JP2005509887A - 道路の凍結点をモニタするシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 道路の液体の凍結点を正確に測定すること。
【解決手段】 改良された道路凍結点モニタシステムおよび方法は道路上の液体の凍結点を正確に測定するための改良されたサンプルウェルを含み、デジタルアドレスおよび温度情報を送受信し、電力を受けるために2本の導線しか必要としない温度センサを使用し、道路上の液体の凍結点を検出するための改良されたアルゴリズムを使用し、検出された凍結点を証明するのに伝導度測定値を使用し、インターネットを介してリモートコンピュータへ温度情報を伝送するようになっている。
【解決手段】 改良された道路凍結点モニタシステムおよび方法は道路上の液体の凍結点を正確に測定するための改良されたサンプルウェルを含み、デジタルアドレスおよび温度情報を送受信し、電力を受けるために2本の導線しか必要としない温度センサを使用し、道路上の液体の凍結点を検出するための改良されたアルゴリズムを使用し、検出された凍結点を証明するのに伝導度測定値を使用し、インターネットを介してリモートコンピュータへ温度情報を伝送するようになっている。
Description
道路に凍結点降下剤を散布することは、これまで長い間、氷が形成されないようにする1つの方法であった。これまで氷が発生する恐れが高い領域には専用のメンテナンス車両で凍結防止用固体または液体薬剤を塗布していた。凍結が生じる前に道路に凍結防止薬剤を塗布することが重要である。このようにすることにより氷と道路との間に結合が生じるのが防止されるからである。自動車のラジエータ内の凍結防止剤が凍結を防止するのと同じように、凍結降下剤は道路上の液体の凍結点を降下させることによってこのような凍結の防止を行っている。
これを良好に行うためには、高速道路機関は現在の道路状態が薬剤の散布を保証できるかどうかについて知っていなければならない。現在の状態に対して適当な濃度の薬剤が路面にある場合、更に凍結点降下剤を散布することは不要であり、コストがかかり、環境に影響を与える。道路天候情報システム(RWIS)およびそれらに関連する舗装センサは高速道路機関が現場に要員を送らなくても現在の道路状態をモニタできる、コスト的に有効な1つの方法である。多くのRWISシステムは集中交通管理センターに現在の道路状態に関する情報を送ることができ、管理センターでは更に凍結点降下剤を散布するかどうかの判断を行うことができる。
一部の高速道路の場所、例えば橋およびオーバーパス道路では他の部分よりも一般に凍結時間が長い。かかる場所に凍結防止剤を載せたトラックを派遣する出費は高くつくので、多くの高速道路機関は固定式の凍結防止システムを設置している。これらシステムは舗装およびその他のRWISセンサがレポートするような現在のローカル条件に基づき、散布するのに最も適した時間を自動的に決定する。RWISシステムの最も重要な部品の1つは舗装センサである。その理由は、この舗装センサは道路の現在の状態を測定できるからである。
最も簡単な形態の舗装センサは路面の温度を測定する温度計から構成できる。しかしながら、温度だけを測定しても結氷するかどうかの判断をするための充分な情報を与えることはできない。その理由は、道路にある液体の正確な濃度が分からないからである。例えば道路の温度は水の凍結点である0℃近くになり得る。このことは結氷の可能性があることを意味するが、前に凍結防止剤を塗布したことによって道路上の液体の凍結点が降下している可能性がある。降雨およびその流出水も前に道路に散布された凍結防止剤を希釈している可能性がある。道路の現在の凍結点を最も正確に測定するには、道路上の実際の液体のサンプルを分析しなければならない。これを行う1つの方法は道路上の溶液の小さいサンプルを凍結させ、その凍結点を測定することである。かかるセンサは路面上の液体の状態を積極的に変えるので、かかるセンサはアクティブセンサとして知られている。
次の章は、道路の現在の状態を正確に予測するセンサ能力を高めるユニークな特徴を有する新規なアクティブ舗装センサについて述べるものである。
一般的な概論では、図示された舗装センサは次の特徴の1つ以上を含み、これら特徴は単独または組み合わせで使用できる。
図示された凍結点センサはサンプルウェルとアクティブ冷却器との間に位置する熱リンクと良好に熱接触する表面を有するサンプルウェルを含む。このサンプルウェル内のサンプルに良好に熱接触した状態で温度センサが配置されている。
開示する凍結点センサは更に冷却中のサンプルの伝導度を評価することにより、アクティブ冷却器および温度センサにより測定される凍結点を確認する。
図示されたセンサモジュールは凍結曲線(温度対時間のプロット図であって、凍結温度よりも高い温度のサンプルを用いて開始され、サンプルの温度が凍結温度よりも低くなるまで続く)を測定し、次に凍結曲線の形状を評価することにより、サンプルの凍結温度を決定する。開示するアルゴリズムは水平または若干下向きであって、(1)凍結曲線の時間2次微分がスレッショルド値を越えた後、または(2)曲線の時間1次微分が正のスレッショルド値を越えた後に生じる傾きを有する凍結曲線の領域を探す。開示されたシステムはシステムの性能を高めるために多数の温度測定値にラインをあてはめる。
開示されたシステムはグローバルにユニークなアドレスを有する2線式温度センサを使用している。温度センサ用の電力および温度センサとの間でやりとりされるデジタル信号はわずか2本の導線しか含まない一組のケーブルによって搬送される。
温度情報はグローバルにユニークなアドレスを有する温度センサから基地局へ伝送され、基地局はネットワーク、例えばインターネットを介してリモートコンピュータへ温度情報を伝送する。
この章は一般的な概論としてしか記載されておらず、特許請求の範囲を狭くするものではない。
次に図面を参照する。図1はアクティブ舗装センサモジュール10の等角図を示し、次の章はモジュール10の測定能力について説明する前にモジュール10の機械的構造および電子回路についてまず説明する。
モジュール10の外側は下方ハウジング12とカバー14とによって形成されている。下方ハウジング12はケーブル18を介してリモート局(図1では図示されず)に接続されており、下方ハウジング12はモジュール10の上部表面が道路の表面とほぼ面一となるように道路のリセスに取り付けられるようになっている。単なる例として、一実施例では下方ハウジング12は直径が約12.7cm(約5インチ)であって、高さが約5.08cm(2インチ)である。この例では、カバー14は内部の電子回路にアクセスし、内部の電子回路およびソフトウェアに対するサービス、較正およびアップグレードを容易にするために、下方ハウジング12に取り外し自在に取り付けられている。
この非限定的例では、カバー14は隣接する路面の特性および色に類似した熱特性および色(例えば約0.24W/m・Kの熱伝導度)を有する熱絶縁材料から形成されている。カバー14に対し、かかる熱絶縁材料を使用することによって、カバーが道路の温度をトラッキングするのを保証するだけでなく、凍結点検出が作動している間、カバーに集まる液体をアイソレートするのに役立っている。この非限定的例では、下方ハウジング12はセンサモジュール10が発生する熱の除去を容易にするために、熱伝導性材料から製造されている。下方ハウジング12の頂部にはカバー14に対して使用されたのと同じ絶縁性材料のリングが固定されている。これによってモジュール10を道路に固定するのに使用されたグラウト材料に頂部カバー14が接着状態となるのが防止される。
図2に示されるように、頂部カバー14は路面からの少量の液体を収集するためのサンプルカップ16を形成する。モジュール10はサンプルカップ16内に含まれる液体の温度を測定するためのサンプルカップ16に隣接するサーミスタ24のような温度センサを含む。この例では、2つの伝導性プローブ22がサンプルカップ26に隣接して取り付けられている。
