УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ СОСТОЯНИЯ ТРЕЩИН И СТЫКОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Заявляемая полезная модель относится к устройствам измерения, обработки и передачи данных для контроля за состоянием трещин и стыков зданий и сооружений, и может быть использована в автоматизированных системах мониторинга технического состояния зданий и сооружений.
Известна полезная модель РФ «Автоматизированная система мониторинга геометрических характеристик зданий и сооружений» по патенту №62724, заявка №2006122822 с приоритетом от 26.06.2006 г., МПК G08B 25/00, G05B 15/00, E04G 23/00, опубликовано 27.04.2007 г.
Система состоит из центра обработки информации (ЦОИ), содержащего ЭВМ, осуществляющего накапливание и обработку собранных данных и устройства широкополосного доступа к сети Интернет по радиоканалу GSM, и, как минимум, одной системы сбора и передачи информации, содержащей контроллер и датчики, причем датчики соединены с контроллером линией связи в виде витой пары, устройство широкополосного доступа к сети Интернет по радиоканалу GSM соединено с контроллером. Каждый датчик в данной системе подключен к контроллеру линией связи в виде витой пары с использованием сетевого протокола обмена по интерфейсу RS-485; по этой же линии связи к каждому датчику от контроллера подводится питающее напряжение, что усложняет данную систему, При этом усложняется использование системы сбора и передачи информации в целом, т.к. требуется подведения питания от объекта, на котором установлен контроллер, что приводит к увеличению потребления электроэнергии. Помимо этого, программное обеспечение ЭВМ в ЦОИ является достаточно сложным, поскольку с помощью него необходимо обрабатывать потоки различной информации и идентифицировать соответствующий датчик.
Известно изобретение «Датчик измерения перемещений при жизнедеятельности трещины» по патенту №2402747, заявка №2009113575 с приоритетом от 13.04.2009 г., МПК G01B 5/30, опубликовано 27.10.2010 г.
Датчик состоит из основной пластины и вставляемого в нее ползунка с нанесенными шкалами на пластине и на ползунке, которые наклеиваются на разделенные трещиной части исследуемой поверхности с помощью вспененного скотча так, чтобы оси прорезей пластины и ползунка совпадали и были перпендикулярны трассе трещины. Указанная конструкция дает возможность измерения плоского перемещения берегов трещины в двух направлениях с высокой достоверностью и точностью результатов измерений.
Недостатком датчика является открытость механизма, вызывающая необходимость защищать его от оседания пыли, что приводит к затруднению снятия результатов измерений, а также необходимость перевода результатов измерений из аналоговых величин в цифровые для их обработки и передачи.
Известно изобретение «Индикатор часового типа» по патенту №2060450, заявка №92016186 с пр. 29.12.1992 г., МПК G01B 3/22, опубликовано 20.05.1996
Индикатор часового типа имеет корпус с соосными опорами скольжения, в которых размещен измерительный стержень с зубчатой рейкой и наконечником, зубчатый механизм, включающий первый и центральный трибы. Индикатор позволяет фиксировать перемещения с точностью 0,01 мм.
Недостатком индикатора является открытость механизма, вызывающая необходимость защищать его от оседания пыли, что приводит к затруднению снятия результатов измерений, а также необходимость перевода результатов измерений из аналоговых величин в цифровые для обработки и их передачи.
Известна международная заявка WO 2013007720 на изобретение «Система контроля повреждений конструкций зданий» PCT/EP2012/063474 от 10.07.2012 на основе заявки VR2011A000143 (IT) с приоритетом от 12.07.2011 г., МПК G01B 5/30, опубликовано 17.01.2013 г.
