СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ И ДОЛГОВРЕМЕННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ ИЛИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНОГО СООРУЖЕНИЯ
SYSTEM FOR MEASURING AND LONG-TERM MONITORING OF CONDITION OF BUILDING STRUCTURE OR CONSTRUCTION ENGINEERING STRUCTURE

Предлагаемая система относится к измерительной технике, а именно к автоматическим средствам периодического отслеживания состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения в процессе его эксплуатации, позволяющим своевременно выявить превышение допустимых деформаций конструкции и предупредить ее разрушение.
Известны способы и устройства контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения (авт. свид. СССР №№168605, 1200123, 1213350, 1498664, 1562845; патенты РФ № №2049307, 2100866, 2180430, 2272993, 2327105, 2343446, 2352205, 2413055, 2417369, 2472129; патенты США №№3851521, 4452087; патент Великобритании №2260434; Ренский А.Б. Руководство по тензометрированию строительных конструкций и материалов. М. 1971, с. 133, с. 149-155; Казачек В.Г. и др. Обследование и испытание зданий и сооружений. - М.: Высшая школа, 2006, с. 164 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близким к предлагаемой системе является устройство, реализующее «Способ контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения (патент РФ №2327105, G01B 7 (16, 2006), которое и выбрано в качестве прототипа.
Известное устройство содержит пункт контроля в виде компьютера, датчики, размещенные в местах диагностирования конструкции, связанный с ними блок предварительной обработки сигналов и средства связи блока обработки сигналов с упомянутым компьютером. При этом блок предварительной обработки выполнен с возможностью опроса датчиков, приема и регистрации сигналов, содержащих измерительную информацию, и с возможностью сравнения упомянутой информации с заранее внесенными в его память фиксированными величинами.
Основными показателями состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения являются наличие и величина деформации ее составляющих элементов. Поэтому, как правило, в качестве датчиков для проведения контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения используют тензометрические датчики, при этом в качестве фиксированной величины для сравнения поступающей с них информации используют расчетное значение предельно допустимой деформации элемента конструкции, на котором установлен данный датчик.
Достоинствами тензометрических датчиков являются:
- высокая точность измерений (1%) в диапазоне перемещений (±5 мм) и в широком диапазоне температур (от -40° до +65°C);
-3
- высокая разрешающая способность (10 мм).
Основными недостатками являются:
- быстрое старение тензочувствительных элементов;
- сравнительно высокое энергопотребление;
- низкая надежность;
- наличие гистерезиса.
Высокое энергопотребление связано с наличием источников питания (батарей или аккумуляторов) и работой датчиков в непрерывном режиме. Поскольку процесс, например, деформации зданий или инженерно-строительных сооружений очень медленный и только в экстренных ситуациях требуется непрерывный поток информации, алгоритм работы известных технических решений позволяет задавать интервалы опроса датчиков от 5 секунд до нескольких часов.
Низкая надежность тензометрических датчиков связана с низкой надежностью источников питания и с необходимостью их регулярной замены. Как правило, продолжительность работы любого источника питания не превышает нескольких дней.
Высокое энергопотребление и низкая надежность тензометрических датчиков снижает эффективность известных технических решений как элементов комплексной безопасности инфраструктуры, особенно при эксплуатации стратегических объектов и крупных высотных зданий, преимущественно офисных, а также инженерно-строительных сооружений культурно-досугового характера, т.е. для тех зданий и инженерно-строительных сооружений, в которых происходит массовое скопление людей, так как в этих случаях особенно необходимо своевременное реагирование на аварийную ситуацию и обеспечение оперативной эвакуации.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности измерений и долговременного контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения путем снижения энергопотребления и повышения надежности датчиков.