図1には外部温度プローブ300も示されている。道路の温度はセンサモジュール10の下方ハウジング12に埋め込まれた温度計により測定できるが、外部プローブ300内の温度センサ302によって、より正確な測定を行うことができる。本願ではセンサ自身から若干の距離にあるモニタ中の道路の表面から2.54cm(1インチ)以内に埋め込むことができる。これとは異なり、外部プローブ300を道路の表面下の温度を測定するために、道路の表面から数センチまたは数10センチ(数インチまたは数フィート)の深さに埋め込むことができる。この情報は将来の温度がどうなるかを推定するために、道路の温度プロフィルを使用するアルゴリズムで有効である。
後述するデジタルの2線式温度センサを使用することにより、数個の温度センサ302を含むように温度プローブ300を再構成できる。これらセンサは同じ2線式バスを通して電力を受け、通信するようになる。この構造では道路内の多数の異なる位置で温度を測定するように温度プローブ300を長くすることができる。同様に、温度センサ300は垂直方向に設けてもよく、この場合、内側センサが道路の温度プロフィルを測定する。このようにネットワークのためのデータのすべておよび電力が同じ2線式バスを通して転送される状態で、道路の三次元温度プロフィルを収集するように温度プローブ300を構成できる。
図2は、サンプルカップ16の相対的サイズおよび位置だけでなく、サーミスタ24および2つの伝導度プローブ22上に位置するサンプルウェル20の位置も示している。図2では、サンプルウェル20の横断面の面積A1はサンプルカップ16の横断面の面積A2よりも実質的に狭くなっている。本例ではサンプルカップ16は平面図において全体が三角形の形状となっているが、そのようにする必要はない。この形状によってアクティブ冷却動作中に冷却しなければならないサンプルカップ16および含まれるサンプルの熱容量を最小にしながら、伝導性プローブ22およびサーミスタ24に対して必要な空間を提供している。
図3はサンプルウェル20の中心を通る横断面図である。図3に示されるように、サンプルカップの下方表面36はアクティブ冷却器30、すなわちペルチエ冷却器と共にコールド熱リンク32として機能するアルミ製プレートによって形成されている。アルミニウムは熱伝導性が比較的高く、熱容量が比較的小さいので、コールド熱リンク32をアルミから形成することが好ましい。このコールド熱リンク32の目的は、サンプルカップ16内の溶液との間で熱を交換することであり、高い熱伝導性によってコールド熱リンク32の性能が高くなっている。同様に、コールド熱リンク32に対する熱容量が低いことによって、リンク32の応答時間が改善されている。サンプルカップ16はカバー14の絶縁材料によって形成された表面38も含む。従って、サンプルカップ16はカバー14内の開口部40として形成されている。アクティブ冷却器32の、コールド熱リンク32と反対側には、ホット熱ライン34が設けられており、このホット熱リンクはアクティブ冷却器30から環境へ熱を交換するのに使用される。
図3にも示されているように、サーミスタ24を取り付けているハウジング26のすぐ上にはサンプルウェル20が位置している。このサンプルウェル20の第1表面112はハウジング20と、従ってサーミスタ24と良好に熱接触している。コールド熱リンク32にはサンプルウェル20の第2表面44(この表面はウェル20の円周の少なくとも半分のまわり、より好ましくはウェル20の円周の70%のまわり、最も好ましくはウェル20の全周のまわりに延びることが望ましい)が良好に接触している。特にサンプルウェル20の第2表面44に密に隣接するコールド熱リンク32の熱伝導度は、1W/m・Kより大であること、より好ましくは5W/m・K、より好ましくは50W/m・K、および最も好ましくは100W/m・Kより大である。このコールド熱リンク32はウェル20内のサンプルからコールド熱リンク32への熱流に対して実質的に悪影響を及ぼすことなく、第2表面44に隣接する、より小さい熱伝導度を有する薄膜(すなわち腐食層)を有してもよく、上記のように示された伝導性の値はコールド熱リンク32のバルク材料に対するものである。サーミスタ24は絶縁ワッシャー28によりコールド熱リンク32から熱的にアイソレートされている。このような構造は、凍結点検出動作の際に凍結中の液体の小さい部分をアイソレートする。サンプルウェル20内の液体はサーミスタ24に良好な熱伝導状態となり、第2表面44を介してコールド熱リンク32にも良好に熱接触する。本例では、第2表面44はサンプルウェル20のすべての面を完全に囲んでいる。サーミスタ24は部分的にワッシャー28によって絶縁されているので、コールド熱リンク32にはあまり強力にはリンクされていない。
この例では、サーミスタのハウジング26は約200W/m・Kの熱伝導度を有するアルミから形成されている。このようにアルミを使用することによって、ハウジング26の熱質量が小さくなり、サーミスタの応答時間が短縮される。
図3には示されていないが、サーミスタ24のためのリード線はサーミスタのハウジング26の外側のまわりに密に、一般的には約3回巻くことが好ましい。これによってリード線に対するヒートシンクが得られる。リード線は一般に高熱伝達性材料、例えば銅から製造されるので、これらリード線を伝導性ハウジング26にヒートシンクすることによって、リード線を通過する熱流を緩和できる。これによってリード線を介したサーミスタ241への熱流が少なくなり、高温の測定の誤差も少なくなる。
図3にはサーミスタ24の下方の領域に加えられるポッティング材料は示されていない。本例では、サーミスタ24の下方の全領域は高強度の低熱伝導性エポキシが満たされている。これによって部品のすべての位置が固定され、カバー1への強度が高くなり、リークも少なくなる。
図4は伝導度プローブ22の中心を通過する横断面である。これらプローブ22は各伝導度プローブ22の各端部に設けられた熱かつ電気絶縁性ワッシャー45により、サンプルカップ16を形成するコールド熱リンク32から電気的かつ熱的にアイソレートされている。本例における伝導度プローブは取り付けナット47により所定位置に保持されている。アセンブリ全体は上記エポキシポッティング材料によって囲まれている。
モジュール10内で使用するのに多くの材料が適している。例えば表1の材料が適当であることが判っている。
表 1
部品 適当な材料および寸法
カバー14 MDSで満たされたナイロン6/6
プローブ22 ステンレススチール
ハウジング26 6061−T6アルミ
ワッシャー28 ナイロン6/6、厚み約1.6mm(0.063インチ)
コールドリンク32 6061−T6アルミ、厚み1.6mm(0.063インチ)
ホットリンク34 6061−T6アルミ
エポキシ スコッチ溶着1838−L B/Aエポキシ
部品 適当な材料および寸法
カバー14 MDSで満たされたナイロン6/6
プローブ22 ステンレススチール
ハウジング26 6061−T6アルミ
ワッシャー28 ナイロン6/6、厚み約1.6mm(0.063インチ)
コールドリンク32 6061−T6アルミ、厚み1.6mm(0.063インチ)
ホットリンク34 6061−T6アルミ
エポキシ スコッチ溶着1838−L B/Aエポキシ
サンプルウェル20はサンプルカップ16内の少量の液体を捕捉する。このウェル20はコールド熱リンク32とこのサンプル、すなわち水との間の距離を短くすることにより、サーミスタ24の直接上方の水への熱流を多くする。
