Сейсмический прибор для измерения динамических воздействий при мониторинге технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений
SEISMIC DEVICE FOR MEASURING DYNAMIC IMPACTS IN MONITORING THE TECHNICAL CONDITION OF LOADBEARING BUILDINGS AND STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства и касается прибора, обеспечивающего измерение и регистрацию ускорений колебаний почвы и объектов в широком диапазоне частот и ускорений от самых незначительных и до превышающих lg, на которых предусмотрено размещение как инженерно-сейсмометрических станций, так и станций мониторинга технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений.
Известен цифровой прибор ЦТА-СМ, используемый для мониторинга вибраций зданий и других инженерных сооружений (см. журнал «Промышленное и гражданское строительство», М., 2008 г. №12, с. 42-44).
Прибор содержит пыле-влагозащищенный корпус с разъемами для подключения линии питания и линии передачи данных, расположенные в корпусе три одноканальных сейсмометра электродинамического типа, оси которых ориентированы ортогонально в правой декартовой системе координат, блок усиления и формирования амплитудно-частотной характеристики каналов измерения, блок выборки/хранения сигналов, электронный коммутатор сигналов, блок аналого-цифрового преобразования, блок управления с контроллером, блок приемопередачи, блок стабилизированных напряжений и линии связи.
-5
2
Главным недостатком известного прибора является то, что он не может быть использован для мониторинга зданий и сооружений, расположенных в сейсмически активных зонах из-за недостаточной максимальной величины регистрируемых ускорений. Его частотный диапазон измерений, при неравномерности амплитудно-частотной характеристики на уровне 3 дБ, составляет 0,1-200 Гц, диапазон измерений ускорений 2.10-2,0 м/с. Кроме того, известный прибор осуществляет работу только в интерактивном режиме измерения под управлением компьютера.
Предлагаемое изобретение позволяет устранить указанные недостатки.
Технический результат - расширение функциональных возможностей.
-5
2
2
Достигается это тем, что сейсмический прибор для измерения динамических воздействий при мониторинге технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений, содержащий корпус с разъемами для подключения линии питания и линии передачи данных, расположенные в корпусе три одноканальных сейсмометра электродинамического типа, оси которых ориентированы ортогонально в правой декартовой системе координат, электронную плату с блоком усиления и формирования амплитудно-частотной характеристики каналов измерения, блоком выборки/хранения сигналов, электронным коммутатором сигналов, блоком аналого-цифрового преобразования, блоком управления с контроллером, блоком приемопередачи, блоком стабилизированных напряжений и линии связи, дополнительно содержит блок энергонезависимой памяти долговременного хранения сейсмических сигналов, соединенный с блоком аналого-цифрового преобразования, динамический диапазон измерений которого составляет не менее 120 дБ, и контроллером блока управления, узел формирования выходного сигнала в линию связи о регистрации прибором превышения заданного порога амплитуды ускорений и приемник входных сигналов, обеспечивающий синхронизацию ввода служебной и контрольной информации с компьютера в прибор через блок ввода/вывода, причем каждый одноканальный сейсмометр электродинамического типа имеет собственную частоту 28-30 Гц и максимально возможную амплитуду смещения колеблющейся инерционной массы не менее 1,0 мм, при этом диапазон регистрации ускорений составляет от 2.10 м/с до 14 м/с.
-5
2
2
Такое конструктивное выполнение прибора обеспечивает расширение диапазона регистрации ускорений от 2.10 м/с до 14 м/с, что позволяет применять его как для мониторинга технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений в обычных условиях, так и на объектах, на которых предусмотрены инженерно-сейсмометрические станции и станции мониторинга технического состояния, обеспечивая при этом работу прибора как в автономном режиме, так и под управлением персонального компьютера.
-5
2
2
Выход за пределы указанных в формуле изобретения параметров для сейсмометров и блока аналого-цифрового преобразования не позволяет обеспечить диапазон регистрации ускорений от минимального 2.10 м/с до максимального 14 м/с.
На фиг. 1 изображена схема прибора.
Прибор содержит пыле-влагозащищенный корпус с тремя расположенными в нем одноканальными сейсмометрами 1 электродинамического типа (один вертикальный и два горизонтальных), при этом оси сейсмометров внутри корпуса прибора ориентированы ортогонально в правой декартовой системе координат - оси X и Y - горизонтально, ось Z - вертикально. Каждый сейсмометр имеет собственную частоту 28-30 Гц и максимально возможную амплитуду смещения колеблющейся инерционной массы не менее 1,0 мм. Корпус имеет два разъема - для подключения линии 2 питания и линии 3 передачи данных. Сейсмометры соединены с электронной платой, расположенной в корпусе.
Электронная плата содержит соединенные с сейсмометрами 1 и между собой блок 4 усиления и формирования амплитудно-частотной характеристики каналов измерения, блок 5 выборки/хранения сигналов, электронный коммутатор 6 сигналов, блок 7 аналого-цифрового преобразования (АЦП), блок 8 управления работой прибора с контроллером, блок 9 приемопередачи, блок 10 стабилизированных напряжений. Дополнительно прибор содержит блок 11 энергонезависимой памяти долговременного хранения информации, предназначенный для записи и долговременного хранения сигналов, соединенный с блоком 7 аналого-цифрового преобразования и контроллером блока 8 управления, узел 12 формирования выходного сигнала в линию связи о регистрации прибором превышения заданного порога амплитуды ускорений, приемник 13 входных сигналов с компьютера, обеспечивающий синхронизацию ввода служебной и контрольной информации с компьютера через блок ввода/вывода.