Поставленная задача решается тем, что система измерений и долговременного контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, содержащая в соответствии с ближайшим аналогом пункт контроля, характеризующийся использованием компьютера, измерительные преобразователи, размещенные в местах диагностирования конструкции, связанный с ними блок предварительной обработки сигналов, включающий плату аналого-цифрового преобразователя, средства связи блока предварительной обработки сигналов с упомянутым компьютером, выполненным с возможностью опроса измерительных преобразователей, приема и регистрации сигналов, содержащих измерительную информацию, и с возможностью сравнения упомянутой информации с заранее внесенными в его память фиксированными величинами, и средства наглядного представления информации, включающие выведенное на экран компьютера условное изображение контролируемой конструкции и цветные метки-индикаторы, размещенные на упомянутом изображении в соответствии с размещением измерительных преобразователей и выполненные с возможностью отражения в реальном времени посредством своего цвета и его изменения исправности соответствующего измерительного преобразователя и результатов сравнения последней принятой с него информации, при этом компьютер выполнен с возможностью одновременного со сменой цвета метки-индикатора вывода на экран дополнительных сведений о типе и исполнении элемента конструкции, на котором размещен соответствующий упомянутой метке-индикатору измерительный преобразователь, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена ридером, а в качестве измерительных преобразователей использованы пассивные транспондеры на поверхностных акустических волнах, причем ридер содержит последовательно подключенные к выходу блока предварительной обработки сигналов синхронизатор, синтезатор частот, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, и n каналов обработки сигналов, каждый из которых содержит последовательно подключенные к выходу дуплексера полосовой фильтр, удвоитель фазы, делитель фазы на два, первый узкополосный фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом полосового фильтра, а выход является первым выходом канала обработки сигналов и подключен к соответствующему входу блока предварительной обработки сигналов, при этом к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены перемножитель, второй вход которого соединен с соответствующим выходом синтезатора частот, второй узкополосный фильтр и измеритель девиации частоты, выход которого является вторым выходом канала обработки сигналов и подключен к соответствующему входу блока предварительной обработки сигналов, каждый пассивный транспондер выполнен в виде микрополосковой приемопередающей антенны, встречно-штыревого преобразователя и набора отражателей, нанесенных на поверхность пьезокристалла, при этом встречно-штыревой преобразователь состоит из двух гребенчатых систем электродов, связанных между собой двумя шинами, которые соединены с микрополосковой приемопередающей антенной.
Структурная схема предлагаемой системы представлена на фиг. 1. Структурная схема ридера (считывающего устройства) изображена на фиг. 2. Функциональные схемы транспондеров (радиочастотных меток) показаны на фиг. 3.
Система измерений и долговременного контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения содержит набор измерительных преобразователей (транспондеров) 1.i (i=1, 2, …, n), последовательно связанные ридер 11, блок 2 предварительной обработки сигналов, включающий плату аналого-цифрового преобразователя 3, линию связи - шину 4, устройство согласования сигналов - конвектор 5, пункт контроля, выполненным в виде компьютера 6, и связанные с последним дисплей 7 и устройство 8 звуковой сигнализации. На экран дисплея 7 выведено условное изображение 9 контролируемой конструкции с размещенными на ней цветными метками-индикаторами 10.
Ридер 11 содержит последовательно подключенные к выходу блока 2 предварительной обработки синхронизатор 12, синтезатор 13 частот, дуплексер 14, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 15, и n каналов обработки сигналов, каждый из которых содержит последовательно подключенные к выходу дуплексера 14 полосовой фильтр 16.i, удвоитель 17.i фазы, делитель 18.i фазы на два, первый узкополосный фильтр 19.i и фазовый детектор 20.i, второй вход которого соединен с выходом полосового фильтра 16.i, а выход является первым выходом I канала обработки сигналов и подключен к соответствующему входу блока 2 предварительной обработки сигналов. При этом к выходу первого узкополосного фильтра 19.i последовательно подключены перемножитель 21.i, второй вход которого соединен с соответствующим выходом синтезатора 13 частот, второй узкополосный фильтр 22.i и измеритель 23.i девиации частоты, выход которого является вторым выходом II канала обработки сигналов и подключен к соответствующему входу блока 2 предварительной обработки сигналов (i=1, 2, …, n).
Каждый транспондер выполнен в виде микрополосковой приемопередающей антенны 25.i встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и набора отражателей 29.i. При этом ВШП состоит из двух гребенчатых систем электродов 26.i, связанных меду собой двумя шинами 27.i и 28.i, которые соединены с микрополосковой приемопередающей антенной 25.i (i=1, 2, …, n).
Предлагаемая система работает следующим образом.