サーミスタウェル20を使用することにより、良好な熱伝導の他に別の利点が得られる。コールド熱リンク32はサーミスタ24の直接上の水よりもより短時間で冷却する。これによってリンク32上の水の凍結が促進され、このことにより種結晶が得られ、サーミスタ24上の水は少ない過冷却で凍結できる。リンク32上の水のこのような予備凍結はサーミスタウェル20内のサンプルが通過車両によって生じる跳ね返りを受けないように保護できるという別の利点がある。
モジュール10の電子回路の説明
この非限定適例では、センサモジュール10は次の主な部品を含む。
この非限定適例では、センサモジュール10は次の主な部品を含む。
コントローラ
システムに対してプログラマブルコントローラが制御および分析機能を与えている。このコントローラは18.432MHzで作動する8ビットのマイクロプロセッサと、48Kのフラッシュメモリと、128KのRAMとを含む。このコントローラはダイナミックC言語を介してプログラムされるZ−ワールドラビットコア、モデルRCM2020で実現できる(図3)。このコントローラは道路の温度、道路の湿分およびサンプルカップの温度をモニタする役割を果たす。このコントローラは道路上の液体の凍結点および結露警告または霜警告を発生するのが適当であるかどうかも計算する。このコントローラは子基板のRS−485トランシーバを介してマスターコントローラと通信する。このコントローラは添付した付属書1のプログラムを実行できる。付属書1は次のフォーマット:NNAAAATTDD1DD2DD3....DDNCCのASCII記録から構成される。:はどの記録も開始させる。各文字は次の意味を有する16進ニブルを示す。
NN− 記録内のデータバイトの数である。ダイナミックC言語で生成された16進ファイルに対し、この数は拡張アドレス記録に対しては02、データ記録に対しては20、またはEOF記録に対しては00のいずれかである。
AAAA− 16ビットのアドレスである。これはインテル社のリアルモードのアドレス指定を使用した宛て先アドレスのオフセット部分である。リアルモードアドレスのセグメント部分はデータ記録に先立つファイル内の拡張アドレス記録から決定される。メモリデバイスへの物理的オフセットはセグメントを左へ4ビットシフトし、オフセットを加算することによって計算される。
TT− 記録のタイプである。ダイナミックC言語で生成された16進ファイルに対しては、これは拡張アドレスレコードに対しては02、データレコードに対しては00またはEOF記録に対しては01のいずれかとなる。
DD1− データバイトである。
CC− 記録内の前のすべてのバイトのうちの8ビットチェックサムである。チェックサムの2の補数が使用される。
付属書1は著作権のある資料を含み、よって著作権所有者は本明細書の一部として付属書1を複製する権利を除く、付属書1におけるすべての権利を留保する。
システムに対してプログラマブルコントローラが制御および分析機能を与えている。このコントローラは18.432MHzで作動する8ビットのマイクロプロセッサと、48Kのフラッシュメモリと、128KのRAMとを含む。このコントローラはダイナミックC言語を介してプログラムされるZ−ワールドラビットコア、モデルRCM2020で実現できる(図3)。このコントローラは道路の温度、道路の湿分およびサンプルカップの温度をモニタする役割を果たす。このコントローラは道路上の液体の凍結点および結露警告または霜警告を発生するのが適当であるかどうかも計算する。このコントローラは子基板のRS−485トランシーバを介してマスターコントローラと通信する。このコントローラは添付した付属書1のプログラムを実行できる。付属書1は次のフォーマット:NNAAAATTDD1DD2DD3....DDNCCのASCII記録から構成される。:はどの記録も開始させる。各文字は次の意味を有する16進ニブルを示す。
NN− 記録内のデータバイトの数である。ダイナミックC言語で生成された16進ファイルに対し、この数は拡張アドレス記録に対しては02、データ記録に対しては20、またはEOF記録に対しては00のいずれかである。
AAAA− 16ビットのアドレスである。これはインテル社のリアルモードのアドレス指定を使用した宛て先アドレスのオフセット部分である。リアルモードアドレスのセグメント部分はデータ記録に先立つファイル内の拡張アドレス記録から決定される。メモリデバイスへの物理的オフセットはセグメントを左へ4ビットシフトし、オフセットを加算することによって計算される。
TT− 記録のタイプである。ダイナミックC言語で生成された16進ファイルに対しては、これは拡張アドレスレコードに対しては02、データレコードに対しては00またはEOF記録に対しては01のいずれかとなる。
DD1− データバイトである。
CC− 記録内の前のすべてのバイトのうちの8ビットチェックサムである。チェックサムの2の補数が使用される。
付属書1は著作権のある資料を含み、よって著作権所有者は本明細書の一部として付属書1を複製する権利を除く、付属書1におけるすべての権利を留保する。
子基板の電子回路
子基板の電子回路はA/Dコンバータと、センサ用サーミスタおよび伝導度プローブのための電流ドライバ(図14、16、18および19)と、RS−485トランシーバ回路と、各センサがアドレスを有することができるようにするディップスイッチアレイと、ペルチエ冷却器用ドライブ回路(図15)と、入力電圧をレギュレートするための電力レキュレータ(図17)とを含む。更に子基板は二線式外部デジタル温度センサへのインターフェース回路(図18)も含む。路面温度を測定するのにこれら温度センサを使用することができ、路面温度および必要な場合にはその他のパラメータ、例えば表面下の温度を測定するのにこれら温度センサを使用できる。
子基板の電子回路はA/Dコンバータと、センサ用サーミスタおよび伝導度プローブのための電流ドライバ(図14、16、18および19)と、RS−485トランシーバ回路と、各センサがアドレスを有することができるようにするディップスイッチアレイと、ペルチエ冷却器用ドライブ回路(図15)と、入力電圧をレギュレートするための電力レキュレータ(図17)とを含む。更に子基板は二線式外部デジタル温度センサへのインターフェース回路(図18)も含む。路面温度を測定するのにこれら温度センサを使用することができ、路面温度および必要な場合にはその他のパラメータ、例えば表面下の温度を測定するのにこれら温度センサを使用できる。
センサカップの温度測定
子基板はセインツ温度ドライバおよび16ビットのA/Dコンバータを介してサンプルカップのサーミスタ24の測定を行う(図14、18および19)。
子基板はセインツ温度ドライバおよび16ビットのA/Dコンバータを介してサンプルカップのサーミスタ24の測定を行う(図14、18および19)。
外部二線式温度測定
この非限定的例では、ダラスセミコンダクタ社のデジタル二線温度センサ(一線式センサとして知られる)を使って外部温度が測定される。これらセンサはデータと電力の双方を伝送するのに2本の導線しか使用しないので、二線式センサの一例となっている。これらセンサはデータラインがハイステートにあるときはいつもデータラインから電力を誘導する。更にこれらセンサの各々は自己の、グローバルにユニークなアドレスを有する。このことは、同じ二線式バスに多数のセンサを置くことができることを意味する。更に、これらセンサはデジタル式であるので、これらセンサをホストセンサから遠隔地(300mまで、またはそれ以上)に設けることができる。
この非限定的例では、ダラスセミコンダクタ社のデジタル二線温度センサ(一線式センサとして知られる)を使って外部温度が測定される。これらセンサはデータと電力の双方を伝送するのに2本の導線しか使用しないので、二線式センサの一例となっている。これらセンサはデータラインがハイステートにあるときはいつもデータラインから電力を誘導する。更にこれらセンサの各々は自己の、グローバルにユニークなアドレスを有する。このことは、同じ二線式バスに多数のセンサを置くことができることを意味する。更に、これらセンサはデジタル式であるので、これらセンサをホストセンサから遠隔地(300mまで、またはそれ以上)に設けることができる。