Блок 4 усиления и формирования амплитудно-частотной характеристики каналов производит предварительное усиление сигналов, поступающих с сейсмометров, формирует амплитудно-частотную характеристику каналов измерения, обеспечивая наилучшее сглаживание частотной зависимости характеристики сейсмометров и подавление частотных компонент сигнала, расположенного выше 1/2 частоты дискретизации. Блок 5 выборки/хранения обеспечивает хранение сигнала на время аналого-цифрового преобразования. Электронный коммутатор 6 производит последовательное подключение измерительных каналов к аналого-цифровому преобразователю блока 7. Аналого-цифровой преобразователь производит оцифровку поступающих через электронный коммутатор 6 аналоговых сигналов. Так как динамический диапазон входных сигналов, в заданном диапазоне измеряемых ускорений, составляет не менее 120 дБ, в приборе применен АЦП с плавающей запятой. Разрешающая способность такого преобразователя определяется разрешающей способностью базового АЦП, умноженной на разрешающую способность цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), включенного в обратную связь АЦП.
Блок 8 управления на базе контроллера ATmega16 обеспечивает работу прибора в следующих режимах:
- инициализация параметров прибора;
- режим работы прибора;
- работа блоков и узлов прибора по командам персонального компьютера;
- работа в автономном режиме.
При подключении питания контроллер блока 8 проводит инициализацию и проверку работоспособности основных узлов и прибора в целом. Далее контроллер проверяет подключение компьютера к прибору. Если компьютер включен и подключена линия связи, контроллер переводит прибор в режим работы под управление команд, поступающих с персонального компьютера. В противном случае контроллер переводит прибор в автономный режим под управление самоорганизующейся программы, входящей в состав программного обеспечения прибора.
Работа прибора с участием персонального компьютера включает:
- выдачу информации о работоспособности прибора по запросу компьютера;
- ввод и хранение параметров и режимов, определяющих работу прибора;
- слежение за уровнем регистрируемого ускорения;
- формирование и выдачу сигнала о превышении его интенсивности в компьютер по линии связи с приостановкой АЦП-преобразования (по блок-схеме - формирователь сигнала превышения);
- начало и останов аналого-цифрового измерения по командам, поступающим с компьютера;
- запись сигналов в долговременную энергонезависимую память;
- передачу записанной прибором информации в компьютер;
- синхронное аналого-цифровое преобразование сигналов и съем информации по командам, поступающим с компьютера (в случае использования прибора для получения передаточных характеристик и других опытных исследований);
- прием и передачу служебных данных (приемник 13 управляющих сигналов с компьютера).
Работа в автономном режиме включает:
- аналого-цифровое преобразование сигналов сейсмометра, синхронизируемое от собственного таймера;
- слежение за сейсмической ситуацией, выделение и запись сигналов с начальной интенсивностью, превышающей заданный порог;
- запись сигналов в долговременную энергонезависимую память с указанием номера сейсмометра, номера записи, уровня порога включения и длительности записи;
- при наличии записанных в память прибора «полезных» сигналов передачу их в персональный компьютер при его автономном подключении.
В процессе работы контроллер проводит мониторинг питающих напряжений (блок 10). В случае понижения напряжения (менее заданного порога) контроллер выключает прибор.
Блок 9 предназначен для организации коммуникационного информационного обмена в многоточечной автоматизированной/автоматической системе наблюдений. Блок обеспечивает передачу данных с прибора по двухпроводной (витая пара) линии связи, по протоколу UART, в интерфейсе RS-485, с максимальной скоростью передачи данных ~ М бит/сек на расстояние до 1,5 км.
Блок 11 энергонезависимой памяти долговременного хранения информации предназначен для записи и хранения сейсмических сигналов. Запись и съем информации управляется командами, поступающими с контроллера блока 8, и производится или по указанию компьютера, или при работе прибора в автономном режиме. Объем устанавливаемой памяти определяется задачами и режимом работы прибора, а число запоминаемых событий определяется устанавливаемой длительностью одной записи, частотой дискретизации и разрядной сетки АЦ-преобразования. В описываемом варианте прибора установлена память, позволяющая записывать до 60-ти сигналов длительностью до 30-40 секунд.
Для ввода цифровых данных, поступающих по линии связи с прибора в компьютер, и передачи служебной информации для каждой или всех станций применяют электронный модуль ввода информации в компьютер - адаптер. По сути выполняемых задач адаптер представляет собой модуль, обеспечивающий аппаратный обмен информацией и служебными данными между прибором и компьютером, а также обеспечивает контроль и включение в работу заданных компьютером приборов. Информационная связь адаптера с компьютером осуществляется через USB - порт компьютера.
Сигнал от узла 12 формирования выходного сигнала в линию связи о регистрации прибором превышения заданного порога амплитуды ускорений поступает через адаптер в компьютер.
Приемник 13 входных сигналов обеспечивает синхронизацию ввода служебной и контрольной информации с компьютера в прибор через блок ввода/вывода (инициализация, параметры, режимы работы).
Блок 7 подключен к схеме 14 опорного напряжения.
В соответствии с более широким диапазоном решаемых задач разработаны дополнительные модули программного обеспечения контроллера и персонального компьютера.
Дополнительное программное обеспечение содержит:
- модуль ввода и исполнения инструкций, поступающих с компьютера в прибор;
- модуль анализа поступающей с прибора информации и принятия решений на начало записи «полезного» сигнала при работе прибора в системе;
- модуль записи «полезных» сигналов в долговременную энергонезависимую память;
- модуль передачи записанных в режиме автономной работы прибора «полезных» сигналов в компьютер;
- модуль взаимодействия с электронным модулем ввода информации в компьютер.