В этой системе устройство для измерения величины трещины включает в себя два стационарных элемента, прикрепленных к строению по разные стороны трещины, причем часть одного из них, перекрывая трещину, входит во взаимодействие со вторым и содержит датчик для измерения перемещения краев трещины вдоль выбранного направления. Датчик снабжен ползунком с возможностью скольжения вдоль электрических, механических или магнитных контактов. Для измерения перемещения по другому направлению датчик снабжен вторым ползунком, расположенным перпендикулярно первому. При этом стационарный элемент устройства, перекрывающий трещину и содержащий ползунок датчика, снабжен устройством сбора и передачи данных посредством беспроводной связи с помощью GSM протокола, а также автономным блоком питания. Система позволяет при помощи измерительных органов датчика автоматически отслеживать изменения величины трещины в достаточно широком диапазоне, по крайней мере, в двух перпендикулярных направлениях.
Известно изобретение «Система мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений» по патенту №2448225 (заявка №2010140257 с приоритетом от 01.10.2010 г.), МПК E04G 23/00, опубликовано 20.04.2012 г. (прототип).
Система включает датчик-индикатор часового типа, содержащий реохорд и подвижный токосъемник, опоры на поверхности строительной конструкции на разных берегах трещины, принимающий радиомодуль, устройство регистрации, АЦП, микроконтроллер, передающий радиомодуль, автономный блок питания, модуль «часы-будильник», причем подвижный шток индикатора часового типа механически связан с токосъемником реохорда, его выход подключен к АЦП, который подключен к микроконтроллеру, связанному с передающим радиомодулем; автономный блок питания подключен к реохорду, к микроконтроллеру, к АЦП, к передающему радиомодулю, к модулю «часы-будильник», выход которого подключен к микроконтроллеру, при этом передающий радиомодуль связан по радиоканалу с принимающим радиомодулем, который подключен к регистрирующему прибору.
Недостатками обеих указанных систем является то, что соединение ползунка/токосъемника и контактов/реохорда является ненадежным, поскольку их поверхности будут со временем окисляться, в результате чего показания будут сниматься с ошибкой, а также то, что датчик с измерительными органами, требующий подвода эл. питания, расположен на противоположной стороне трещины от места нахождения блока питания, что конструктивно не очень удобно.
Кроме того, требуется перевод аналоговых величин измерения в цифровые значения, что вносит дополнительные искажения в результаты измерений.
Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства измерения и передачи информации состояния трещин и стыков зданий и сооружений повышенной надежности в виде единого модуля, который может работать автономно и независимо от других аналогичных устройств, в том числе, объединенных в общую систему мониторинга технического состояния зданий и сооружений.
Задача решается за счет того, что устройство измерения и передачи информации состояния трещин и стыков зданий и сооружений содержит объединенные конструктивно в единый модуль, последовательно соединенные тензометрический датчик, устройство сбора и обработки информации и устройство передачи информации через сеть Интернет по радиоканалу GSM, а также автономный источник питания и две ключевые схемы. При этом тензометрический датчик включает кремальеру, механически связанную с датчиком угла поворота в виде оптического энкодера; устройство сбора и обработки информации выполнено в виде микроконтроллера; устройство передачи информации через сеть Интернет выполнено в виде GSM-модема. Питание от автономного источника питания подводится к микроконтроллеру и в нужные моменты времени подводится при помощи двух ключевых схем к GSM-модему и оптическому энкодеру. Причем все узлы и блоки заявляемого устройства расположены в общем корпусе, из которого выступает наружу только свободный конец рейки кремальеры.
Перед началом работы заявляемого устройства общий корпус модуля со всеми расположенными внутри него узлами крепится к стене здания или сооружения с одной стороны трещины (или стыка), а выступающая наружу из корпуса модуля рейка кремальеры за свободный конец крепится к стене с противоположной стороны трещины (или стыка).
Выполнение в заявляемом устройстве тензометрического датчика, состоящим из кремальеры, связанной механически с помощью реечной передачи с датчиком угла поворота в виде оптического энкодера, в отличие от системы-аналога и прототипа обеспечивает считывание информации и преобразование ее в импульсы, т.е. обеспечивает преобразование аналоговых величин линейного изменения размеров трещины в цифровые значения, что приводит к увеличению надежности работы устройства в целом за счет исключения погрешностей, присущих описанным выше системе-аналогу и прототипу.