これら3つの特徴(すなわち簡単な二線式バスと、グローバルにユニークなアドレスと、デジタル通信)によって、これらセンサには従来の検出技術、例えば個々に接続されるセンサよりも経済的な利点が得られる。例えば一連の5つのこれらセンサを使って異なる5つの深さにおける道路の温度を測定することができる。別の用途は、多数の位置における路面温度を測定することである。従来のセンサの各々は自己のワイヤを必要としており、センサがアナログ信号を発生する場合にはホストセンサからの離間距離が限られていた。バスを通して通信するデジタルセンサが存在しているが、センサを区別するための方法(例えばアドレス)が必要である。これらセンサは一般に別個の電力回路も必要とする。必要なワイヤの量および導線の本数は長く敷設するためのワイヤのコストがワイヤの端部に設けられるセンサのコストを越え得る場合、設計の重要な要素となる。
電気伝導度の測定
精密電流ドライバおよび16ビットA/Dコンバータ内の第2チャンネルを介して2つの伝導度プローブ22の間の抵抗値が測定される(図16)。この回路はセンサカップ16内に存在する伝導度を測定する。プローブ22の間の駆動電流は伝導度プローブ22およびその頂部表面にある液体の分極を制限するように、アナログスイッチによって反転可能である。この回路は乾燥した表面と、精製水でわずかに被覆された表面と、塩の溶液でカバーされた表面とを区別できる。
精密電流ドライバおよび16ビットA/Dコンバータ内の第2チャンネルを介して2つの伝導度プローブ22の間の抵抗値が測定される(図16)。この回路はセンサカップ16内に存在する伝導度を測定する。プローブ22の間の駆動電流は伝導度プローブ22およびその頂部表面にある液体の分極を制限するように、アナログスイッチによって反転可能である。この回路は乾燥した表面と、精製水でわずかに被覆された表面と、塩の溶液でカバーされた表面とを区別できる。
ペルチエ電力回路
このペルチエ電力回路はコントローラが指令するようにペルチエ冷却器30の電源をオンにする(図15)。この回路には適当にペルチエ冷却器30を加熱したり、または冷却できるようにするHブリッジが含まれる。
このペルチエ電力回路はコントローラが指令するようにペルチエ冷却器30の電源をオンにする(図15)。この回路には適当にペルチエ冷却器30を加熱したり、または冷却できるようにするHブリッジが含まれる。
センサの測定機能
センサモジュール10により次の4つのパラメータが測定される。
路面温度
路面の湿分の伝導度
サンプルウェル20内の液体サンプルの温度
表面下の温度(オプション)
センサモジュール10により次の4つのパラメータが測定される。
路面温度
路面の湿分の伝導度
サンプルウェル20内の液体サンプルの温度
表面下の温度(オプション)
これらパラメータはサンプルウェル内の液体の凍結点を判断するだけでなく、結露警告および霜警告を与えるためにコントローラによって使用される
凍結点アルゴリズム
凍結点の決定中、搭載コントローラは時間に対するサンプルカップ内の液体の温度を記憶する。このデータは下記に説明するように液体の凍結温度を測定するのに分析される。下記のアルゴリズムは上記分析の結果得られる凍結曲線の形状を評価し、表面の伝導度はサンプルの凍結を照明するために使用される。
凍結点の決定中、搭載コントローラは時間に対するサンプルカップ内の液体の温度を記憶する。このデータは下記に説明するように液体の凍結温度を測定するのに分析される。下記のアルゴリズムは上記分析の結果得られる凍結曲線の形状を評価し、表面の伝導度はサンプルの凍結を照明するために使用される。
結露警告アルゴリズム
周辺温度が凍結点近くにあり、道路が乾燥している場合、ペルチエ冷却器はサンプルを数度だけ冷却できる。次に湿分が検出された場合、センサは露の切迫した形成および起こり得るブラックアイスを示す結露警告を与える。
周辺温度が凍結点近くにあり、道路が乾燥している場合、ペルチエ冷却器はサンプルを数度だけ冷却できる。次に湿分が検出された場合、センサは露の切迫した形成および起こり得るブラックアイスを示す結露警告を与える。
霜警告アルゴリズム
周辺温度が凍結点以下であり、道路が乾燥している場合、ペルチエ冷却器はサンプルカップを数度だけ冷却できる。ペルチエ冷却器は次に周辺温度に戻るように加熱できる。湿分が検出された場合、センサは霜の切迫した形成を表示する霜警告を与える。
周辺温度が凍結点以下であり、道路が乾燥している場合、ペルチエ冷却器はサンプルカップを数度だけ冷却できる。ペルチエ冷却器は次に周辺温度に戻るように加熱できる。湿分が検出された場合、センサは霜の切迫した形成を表示する霜警告を与える。
凍結点を決定する方法の説明
次の章では、液体の凍結点を検出するためにセンサモジュール10が使用する方法について説明する。この方法は、凍結中に存在する一定の温度条件を探すものであり、温度対時間データに対して一連のラインを連続的にあてはめることによってこれを行っている。この方法は、凍結が生じたかどうかを判断するように、水の電気伝導度も連続的にモニタする。
次の章では、液体の凍結点を検出するためにセンサモジュール10が使用する方法について説明する。この方法は、凍結中に存在する一定の温度条件を探すものであり、温度対時間データに対して一連のラインを連続的にあてはめることによってこれを行っている。この方法は、凍結が生じたかどうかを判断するように、水の電気伝導度も連続的にモニタする。
収集データの説明
上記のように、この方法は凍結する液体の冷却曲線がほとんど水平であるという事実を利用するものである。図5は、凍結温度がほぼ−0.5℃である液体のための冷却曲線を示す。このデータはセンサモジュール10で作動した実際の凍結点検出中に得られたデータである。ペルチエ冷却器30がその冷却器自身の熱質量、コールド熱リンク32およびウェル20内の液体のサンプルを冷却するように作動する際に、図5における冷却曲線は0秒から5秒の間でほぼ水平である。サーミスタ20はペルチエ冷却器30には強くリンクされていないので、応答には遅延もある。約5秒において、曲線は約10秒まで下方に傾き始め、10秒後、ほぼ一定の傾きに達した。この曲線は約17.5秒までこの一定の傾きを続けた。このポイントにおいて、液体は−0.5℃の正常な凍結温度よりも低い−1.2℃まで過冷却された。次に冷却曲線は約21秒まで上に傾き、21秒後、約0.5℃の凍結温度で水平になった。
上記のように、この方法は凍結する液体の冷却曲線がほとんど水平であるという事実を利用するものである。図5は、凍結温度がほぼ−0.5℃である液体のための冷却曲線を示す。このデータはセンサモジュール10で作動した実際の凍結点検出中に得られたデータである。ペルチエ冷却器30がその冷却器自身の熱質量、コールド熱リンク32およびウェル20内の液体のサンプルを冷却するように作動する際に、図5における冷却曲線は0秒から5秒の間でほぼ水平である。サーミスタ20はペルチエ冷却器30には強くリンクされていないので、応答には遅延もある。約5秒において、曲線は約10秒まで下方に傾き始め、10秒後、ほぼ一定の傾きに達した。この曲線は約17.5秒までこの一定の傾きを続けた。このポイントにおいて、液体は−0.5℃の正常な凍結温度よりも低い−1.2℃まで過冷却された。次に冷却曲線は約21秒まで上に傾き、21秒後、約0.5℃の凍結温度で水平になった。
