверхности автодороги, которые измеряют температуру поверхности Тп и температуру внутри дорожной одежды Тгл.
Такие датчики носят название контактных, т.к. измеряют температуру в точках соприкосновения датчика с объектом измерения. В качестве чувствительных элементов, как правило, используются резистивные элементы на основе благородных металлов. Элементы воспринимают температуру в точке касания и изменяют электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Значение электрического сопротивления передается в систему для дальнейшей обработки. Таким образом система получает информацию о температурах Тп и Тгл в дорожной одежде.
В последние годы большое распространение получили бесконтактные датчики температуры дорожного покрытия. Эти датчики представляют собой пирометр — то есть измеритель мощности теплового излучения. Их широкое распространение обусловлено появлением на рынке недорогих пирометров на диапазон температур от -400 С до нескольких сот градусов Цельсия.
Как известно, любое нагретое тело излучает электромагнитные волны в широком спектральном диапазоне. Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела описывается формулой Планка.
λ — длина волны излучения,
k — постоянная Больцмана,
T — абсолютная температура,
c — скорость света в вакууме,
h — постоянная Планка.
Полная испускательная способность описывается формулой Стефана-Больцмана.
Где σ — постоянная Больцмана, равная 5,67.10-8 Вт/К4/м2 , ε — излучательная способность тела, которая зависит от материала и состояния поверхности тела. Может изменяться от 0 (абсолютно белое тело) до 1 (абсолютно черное тело).
Из формулы Стефана-Больцмана видно, что чем выше температура, тем мощнее тепловое излучение. В пирометре тепловое излучение фокусируется на чувствительном элементе, который называется болометр, и по изменению его температуры можно судить о температуре удаленного объекта. Для фокусировки электромагнитного излучения необходима оптическая система. Максимум излучения по формуле Планка определяется законом смещения Вина.
Где b — постоянная Вина, равная 2.9.10-3 м.К. Подставив в эту формулу Т=300К, получим, что максимум теплового излучения тел, нагретых до комнатной температуры, приходится на длины волн порядка 10 мкм. Это дальний ИК-диапазон, для которого оптическая система должна изготавливаться из материалов, прозрачных в этом диапазоне длин волн.
Классическим материалом для этого диапазона является германий. Однако германиевая оптика очень дорогостоящая. Но в последнее время было освоено производство так называемых халькогенидных стекол, линзы из которых по цене сравнимы со стеклянными оптическими линзами. Благодаря этому удается получить пирометр, у которого область на дороге, температура которой измеряется, не превышает метра, а сам пирометр может быть установлен на расстоянии более десяти метров.
Для диэлектрических материалов излучательная способность порядка 0.9 и достаточно слабо зависит от материала. С учетом неопределенности излучательной способности и точности определения нагрева болометра, абсолютная точность определения температуры у пирометров — порядка 10 С, при этом разрешающая способность на порядок лучше — 0.10 С. Нижняя граница измеряемой температуры у пирометров не ниже -400 С. Это связано с тем, что плотность теплового излучения, как следует из формулы Стефана-Больцмана, очень быстро падает с температурой, что делает регистрацию излучения холодных тел затруднительной.
ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ И ЕЕ ПРОГНОЗ ВО МНОГОМ ОПРЕДЕЛЯЮТ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ ПО СОДЕРЖАНИЮ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ.
Главное преимущество использования пирометров для измерения температуры дороги — это то, что не требуется устанавливать датчики в полотно, нарушая его целостность.
Однако бесконтактные датчики не лишены ряда принципиальных недостатков. Для определения близости температуры дороги к точке замерзания воды абсолютной точности в 1 градус С может быть недостаточно. Также пирометр измеряет температуру довольно большого по площади участка дороги, а следовательно, усредняет температуру по этому участку. Но при определенной интенсивности движения температура в колее может заметно отличаться от температуры в межколейном промежутке. Другой принципиальный недостаток бесконтактного метода — это то, что при наличии на поверхности дороги слоя воды и, тем более, снежного наката, пирометр будет определять температуру верхнего слоя отложения, а не температуру дорожного полотна, что существенно искажает точность прогноза температуры дороги.
Состояние поверхности определяет суммарный тепловой поток через верхний слой дорожной одежды. G — удельный тепловой поток в дорогу, вычисляется в результате решения уравнения теплопроводности на основе данных дорожных метеостанций;
S — прямая солнечная радиация, т. е. тепловой поток, обусловленный прямым солнечным излучением с учетом отражательной способности поверхности дороги;
D — рассеянное солнечное излучение, обусловлено рассеянием прямого солнечного излучения в атмосфере и облаках;
R — инфракрасное излучение, обусловленное тепловым излучением с поверхности дороги;
H — тепловой поток, обусловленный испарением;
L — латентный тепловой поток, определяется энергией, которая необходима для перевода тела из данного агрегатного состояния в другое агрегатное состояние. Этим потоком определяется возникновение льда на поверхности дороги;
F — иные тепловые потоки тех ногенного характера (основная составляющая определяется интенсивностью транспортного потока).
Для дорог с асфальтобетонным покрытием составляющими теплового потока являются радиационные потоки (S,D,R), скрытые потоки (H,F) и тепловой поток G в верхнем слое дорожной одежды, который определяется теплопроводностью этого слоя. Баланс (сумма) потоков определяет температуру и состояние поверхности автодороги. Тепловой поток G, его величина и направление определяются разностью температур где L — расстояние между датчиками автодороги, k — постоянная теплопроводности асфальтобетона на поверхности и в глубине дорожной одежды (C.Jansson, 2006).
Температура поверхности и ее прогноз во многом определяют технологии выполнения работ по содержанию автомобильных дорог, выбор материалов для работ и являются важнейшими показателями для дорожных служб. Отсутствие показателя Тгл в АСМО в случае применения только датчиков пирометрического типа не позволяет определять тепловой поток G и, следовательно, не позволяет производить расчет прогноза изменения температуры Тп на поверхности автодороги.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установка датчиков в поверхностный слой дорожной одежды позволяет измерять температуру на поверхности и в глубине дорожной одежды. Такое решение позволяет обеспечивать дорожные службы необходимыми данными для высококачественного выполнения работ по содержанию автомобильных дорог в течение всего года (зима, весна, лето). Бесконтактные датчики температуры дороги (пирометры) могут использоваться только как дополнительные устройства, совместно с контактными датчиками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. C.Jansson E.Almkvist,P-E.Jansson Heat balance of an asphalt surface: oservations and physically-based simulations [Журнал] // Meteorol.Appl., 13,. — Stocholm : [б.н.], 2006 г.. — стр. 203-212.
2. ОДМ Методические рекомендации по специализированному прогнозу состояния дорожного покрытия [Статья] // ОДМ 218.2.003 — 2009. — Москва : ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР», Москва, Звездный бульвар, д.21, стр.1, 2009 г.