УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА ТРЕЩИН СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к измерению линейных размеров и перемещений и может использоваться при обследовании и мониторинге состояния конструкции зданий и иных строительных сооружений в процессе их эксплуатации.
При обследовании строительных конструкций наиболее ответственным этапом является изучение трещин, выявление причин их возникновения и динамики развития. Они могут быть вызваны самыми разными причинами и иметь различные последствия. При наличии трещин на несущих конструкциях зданий и сооружений необходимо организовать систематическое наблюдение за их состоянием и возможным развитием с тем, чтобы выяснить характер деформаций конструкций и степень их опасности для дальнейшей эксплуатации.
Контроль за состоянием трещин осуществляется периодическими осмотрами и непрерывным наблюдением - мониторингом. Противоречивость требований, предъявляемых к системе мониторинга, заложена в самой задаче: с одной стороны, разрушение зданий - это длительный процесс (иногда десятилетия), хотя и требующий постоянного мониторинга, но допускающий периодичность наблюдений с большим интервалом; с другой стороны, большое количество информации содержится в быстропротекающих процессах - амплитуде и скорости вибрации, ускорении и т.п.
Известны способы наблюдения за трещинами, базирующиеся на применении устройств двух типов. К первому типу относятся различные конструкции маяков - асбестовых или цементных пластин, которые при развитии трещины разрываются. Например, пластинчатый маяк, состоящий из двух пластин с рисками, маяк с острыми штырями, на которые при осмотре накалывается лист картона и т.п. (Ю.В.Вишняков Наблюдение за трещинами в стенах, "Жилищное строительство" №9/2005 02.11.2005). Недостатками этого типа устройств являются невозможность регистрации динамических процессов и получение только одного измерения в момент осмотра.
Ко второму типу относятся устройства, построенные на базе цифровых измерительных систем (патент РФ №78935, опубликован 10.12.2008, патент РФ №86007, опубликован 20.08.2009). Эти известные устройства содержат датчики, линии связи, аналого-цифровые преобразователи сигналов (АЦП), цифровые запоминающие устройства и блок обработки информации, выполненный в виде компьютера либо другого специализированного устройства с дисплеем, клавиатурой и т.п.
Недостатком таких устройств является невозможность их использования в длительном автономном режиме из-за необходимости постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Наиболее близким аналогом-прототипом заявляемого устройства является измерительный комплекс на базе универсального многоканального регистратора ”Терем-4.1" с программой связи с компьютером, разработанный НПЦ "Стройдиагностика", НПП "Интерприбор", г.Челябинск (Многопараметрический регистрирующий комплекс «ТЕРЕМ-4», описание прибора //http://www.interpribor.ru/docs//terem4.rar, 23 декабря 2009 г). "Терем-4.1" предназначен для контроля, регистрации в памяти и отображения информации, поступающей от датчиков различного вида - датчиков перемещений, теплового потока, влажности, силового воздействия, давления, напряжений и других.
Устройство состоит из распределенной сети датчиков линейных и угловых перемещений и датчиков температуры, блоков аналого-цифровых преобразователей (адаптеров) и центрального блока, включающего в себя блок обработки и формирования данных, блок памяти, блок интерфейса и генератор такта измерений, а также клавиатуру и дисплей. Выходы датчиков линейных и угловых перемещений и датчиков температуры подключены ко входам аналого-цифровых преобразователей, выходы которых соединены с входами центрального блока. Программа связи с компьютером предназначена для просмотра, сохранения и распечатки зарегистрированных данных, сохраненных в энергонезависимой памяти прибора. Связь прибора с компьютером осуществляется по стандартному интерфейсу USB.
Недостатком описанного устройства является то, что все блоки выполнены в виде отдельных устройств, из-за чего возникает необходимость объединения всех устанавливаемых на стене здания датчиков проводами связи с блоком аналого-цифровых преобразователей, а затем - с центральным блоком. Это усложняет процесс монтажа и увеличивает стоимость системы. Кроме того, центральный блок с дисплеем и клавиатурой может стать объектом атаки вандалов, что делает весь комплекс неприменимым в легкодоступных для посторонних людей местах.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение вышеуказанных недостатков - сложность монтажа, невозможность автономной работы устройства и необходимость использования переносных измерительных приборов, регистраторов и концентраторов.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в возможности регистрации в длительном автономном режиме как высокоскоростных процессов - скоростей и ускорений вибраций, так и медленных трендов, фиксируемых на длительных временных интервалах. Для получения указанного технического результата в устройство, содержащее датчик линейных перемещений и датчик температуры, соединенные с первым и
вторым входом аналого-цифрового преобразователя, блок памяти и соединенный с его выходом блок интерфейса, генератор такта измерений, выход которого подключен ко входам синхронизации датчика линейных перемещений, датчика температуры и аналого-цифрового преобразователя, дополнительно вводится блок сжатия и компоновки и таймер; первый вход блока сжатия и компоновки соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а его выход - со входом блока памяти; выход таймера соединен с генератором такта измерений и вторым входом блока сжатия и компоновки, а генератор такта измерений выполнен в виде управляемого генератора импульсов.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства.