これまで説明し、図5に示した冷却曲線の形状にはばらつきがあることに留意すべきである。このばらつきの一例として、図6はセンサモジュール10で測定された4つの冷却曲線を示す。図6では図5の下方の冷却曲線に「冷却曲線1」の表示がされている。図6に示されたケースのうちの3つ(冷却曲線1、3および4)では、冷却曲線は凝固する前に液体が実質的に過冷却状態になっていることを示す。しかしながら、冷却曲線2は凍結を表示している水平状態となる前に、極めてわずかに過冷却状態になっていることしか示していない。ある範囲の凍結温度を有する液体では、種々の条件で実質的な過冷却状態のない凝固が観測されている。
図6は、一旦凝固が開始した場合に冷却曲線がとり得る異なる傾斜も示している。ほとんど純粋な水である冷却曲線Aおよび2に対し、一旦凝固が開始した場合、曲線がほぼ水平となる。タイプおよび濃度が異なる塩溶液から収集された冷却曲線3および4では、凝固中、冷却曲線が下方に傾く。これはまず最初に溶液内の水が凍結し、濃度が高くなり、残りの溶液も凍結点を下げるからである。傾きを含む曲線の形状、過冷却の量、および凍結中に得られた温度にはセンサ自身の設計に大きく依存することに留意すべきである。例えば部品のいずれかの熱容量、伝導度または幾何学的形状を変えるか、もしくはペルチエ冷却器30、もしくはペルチエ冷却器の電源の特性を変えると、観測される曲線の形状も変わる。冷却曲線の形状を変えるようなセンサの設計に対して行うことのできるその他の変更例は多数ある。図7は図5の冷却曲線と舗装センサの伝導度プローブ22が行った測定とを比較するものである。伝導度の実際の値は温度と、溶液のタイプ、伝導度プローブ22の幾何学的形状および構造を含む多くの要素に応じて決まり、長い間、これら値がサンプリングされてきた。図7における伝導度データに関して重要なことは、凝固中、溶液の伝導度が大幅に低下することである。
現時点で好ましいアルゴリズム
凍結点検出アルゴリズムはこれまでの6つのデータポイントに一連のラインをあてはめることにより、サーミスタ24から得られた温度と時間の関係のデータを分析する。図8はこの曲線のあてはめルーチンからの出力を示す。示されているサンプルカップのサーミスタのデータは図5、6および7に示されたデータと同じである。このライン内のデータポイントのうちの6つはラインのあてはめの1つに使用されるポイントを示すようにハイライト表示されている。25秒時におけるこれらポイントのうちの最後のポイントはこのラインのあてはめにおける最も最新のデータポイントを示す。ラインを一旦あてはめると、前の6つのラインのあてはめの傾きから第2のラインが形成される。この結果、前に計算されたラインの傾きの傾向、すなわち傾きの傾きが得られる。
凍結点検出アルゴリズムはこれまでの6つのデータポイントに一連のラインをあてはめることにより、サーミスタ24から得られた温度と時間の関係のデータを分析する。図8はこの曲線のあてはめルーチンからの出力を示す。示されているサンプルカップのサーミスタのデータは図5、6および7に示されたデータと同じである。このライン内のデータポイントのうちの6つはラインのあてはめの1つに使用されるポイントを示すようにハイライト表示されている。25秒時におけるこれらポイントのうちの最後のポイントはこのラインのあてはめにおける最も最新のデータポイントを示す。ラインを一旦あてはめると、前の6つのラインのあてはめの傾きから第2のラインが形成される。この結果、前に計算されたラインの傾きの傾向、すなわち傾きの傾きが得られる。
図8における上部の3つのラインはラインの傾きb、ラインのあてはめの分散s*10および傾きのの傾きb’を示している。これらパラメータは凍結の判断をするためにあらかじめ設定された値と比較される。この決定を行うために、同時に別個の2つのアルゴリズムが作動する。これらのアルゴリズムのうちの第1のアルゴリズムは潜熱の解放に起因する警告を表示するために冷却曲線における正の傾きを探し、アルゴリズムのうちの第2のアルゴリズムは正の傾きを必要とせず、その代わりにWで示される傾きの大きな変化、すなわち傾きの傾きを探す。
伝導度の測定値は凍結が生じたことを証明するため使用される。凍結の表示として伝導度のみを使用する結果、測定値は信頼性できないものとなる。この理由は、伝導度プローブはサーミスタウェル内の水と必ずしも同じ温度になっていないからである。測定されたコンダクタンスを証明として使用できる。
傾きbは温度測定値の1次時間微分の一例と見なすことができ、傾きb’の傾きを温度測定値の2次時間微分の一例と見なすことができる。
次のパラグラフは、サーミスタウェル内の液体の凍結点を決定するためのセンサアルゴリズムが行う動作を説明するものである。
1.そのときのサンプルカップの温度を読み取る。
2.線形回帰法を使って最後の6つのサンプルカップの温度データのポイントにラインをあてはめる。このラインは次の式で示される。
1.そのときのサンプルカップの温度を読み取る。
2.線形回帰法を使って最後の6つのサンプルカップの温度データのポイントにラインをあてはめる。このラインは次の式で示される。
ここで、aおよびaは定数であり、Tは温度を示し、tは時間を示す。定数aおよびbに対するあてはめ方程式は次のとおりである。
ここで、tおよびTは使用される6つのデータポイントに対するtとTの平均値である。
あてはめの良好性s2は次の式によって計算される。
あてはめの良好性s2は次の式によって計算される。
ここでmはあてはめで使用されるデータポイントの数であり、このラインあてはめの統計値は次の関係式によりアルゴリズムを都合よくするためにs*10の統計値に低減される。
3.次の式を使用して得られる最後の6つのラインの傾きに1つのラインをあてはめることにより、傾きの傾きを計算する。
ここで、b’は傾きの傾きであり、bの値は最後の6つのあてはめられたラインからの傾きである。
4.あてはめ定数から凍結温度に達したかどうかを判断する。センサモジュール10では凍結温度に達したかどうかを判断するために、あてはめられたラインの定数に次の規則を適用した。これら規則はこの特定のデバイスの特性に基づくものであった。他のデバイスはこれら基準に対して異なる値を有する可能性が最も高い。現在では2つの方法を同時に使用する。1つの方法は過冷却された流体による曲線の変化を探す方法であり、他の方法は相当な過冷却を仮定しない方法である。
4.1 過冷却ルーチンでは信頼できるあてはめしか検討しないように、最初の5秒間、データを検討しない。その後、そのときの傾きを常にモニタする。傾きが0.5を越えて大きくなったとき、論理変数「Freeze_Start」を凍結が開始したことを示すTRUEにセットする。このことは、その後のラインのあてはめを凍結曲線における起こり得る高原部として見なすべきことを示している。更に、ペルチエ冷却器30も小電力設定に設定し、この設定でペルチエ冷却器30をオンオフに切り替える。現在の設計では凍結が一旦開始すると、ペルチエ冷却器30を50%のデューティサイクルに設定するようになっている。
4.2 非過冷却ルーチンでは最初の秒の間、データは検討しない。これによって信頼できるあてはめが可能となり、凍結曲線の初期の水平部分も除かれる。この後で、現在の傾きを常にモニタする。傾きが−0.1よりも大となったときに、論理変数Slope_StartをTRUEにセットする。このことは、凍結が始まった可能性があることを示すが、ペルチエ冷却器30はゼロパワーで続く。次に、b’パラメータ、すなわち傾きの傾きをチェックする。このパラメータが0.05より大となったときに凍結が始まったと判断し、「Freeze_Start」をTRUEにセットする。次に、その後のラインのあてはめを凍結曲線における起こり得る高原部と見なし、ペルチエ冷却器30を4.1で説明したように、低電力設定値に設定する。