Осуществляют установку транспондеров 1.i (i=1, 2, …, n) в наиболее опасных сечениях конструкции, подверженных наибольшим нагрузкам. Среди них могут быть желзнобетонные и металлические балки, различные вертикальные опоры, плиты перекрытий и т.п. Упомянутые места обычно определяет конструктор здания или инженерно-строительного сооружения.
i
i
g
i
gi
Резонансная частота ω каждого транспондера определяется расстоянием между электродами 26.i (i=1, 2, …, n). При этом транспондер находится в свободном (ненапряженном) состоянии. При воздействии нагрузки P резонансная частота ω увеличивается на величину Δω, которая называется девиацией частоты (ω+Δω). Это происходит за счет деформации пьезокристалла и уменьшения расстояния между электродами 26.i.
i
gi
Если происходит растяжение конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, то резонансная частота транспондера уменьшается (ω-Δω).
gi
gi
gi
Следовательно, по девиации частоты ±Δω можно судить о нагрузках и деформациях конструкции здания или инженерно-строительного сооружения. На экран дисплея 7 выведено условное изображение 9 контролируемой конструкции с размещенными на ней цветными метками-индикаторами 10, соответствующими транспондерам 1.i (i=1, 2, …, n). Работа транспондеров, измеренные девиации частоты Δω которых находятся в допустимых пределах, отражается зеленым цветом метки-индикатора 10. Нерабочее состояние транспондера отражается желтым цветом. Для отражения показаний транспондеров, превышающих предельно допустимые значения девиации частоты Δω, предусмотрен красный цвет индикатора.
В память компьютера 6 заносят расчетные величины предельно допустимой деформации для каждого контролируемого элемента конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, на который устанавливается транспондер, а также сведения о контролируемом элементе и другая необходимая для принятия решения информация.
За зданием (сооружением) устанавливают постоянный надзор на протяжении всего периода эксплуатации. Система находится в постоянном режиме самодиагностики.
Компьютер 6 в соответствии с заданной программой производит периодический опрос транспондеров 1.i (i=1, 2, …, n), для чего на шину 4 выставляется команда, которая принимается блоком 2 предварительной обработки сигналов и запускает синхронизатор 12 ридера 11. Последний запускает синтезатор 13 частот, который формирует гармонические колебания:
Эти колебания через дуплексер 14 поступают в приемопередающую антенну 15, излучаются в эфир и облучают контролируемые элементы конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, на которых установлены соответствующие транспондеры 1.i (i=1, 2, …, n). Каждый транспондер настроен на свою определенную частоту.
i
Гармоническое колебание U(t) улавливается приемопередающей микрополосковой антенной 25.i соответствующего транспондера и возбуждает встречно-штыревой преобразователь (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ), состоящий из двух гребенчатых систем электродов 26.i, связанных двумя шинами 27.i и 28.i (i=1, 2, …, n).
В основе работы устройства на ПАВ лежат три физических процесса:
- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;
- распространение акустической волны по поверхности пьезокристалла (звукопровода) 24.i и ее отражение;
- обратное преобразование ПАВ в сложный электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн).
Следует отметить, что скорость V ПАВ примерно на пять порядков меньше скорости С электромагнитных волн (V<<C). Внутренняя структура сформированного сложного ФМн сигнала определяется структурой ВШП, т.е. порядком расположения электродов, и является идентификационным номером контролируемого элемента конструкции здания или инженерно-строительного сооружения.
Для прямого и обратного преобразования ПАВ используется ВШП, работа которого основана на том, что переменные в пространстве и временно электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов 26.i, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Центральная частота и полоса пропускания ВШП определяются шагом размещения электродов 26.i и их количеством. Изготовление транспондеров осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможности современной фотолитографии позволяют создавать ВШП, работающие на частотах до 3ГГц. Под воздействием внешней нагрузки P резонансная частота транспондера изменяется в определенных пределах. Это происходит за счет деформации пьезокристалла и уменьшения (увеличения) расстояния между электродами 26.i.
Сформированный транспондером 1.i сложный ФМн сигнал
gi
где ±Δω - девиация частоты, обусловленная деформацией контролируемого элемента конструкции здания или инженерно-строительного сооружения под воздействием внешней нагрузки P;
ki
i
Hi
i
Hi
i
φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с внутренней структурой ВШП и являющаяся идентификационным номером N контролируемого элемента конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, на котором установлен соответствующий транспондер 1.i, излучается микрополосковой приемопередающей антенной 25.i в эфир, улавливается приемопередающей антенной 15 ридера 11 и через дуплексер 14 поступает на вход полосового фильтра 16.i, выделяется им и поступает на информационный вход фазового детектора 22.i и на вход удвоителя 11.i фазы. Частота настройки ω полосового фильтра 16.i выбирается равной несущей частоте ω принимаемого ФМн сигнала (ω=ω).