При этом в заявляемом устройстве цифровой сигнал об изменении размеров трещины с оптического энкодера тензометрического датчика поступает непосредственно на микроконтроллер устройства сбора и передачи информации без использования линии связи в виде витой пары, по которой в прототипе от микроконтроллера к датчикам подается также напряжение питания, что упрощает использование устройства и снижает уровень потребляемой энергии.
В частном случае датчик угла поворота выполнен в виде абсолютного оптического энкодера, в котором вне зависимости от размера конкретной трещины, начальное показание может быть выставлено на ноль. В этом случае при обработке данных измерения не требуется учитывать начальный размер трещины и вводить соответствующую поправку в информацию об изменении ее размера.
В качестве автономного источника питания может быть любой элемент питания, обеспечивающий необходимое для работы модуля напряжение и ток.
В частных случаях выполнения автономный источник питания может содержать аккумуляторную батарею или аккумуляторную батарею и солнечный модуль ее подзарядки с усилителем мощности.
Описанная конструкция устройства в виде единого модуля позволяет ему в автономном режиме измерять изменения в состоянии трещин и стыков зданий и сооружений, обрабатывать и передавать собранную информацию на удаленные рабочие места.
При использовании заявляемого устройства в системе мониторинга технического состояния зданий и сооружений установка автономных модулей в местах трещин и стыков здания позволяет считывать и передавать информацию о состоянии здания в различных местах в ЦОИ, где не требуется идентификация соответствующего датчика и обработка нескольких потоков информации, что упрощает использование общей системы мониторинга.
Таким образом, техническим результатом полезной модели - устройства измерения и передачи информации состояния трещин и стыков зданий и сооружений является повышение надежности сбора, обработки и передачи информации об изменении размеров трещины или стыка здания или сооружения, а также уменьшение потребления питающего напряжения. Использование заявляемых устройств в общей системе мониторинга технического состояния зданий и сооружений приводит к ее упрощению.
Заявляемая полезная модель - устройство измерения и передачи информации состояния трещин и стыков зданий и сооружений поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства;
на фиг. 2 приведен пример конструкции оптического энкодера (датчика угла поворота);
на фиг. 3 приведена блок-схема алгоритма работы микроконтроллера устройства сбора и передачи информации;
на фиг. 4 приведена схема подключения автономного источника питания к блокам устройства с примером построения ключевых схем.
Заявляемое устройство измерения и передачи информации состояния трещин и стыков зданий и сооружений (фиг. 1) во всех случаях выполнения содержит объединенные конструктивно в единый модуль 1, последовательно соединенные тензометрический датчик 2, включающий кремальеру 3, механически связанную с датчиком угла поворота 4 в виде оптического энкодера; устройство сбора и обработки информации 5 в виде микроконтроллера; устройство передачи информации через сеть Интернет 6 по радиоканалу GSM в виде GSM-модема; а также автономный источник питания 7, соединенный с микроконтроллером 5 и через ключевые схемы 8, 9 с оптическим энкодером 4 и GSM-модемом 6 соответственно. При этом все узлы и блоки устройства: 4, 5, 6, 7, 8, 9 расположены в общем корпусе модуля 1, из которого выступает наружу только свободный конец рейки кремальеры 3 тензометрического датчика 2.
Датчик угла поворота 4 выполнен в виде оптического энкодера, конструкция которого (фиг. 2) состоит из оптического диска, светоизлучающего диода и фотодетектора. На поверхность диска нанесена оптическая шкала в виде прозрачных и непрозрачных участков, при этом диск жестко закреплен на валу, при вращении которого информация от светоизлучающего диода считывается и преобразуется фото детектором в электрические импульсы (цифровой сигнал).
В частном случае датчик угла поворота 4 выполнен в виде абсолютного оптического энкодера, в котором вне зависимости от размера конкретной трещины, начальное показание может быть выставлено на ноль.
В частных случаях автономный источник питания 7 содержит или аккумуляторную батарею, или аккумуляторную батарею и солнечный модуль с усилителем мощности (не показано).