4.3 上記条件のうちの1つが満たされた(かつ「Freeze_Start」がTRUEにセットされた)場合、現在のラインあてはめのパラメータが凍結を表示するあらかじめ設定された境界内に入るかどうかを見るためにこれらパラメータをチェックする。その時点で0.5未満のs*10の値、および−0.12より大であって0.0以下のbの値を使用し、高原部に達したことを表示する。この範囲内にあるbの値を検査することは、冷却曲線T(t)が水平から外れたかどうかを検査する1つの方法と見なすべきである。従って、「水平状態から外れた」なる用語は多少負となっているT(t)の傾き、例えば塩溶液の凍結の傾き特性を含むものである。しかしながら、大きな負の傾き、例えば水のはねかえりがサンプルウェル内に入った後のアクティブな冷却に関連する傾きは除く。
4.4 ステップ4.3のパラメータが満たされた場合、センサモジュール10は決定された凍結点としてラインのあてはめにおける最初のデータポイントとして使用する。これによって急峻な凍結曲線を有する濃縮溶液に対して最高温度を使用できることが保証される。
再び図8を参照すると、表2のタイムラインにアルゴリズムが行う判断が示されている。
再び図8を参照すると、表2のタイムラインにアルゴリズムが行う判断が示されている。
図9および10は上記凍結点検出アルゴリズムを実行するソフトウェアルーチンのフローチャートを示す。図9のルーチンはまず論理変数FindFreezeをチェックする。周辺道路温度が作動レンジ内、すなわ+5℃〜−15℃の間にあり、かつ表面の伝導度が水の存在を表示した場合、パラメータFindFreezeをTRUEにセットする。この場合に限り、制御はブロック102へ移され、このブロックでサンプルカップ16およびサンプルウェル20内の液体の冷却を開始するようにアクティブ冷却器30の電源がオンにされる。サーミスタ24によって表示される温度は繰り返し読み取られ、凍結が開始したと一旦判断されると、アクティブ冷却器30はブロック106にて低冷却レート、例えば50%のデューティサイクルで作動される。ブロック108において、ラインに最後の6つの温度測定値があてはめられ、上記パラメータb、s*10およびb’が計算される。これら計算されたパラメータは次にブロック11で分析され、凍結点が見つかったかどうかを判断し、ブロック112および114でその結果がレポートされる。凍結点が見つかった場合、冷却器30の電源をオフにする。凍結点が実質的に周辺温度を下回っている場合、冷却器30は最低冷却温度(例えば−15℃)より低く冷却されるまで冷却し続ける。この最低点でコントローラは冷却器30の電源をオフにし、凍結点の検出の実行を停止する。次に最低冷却温度を凍結点として戻す。コントローラはサーミスタ24が提供する測定温度が周辺温度よりも10℃以上低下した場合も作動を停止する。通過車両によるはねかえりがかなりある場合、センサモジュール10は凍結点検出の作動を終了するのに余分な時間を必要とする場合がある。記憶された定数によって指定されたチューン内(例えば5分内)で凍結点の検出の実行が完了しない場合、コントローラはアクティブ冷却器30の電源をオフにし、実行を停止する。コントローラは見つかった凍結点のリクエストの代わりに正常なデータリクエストを戻すことにより、凍結点の値を受信したことをマスターコントローラが表示するまで、最後に検出された凍結点を戻し続ける。
図10は図9のブロック110の作動に関する更なる情報を示す。サンプルの数が20より多く、ラインの傾きbが0.5よりも大である場合、ブロック150において変数「Freeze_Start」をTRUEにセットする。過冷却された液体が凍結し始める時にこれら条件が一般に満たされる。サンプル数が20より多く、ラインの傾きbが−0.1よりも低い値まで低下し、次に傾きbの傾きが0.05より上の値まで上昇した場合、ブロック152にて論理パラメータ「Freeze_Start」をTRUEにセットする。これら条件は過冷却状態になり液体で凍結が開始することによって一般に満たされる。ブロック154において、パラメータ「Freeze_Start」をチェックし、このパラメータはTRUE状態である場合、パラメータs*10をチェックし、ラインの傾きbがゼロ未満であって、負のスレッショルド(この非限定的例では−0.12)より大であるかどうかを判断するようにラインの傾きbをチェックする。ゼロ未満であって、負のスレッショルドよりも大である場合、論理変数FreezeFoundはTRUEに等しい。凍結サンプルは水平または若干下向きである温度の高原部に達すると、ブロック154でチェックしたパラメータは特徴的に満たされる。
必要ではないが、上記のように表示される凍結時間のまわりで伝導度の測定値をチェックすることによって、図9および10の方法を補助することができる。例えば伝導度の測定がサーミスイタの示すような凍結温度に達した時間のまわりで伝導度のシャープな低下を示した場合、この測定値は実際に凍結が生じたことの確認と見なすことができる。
上記のように、凍結が開始したことを凍結点検出アルゴリズムが示したとき、傾きbを判断するのに使用されるサンプル内の最も初期の温度測定値(一般に最高温度)が凍結点温度として選択される。
二線式デバイス
上記二線式デバイスを図11の略図で示すように構成でき、適当なデバイスとしてマキシムインテグレーティッドプロダクツ社の子会社であるダラスセミコンダクターコーポレーションからモデル番号DS181320を取得できる。図11では二線式デバイス200は導線204から電力を引出し、この電力をデバイス200の他の部品に供給する電力回路202を含む。このデバイス200はランダムアクセスメモリ208と、メモリコントローラロジック210と、温度センサ212も含む。読み出し専用メモリ206はグローバルにユニークなアドレス、例えば64ビットのアドレスを記憶する。温度センサ212はランダムアクセスメモリ208内に温度測定値を記憶するように働く。メモリコントローラ210は導線204を介し、読み出し専用メモリ206からのアドレス情報だけでなく、導線204を介したランダムアクセスメモリ208からの温度情報も送信する。アドレス情報および温度情報の双方はシリアルなデジタル信号として伝送される。一般にデバイス200にはアース導線214も接続されており、2本の導線204、214はデバイス200に電力を送り、デバイス200にデジタル信号を送信し、デバイス200からのデジタルアドレスおよび温度信号を送信するように働く。図11には別の電力導線215も示されており、この導線を使って出あびす200に給電することもできる。導線204をデバイス200の給電に使用する場合、電力導線215は直接アース導線214に結ばれる。
上記二線式デバイスを図11の略図で示すように構成でき、適当なデバイスとしてマキシムインテグレーティッドプロダクツ社の子会社であるダラスセミコンダクターコーポレーションからモデル番号DS181320を取得できる。図11では二線式デバイス200は導線204から電力を引出し、この電力をデバイス200の他の部品に供給する電力回路202を含む。このデバイス200はランダムアクセスメモリ208と、メモリコントローラロジック210と、温度センサ212も含む。読み出し専用メモリ206はグローバルにユニークなアドレス、例えば64ビットのアドレスを記憶する。温度センサ212はランダムアクセスメモリ208内に温度測定値を記憶するように働く。メモリコントローラ210は導線204を介し、読み出し専用メモリ206からのアドレス情報だけでなく、導線204を介したランダムアクセスメモリ208からの温度情報も送信する。アドレス情報および温度情報の双方はシリアルなデジタル信号として伝送される。一般にデバイス200にはアース導線214も接続されており、2本の導線204、214はデバイス200に電力を送り、デバイス200にデジタル信号を送信し、デバイス200からのデジタルアドレスおよび温度信号を送信するように働く。図11には別の電力導線215も示されており、この導線を使って出あびす200に給電することもできる。導線204をデバイス200の給電に使用する場合、電力導線215は直接アース導線214に結ばれる。