На фиг.2 приведена временная диаграмма работы генератора такта измерений в зависимости от выхода таймера.
Устройство содержит (фиг.1) датчик линейных перемещений 1, датчик температуры 2, аналого-цифровой преобразователь 3, блок сжатия и компоновки 4, блок памяти 5, блок интерфейса 6, генератор такта измерений 7 и таймер 8. Блоки 1, 3, 4, 5 и 6 соединены последовательно, входы синхронизации блоков 1, 2, 3 соединены с выходом блока 7, входы управления режимом работы блоков 4 и 7 соединены с выходом блока 8, а выход блока 2 соединен со вторым входом блока 3.
Устройство работает следующим образом.
Предлагаемое устройство закрепляется на стене здания по обеим сторонам трещины так, чтобы передающая часть датчика линейных перемещений 1 была укреплена на одной стороне трещины, а принимающая - на другой. С интервалом, заданным с помощью генератора такта измерений 7, например, от 1 с до 10 мин, измеренное датчиком 1 значение ширины щели по одной или по двум координатам преобразуется в цифру блоком аналого-цифрового преобразования 3 и записывается в блок памяти 5. Процесс измерения и записи в память занимает не более 10 микросекунд, поэтому большую часть времени устройство находится в спящем режиме с минимальным потреблением энергии. Запись информации сопровождается записью отметок времени таймера 8. Для записи быстрых вибраций предусмотрен режим кратковременного автоматического переключения интервала записи, например, на величину 0.05-0.5 с. Переключение режима генератора такта измерений 7 производит таймер 8, который может быть запрограммирован на интервал до одного месяца. Сезонные перепады температур оказывают двоякое влияние на измерения: во-первых, меняется сам контролируемый параметр (например, раскрытие трещин на морозе), а во-вторых, происходит температурный дрейф параметров датчика. Для учета первого эффекта показания датчика температуры 2 периодически записываются в блок памяти. Съем накопленной информации производится при плановом осмотре устройства простым извлечением съемной карты памяти, и не требует никаких носимых устройств. Таким образом, обслуживание установленного на стене здания заявляемого устройства сводится к замене карты памяти и батареи питания.
Датчиком линейных перемещений 1 могут служить, например, магнитные или индуктивные датчики фирм Baumer, Balluff и др.
Датчиком температуры 2, аналого-цифровым преобразователем 3 и блоком интерфейса 6 являются известные технические устройства, не требующие пояснений.
Блок сжатия и компоновки 4 предназначен для первичной обработки информации датчиков (фильтрация, нормировка), сжатия информации и ее компоновки. Сжатие записываемой информации использует ее статистические свойства для уменьшения объема памяти. Например, если в память записывать не саму измеренную величину, а разность соседних отсчетов, в идеальном случае (при неподвижной трещине) в память будет записано только одно первое значение. Компоновка данных необходима для облегчения последующего декодирования при передаче сложного сообщения, содержащего метки времени, данные измерений по двум координатам и данные датчика температуры. Блок сжатия и компоновки может быть выполнен, например, на микропроцессоре.
Генератор такта измерений 7 работает в одном из двух режимов (фиг.2) - нормальном, предназначенном для контроля медленных изменений, и ускоренном - для записи быстрых вибраций. Управление режимами осуществляется таймером 8. Генератор такта измерений 7 может быть выполнен, например, на том же микропроцессоре.
Таймер 8 предназначен для переключения режимов работы и может быть выполнен, например, на микросхеме DS12887A фирмы MAXIM.
Все блоки устройства размещаются в одном корпусе, не требуют дополнительного соединения проводами в процессе монтажа, а каждое устройство является полностью автономным (интеллектуальный датчик) за счет объединения в нем датчиков, цифровых блоков, блока питания, и блока памяти. Объем памяти и потребление от встроенной батареи рассчитаны на автономную работу устройства в течение года. Анализ и обработка измерений производится не на объекте мониторинга, а в лабораторных условиях на компьютере после изъятия информации и не требует демонтажа устройства.