Заявляемое устройство измерения и передачи информации состояния трещин и стыков зданий и сооружений (фиг. 1) в общем случае выполнения работает следующим образом.
Перед началом работы общий корпус модуля 1 со всеми расположенными внутри него узлами крепится к стене здания или сооружения с одной стороны трещины (или стыка), а выступающая наружу из корпуса модуля 1 рейка кремальеры 3 за свободный конец крепится к стене с противоположной стороны трещины (или стыка).
При изменении размера трещины рейка кремальеры 3 будет двигаться относительно основания тензометрического датчика 2 и заставлять вращаться шестеренку кремальеры 3, которая, в свою очередь, будет вращать вал оптического энкодера 4, который преобразовывает это вращение в цифровой код, поступающий через интерфейс (UART) на микроконтроллер устройства сбора и обработки информации 5. Работа микроконтроллера 5 осуществляется в соответствии с блок-схемой алгоритма, представленной на фиг. 3. Выход микроконтроллера 5 соединен последовательным интерфейсом (UART) с GSM-модемом 6.
При этом питание от автономного источника 7 (фиг. 4) подается к GSM-модему 6 и микроконтроллеру 5, который с помощью одного ключа 8 может подавать напряжение на оптический энкодер 4, а с помощью другого ключа 9 -выдавать разрешение на подачу питания на GSM-модем 6.
GSM-модем 6 осуществляет передачу информации о величине изменения расстояния между двумя сторонами трещины (или стыка) здания (сооружения), напряжении заряда аккумуляторной батареи автономного источника питания 7 и времени измерения по радиоканалу GSM с помощью протокола GPRS через сеть Интернет на Web-сервер, на котором расположен центр обработки информации на базе ЭВМ, либо на удаленные рабочие места пользователей.
В частных случаях исполнения заявляемое устройство работает также как и в общем случае, за исключением того, что:
- в случае, когда датчик угла поворота 4 выполнен в виде абсолютного оптического энкодера, обработка снятых тензометрическим датчиком 2 показаний упрощается, т.к. в нем начальное показание может быть выставлено на ноль, т.е. не требуется учета начального размера конкретной трещины и введения соответствующих поправок при обработке информации об изменении ее размера;
- в случае, когда автономный источник питания 7 содержит только аккумуляторную батарею, по окончании заряда она подлежит замене, а в случае, когда автономный источник питания 7 содержит аккумуляторную батарею и солнечный модуль с усилителем мощности, этот солнечный модуль периодически подзаряжает батарею, что продлевает ее срок работы без замены.
Заявляемое устройство измерения и передачи информации состояния трещин и стыков зданий и сооружений может быть изготовлено из обычных и стандартных для данного типа устройств составных частей и крепежа.
Так, например, корпус модуля 1 может быть выполнен из полипропилена, а все входящие в него блоки могут быть закреплены на плате из текстолита.
Рейка и шестеренка кремальеры 3 тензометрического датчика 2 могут быть выполнены, например, из нержавеющей стали AISI430, причем шестеренка подобрана так, что ее шаг равен 0,01 мм движения рейки поперек трещины.
В качестве абсолютного оптического энкодера датчика угла поворота 4 может быть использован, например, оптический энкодер типа EP50S8.
В качестве устройства сбора и обработки информации в виде микроконтроллера 5 может быть использован, например, микроконтроллер серии ATmega фирмы Atmel.
В качестве устройства передачи информации через сеть Интернет по радиоканалу GSM в виде GSM-модема 6 может быть использован, например, модуль SIM 900.
В качестве автономного источника питания 7 может быть использована, например, аккумуляторная батарея емкостью 6600 мА/ч или аккумуляторная батарея емкостью 2200 мА/ч с системой солнечной зарядки на основе микросхемы повышающей мощность питания BQ225504RGTT. Он может быть выполнен (см. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25504.pdf).
Электронные ключи 8 и 9 могут быть собраны по известным схемам, как например, приведено на фиг. 4, с использованием микросхем типа KS59932ITT (США).