図12は二線式ケーブル219を介し、基地局221のI/Oモジュール223へ多数の二線式デバイス200が接続されている一例を示しており、この場合、基地局221はネットワークサーバー220も含む。ネットワークサーバー220はインターネット接続222を介し、遠隔位置のウェブベースブラウザ224に接続され、このブラウザは一般にリモートコンピュータとして実現される。インターネット接続222は任意の適当な形態、例えば無線接続、ダイレクト回線接続またはインターネットサービスプロバイダへのダイヤルアップ接続をとり得る。ネットワークサーバー220とデバイス200はケーブル219の導線上のシリアルなデジタル信号として温度情報とアドレス情報の双方を交換する。上で説明したように、デバイス200のうちの各々との間で電力とデジタル信号をやりとりするのに2本の導線しか必要でない。
この例では読み出し専用メモリ206と、ランダムアクセスメモリ208と、メモリコントローラロジック210はデバイス200からネットワークサーバー220へ温度およびアドレス情報を送信するための手段として作動する。これら部品は所望する形態で実現でき、本発明は特定タイプのコントローラロジックまたはメモリだけに限定されるものではない。同様に、ネットワークサーバー220はネットワークサーバー220を収納する基地局からウェブベースブラウザ224を収納するリモートコンピュータへ温度情報を伝送するための手段として働く。このような構造により、ユーザーは図12のデバイスのいずれかにより測定された温度情報にインターネットを介してアクセスできる。
多くの代替例が可能である。例えば上記インターネットによるネットワークの代わりに別のネットワークを使用できる。インターネットはデバイス200が提供する情報にリモートアクセスするコストおよび不便さを低減できるという大きな利点を提供できる。これらデバイス200は温度測定デバイスだけに限定されるものではなく、他のタイプのセンサ、例えば伝導度センサおよびA/Dコンバータに基づく他のセンサだけでなく、種々のタイプのカウンタも含むことができる。
結論
当然ながら上記好ましい実施例に関して多くの変形および変更を行うことができると理解すべきである。例えばサンプルウェルおよび隣接要素の形状について多くの変形を行うことができる。図20および21はサンプルカップを構成する開口部404を有するカバー402を含むセンサモジュール400の一部の横断面図および平面図をそれぞれ示す。コールド熱リンク406はサンプルカップの底部を形成し、コールド熱リンクはサンプルウェル408を部分的に囲んでいる。サンプルウェル408の第1表面412は温度センサ410に良好に熱接触し、サンプルウェル408の第2表面414はコールド熱リンク406に良好に熱接触する。図22および23はサンプルカップを構成する開口部605を有するカバー502を有するセンサモジュール500の対応する図を示す。コールド熱リンク506はサンプルカップの底部を形成し、コールド熱リンク506はサンプルウェル508を部分的に囲んでいる。サンプルウェル508の第1表面512は温度センサ510に良好に熱接触し、サンプルウェル508の第2表面514はコールド熱リンクに良好に熱接触する。これら図および図1〜3から明らかとなるように、サンプルウェルは種々の形状となることができ、第1および第2表面は種々の角度に配向できる。第1表面および第2表面は平面状でもよいし、円筒形でもよいし、または他の形状にカーブしていてもよい。例えば第1表面および第2表面はサンプルウェルを構成する単一の半球形状のリセスの別々の部分でもよい。
当然ながら上記好ましい実施例に関して多くの変形および変更を行うことができると理解すべきである。例えばサンプルウェルおよび隣接要素の形状について多くの変形を行うことができる。図20および21はサンプルカップを構成する開口部404を有するカバー402を含むセンサモジュール400の一部の横断面図および平面図をそれぞれ示す。コールド熱リンク406はサンプルカップの底部を形成し、コールド熱リンクはサンプルウェル408を部分的に囲んでいる。サンプルウェル408の第1表面412は温度センサ410に良好に熱接触し、サンプルウェル408の第2表面414はコールド熱リンク406に良好に熱接触する。図22および23はサンプルカップを構成する開口部605を有するカバー502を有するセンサモジュール500の対応する図を示す。コールド熱リンク506はサンプルカップの底部を形成し、コールド熱リンク506はサンプルウェル508を部分的に囲んでいる。サンプルウェル508の第1表面512は温度センサ510に良好に熱接触し、サンプルウェル508の第2表面514はコールド熱リンクに良好に熱接触する。これら図および図1〜3から明らかとなるように、サンプルウェルは種々の形状となることができ、第1および第2表面は種々の角度に配向できる。第1表面および第2表面は平面状でもよいし、円筒形でもよいし、または他の形状にカーブしていてもよい。例えば第1表面および第2表面はサンプルウェルを構成する単一の半球形状のリセスの別々の部分でもよい。
更に、例えば上記のようなサンプルウェル20を含まず、凍結点検出用の他のアルゴリズム(例えば従来の凍結点検出アルゴリズムまたは受動的に温度を測定するアルゴリズム)を使用する、他のタイプの測定ゾーンを有するセンサモジュールと共に、二線式デバイス200および図12のインターネットでアクセス可能なシステムを使用できる。更に本発明は、温度センサに対してサーミスタを使用することだけに限定されているわけではなく、所望する場合、代わりに他の温度センサ、例えば熱電対およびその他の感熱素子を使用することもできる。
本発明で使用するような「時間」なる用語は、時間の絶対的測度または相対的測度を広義に含むものであり、「時間微分」なる用語は差、傾き、傾きの傾きおよび平均されているか否か、離散的であるか連続的であるか、および数値的に分析されて決定されているかどうかにかかわらず、温度のような変数の変化レートの他の測度を広義に含むものである。
「伝導度」なる用語は、測定されるパラメータが電流か、電圧か、またはそれらのある組み合わせであるか否か、更に抵抗値と直接または反比例して変化するかどうか、直流電圧または交流電圧による測定であるかどうかにかかわらず、2つのプローブの間の抵抗値の関数として変化する任意の測度を広義に含むものである。
「温度情報」なる用語は、アクティブな冷却器、周辺温度またはその他の温度パラメータにより測定されるような凍結点温度を広義に含むものである。更に「凍結点の温度」なる用語は、一旦凝固が始まった場合、またはまさに開始せんとしている時の温度対時間の関係を示す曲線における所定の点を意味するものである。この温度はサンプルの凝固が開始するポイントだけに限定されず、曲線内の任意の適当なポイントでもよい。
「良好な熱接触」なる用語は、2つの要素の間の熱伝達度が少なくとも1W/m・Kであることを広義に意味するものである。
これまでの詳細な説明は、本発明がとり得る多くの形態のうちの数形態しか説明していない。従って、この詳細な説明は説明を意図するものであり、限定を意図するものではない。本発明の範囲を限定するものは、すべての均等物を含む次の請求項だけである。
10 モジュール
12 下方ハウジング
14 カバー
16 サンプルカップ
18 ケーブル
20 サンプルカップ
22 伝導度プローブ
24 サーミスタ
26 ハウジング
30 ペルチエ冷却器
32 コールド熱リンク
36 下方表面
40 開口部
300 外部温度プローブ
302 温度センサ
12 下方ハウジング
14 カバー
16 サンプルカップ
18 ケーブル
20 サンプルカップ
22 伝導度プローブ
24 サーミスタ
26 ハウジング
30 ペルチエ冷却器
32 コールド熱リンク
36 下方表面
40 開口部
300 外部温度プローブ
302 温度センサ
Claims (24)
- アクティブ冷却器と、前記アクティブ冷却器に熱接触するコールド熱リンクと、前記熱リンクに隣接するサンプルウェルと、前記サンプルウェルに隣接する温度センサとを備え、道路に埋め込まれるようになっているセンサモジュールを備えた道路の凍結点センサであって、
前記サンプルウェルが前記温度センサに良好に熱接触する第1表面と、前記熱リンクに良好に熱接触する第2表面とを備え、
前記熱リンクが前記サンプルウェルの第2表面に密に隣接し、W/m・Kよりも大きい熱伝導度を有する、道路凍結点センサ。 - 前記熱リンクが前記サンプルウェルのまわりに完全に延びている、請求項1記載の道路凍結点センサ。
- 前記サンプルウェルから離間した前記コールド熱リンクの一部を覆うように配置された熱絶縁カバーを更に含む、請求項1記載の道路凍結点センサ。
- 前記カバーが前記サンプルウェルの上方に位置する開口部を構成する、請求項3記載の道路凍結点センサ。
- 前記サンプルウェルが水平平面に面積A1を投影しており、前記カバーの前記開口部が前記平面に面積A2を投影しており、A2>A1である、請求項4記載の道路凍結点センサ。
- 前記開口部が前記コールド熱リンクに良好に熱接触する下方表面を有するサンプルカップを形成する、請求項5記載の道路凍結点センサ。
- サンプルカップによって境界が定められた測定ゾーンに良好に電気的に接触する一対の伝導度プローブを更に含み、該伝導度プローブが温度センサのわきに位置している、請求項6記載の道路凍結点センサ。
- 前記サンプルカップが前記カバーによって形成された表面を含む、請求項7記載の道路凍結点センサ。
- 前記温度センサと前記コールド熱リンクとの間に位置する熱絶縁要素を更に含む、請求項1記載の道路凍結点センサ。
- 前記熱リンクが前記サンプルウェルの第2表面に密に隣接し、5W/m・Kよりも大きい熱伝導度を有する、請求項1記載の道路凍結点センサ。
- 前記熱リンクが前記サンプルウェルの第2表面に密に隣接し、20W/m・Kよりも大きい熱伝導度を有する、請求項1記載の道路凍結点センサ。
- 前記熱リンクが前記サンプルウェルの第2表面に密に隣接し、100W/m・Kよりも大きい熱伝導度を有する、請求項1記載の道路凍結点センサ。
- 基地局と、
道路に埋め込まれた複数のセンサモジュールとを備え、各センサモジュールが温度モニタシステム内でグローバルにユニークなそれぞれのアドレスを有するデジタル温度センサを含み、
更に前記基地局と前記センサモジュールとを相互接続する一組のケーブルを含み、該ケーブルが、各センサモジュールに接続されたわずか2本の導線しか含まず、
前記センサモジュールの各々が導線からのそれぞれのセンサモジュール用の作動電力を引き出すように作動するそれぞれの電力回路を備え、
前記センサモジュールが導線を介してシリアルデジタル信号として温度情報およびアドレス情報を基地局に伝送するようになっている、道路温度モニタシステム。 - (a)上部表面に設けられた測定ゾーンと、該測定ゾーンに良好に熱接触する温度センサと、前記温度ゾーンに良好に電気接触する一対の伝導度プローブと、前記測定ゾーンに熱結合されたアクティブ冷却器とを備え、道路に埋め込まれたセンサモジュールを設ける工程と、
(b)前記アクティブ冷却器により前記測定ゾーンを徐々に冷却する工程と、
(c)前記工程(b)の間、温度センサによる前記測定ゾーンの温度測定値を繰り返し記録する工程と、
(d)前記工程(b)の間、前記伝導度プローブによる前記測定ゾーンの伝導度測定値を繰り返し記録する工程と、
(e)前記工程(c)の温度測定値、および前記工程(d)の伝導度測定値の時間に対する変化に基づき、前記測定ゾーンにおける液体の凍結点を決定する工程とを備えた、道路上の液体の凍結点を測定するための方法。 - 前記工程(e)が、
(e1)前記工程(c)の温度測定値の時間に対する変化に基づき、凍結点を決定する工程と、
(e2)前記工程(d)の伝導度測定値が前記工程(e1)で決定された凍結点に実質的に一致する伝導度の実質的な減少を示すかどうかをチェックする工程とを含む、請求項14記載の方法。 - 前記工程(a)の前記測定ゾーンが前記温度センサに良好に熱接触する第1表面および前記アクティブ冷却器に良好に熱接触する第2表面を有するサンプルウェルを含む、請求項14記載の方法。
- 前記工程(e1)が、
(e1a)前記工程(c)の温度測定値の2次時間微分を決定する工程と、
(e1b)前記前記工程(e1a)の2次時間微分と正のスレッショルド値とを比較する工程と、
(e1c)前記工程(e1a)の2次時間微分が前記工程(e1b)のスレッショルド値を越えた後に工程(c)の前記温度測定値の水平から外れることを検出することに基づいて凍結点を決定する工程とを備えた、請求項15記載の方法。 - (a)上部表面に設けられた測定ゾーンと、該測定ゾーンに良好に熱接触する温度センサと、前記測定ゾーンに熱結合されたアクティブ冷却器とを備え、道路に埋め込まれたセンサモジュールを設ける工程と、
(b)前記アクティブ冷却器により前記測定ゾーンを徐々に冷却する工程と、
(c)前記工程(b)の間、温度センサによる前記測定ゾーンの温度測定値を繰り返し記録する工程と、
(d)前記工程(c)の間の前記温度測定値の2次時間微分を決定する工程と、
(e)前記工程(d)の2次時間微分が正のスレッショルド値を越えたことを決定する工程と、
(f)前記工程(d)の2次時間微分が前記工程(e)の前記スレッショルド値を越えた後に水平状態から外れたことに少なくとも部分的に基づき、凍結点を決定する工程とを備えた、道路上の液体の凍結点を測定するための方法。 - 工程(d)が、
(d1)工程(c)の前記時間測定値の時間に対する複数の1次の傾きを決定する工程(各1次の傾きがそれぞれの測定時間に関連している)と、
(d2)工程(d1)の時間に対する前記1次の傾きの複数の2次の傾きを決定する工程を含む、請求項18記記載の方法。 - (a)上部表面に設けられた測定ゾーンと、該測定ゾーンに良好に熱接触する温度センサと、前記測定ゾーンに熱結合されたアクティブ冷却器とを備え、道路に埋め込まれたセンサモジュールを設ける工程と、
(b)前記アクティブ冷却器により前記測定ゾーンを徐々に冷却する工程と、
(c)前記工程(b)の間、温度センサによる前記測定ゾーンの温度測定値を繰り返し記録する工程と、
(d)前記工程(c)の間の前記温度測定値の1次時間微分を決定する工程と、
(e)前記1次時間微分が第1の正のスレッショルド値よりも大きくなったことを決定する工程と、
(f)上部の境界がゼロによって定められ、下部の境界が第2の負のスレッショルド値によって定められている値のレンジ内まで、前記1次時間微分が経過したことを決定する工程とを備えた、道路上の液体の凍結点を測定するための方法。 - 前記工程(d)が、
(d1)前記工程(c)の前記温度測定値に複数のラインをあてはめる工程と、
(d2)前記工程(d1)のラインの1次時間微分を決定する工程を含む、請求項20記載の方法。 - (g)工程(f)で決定された時間に関連するラインに含まれる最も早期の温度測定値を液体凍結点として関連付ける工程を更に含む、請求項21記載の方法。
- 基地局と、
道路に埋め込まれ、前記基地局に結合された複数のセンサモジュールとを備え、各センサモジュールが温度センサと、モニタシステム内でグローバルにユニークなアドレスを記憶するメモリとを含み、
更に前記センサモジュールから前記基地局へ温度情報を伝送するための手段と、
前記基地局からネットワークを介してリモートコンピュータへ温度情報を伝送するための手段とを備えた、道路モニタシステム。 - 前記ネットワークがインターネットを含む、請求項23記載の道路モニタシステム。
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