На выходе удвоителя 17.i фазы образуется гармоническое напряжение
ki
в котором фазовая манипуляция уже отсутствует, так как 2φ(t)={0,2π}. Это напряжение поступает на вход усилителя 18.i фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое напряжение.
которое выделяется узкополосным фильтром 19.i, используется в качестве опорного напряжения и подается на опорный вход фазового детектора 22.i. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 22.i образуется низкочастотное напряжение
где
i
пропорциональное идентификационному номеру N контролируемого элемента конструкции здания или инженерно-строительного сооружения.
Это напряжение с первого выхода I i-го канала обработки поступает на соответствующий вход блока 2 предварительной обработки сигналов.
3i
i
Гармоническое напряжение U(t) с выхода узкополосного фильтра 19.i одновременно подается на первый вход перемножителя 21.i, на второй вход которого поступает соответствующее гармоническое напряжение U(t) с выхода синтезатора 13 частот. На выходе перемножителя 21.i образуется напряжение
где
gi
gi
Hi
gi
которое выделяется узкополосным фильтром 22.i и поступает на вход измерителя 23.i девиации частоты. Последний измеряет девиацию частоты ±Δω, по которой можно судить о нагрузке и деформации контролируемого элемента конструкции здания или инженерно-строительного сооружения. Информация об измеренном значении девиации частоты ±Δω со второго выхода II i-го канала обработки поступает на соответствующий вход блока 2 предварительной обработки сигналов. Напряжение U(t) и девиация частоты ±Δω поступают на плату аналого-цифрового преобразователя 3 блока 2 предварительной обработки сигналов, где они преобразуются в цифровую форму и передаются на шину 4. Конвертор 5 осуществляет преобразование полученной информации к виду, пригодному для обработки и анализа в компьютере 6. Компьютер 6 также осуществляет сравнение полученных данных с заранее введенной в память предельной величины. Сравнение может осуществляться, например, путем нахождения разности между упомянутыми величинами.
При превышении полученной с транспондера 1.i информации предельно допустимого значения и при смене знака полученной разницы компьютер 6 выдает сигнал на смену цвета соответствующей метки-индикатора 10 и на звуковое устройство 8, осуществляющее подачу звукового сигнала. Одновременно с этим производится обращение к памяти компьютера 6 и извлечение из нее всей имеющейся информации о том элементе строительной конструкции, на котором произошло превышение. Извлеченная информация выводится на экран дисплея 7.
Дежурный, в рабочей зоне которого расположен дисплей 7, фиксирует сигнал «тревоги». Эксплуатация здания или инженерно-строительного сооружения приостанавливается, производится эвакуация людей и специалисты производят обследование элемента конструкции, с которого поступил тревожный сигнал. После анализа принимается решение о дальнейшей эксплуатации здания или инженерно-строительного сооружения.
Система позволяет предупредить возникновение опасных деформаций в зданиях и инженерно-строительных сооружениях на ранних стадиях и тем самым предотвратить разрушение последних, осуществить своевременную эвакуацию людей и материальных ценностей.
Постоянный контроль - надзор - особенно важен при эксплуатации стратегических объектов и крупных, высотных зданий, преимущественно офисных, а также инженерно-строительных сооружений культурно-досугового характера, т.е. для тех зданий и сооружений, в которых происходит массовое скопление людей, так как в этих случаях особенно необходимо быстрое реагирование на аварийную ситуацию и обеспечение оперативной эвакуации.
Заявляемая многоканальная компьютерная система мониторинга строительных конструкций позволяет круглосуточно автоматически отслеживать состояние контролируемой конструкции и выводить наглядную информацию на пульт дежурного, который может быть расположен в комнате охраны здания, на пункте контроля и управления инженерно-строительного сооружения, а может быть выведен на пульт полиции, МЧС или другой соответствующей организации.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение эффективности измерений и долговременного контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения. Это достигается за счет снижения энергопотребления и повышения надежности датчиков, в качестве которых используются пассивные транспондеры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), связанные дуплексной радиосвязью с ридером (считывающим устройством).
Транспондеры на ПАВ и ридер совместно с устройством для обработки информации (компьютером) образуют систему радиочастотной идентификации, основными преимуществами которой являются:
- малые габариты транспондеров на ПАВ и отсутствие источников питания (батарей, аккумуляторов);
- длительный срок эксплуатации радиочастотных меток (транспондеров);
- отсутствие физического контакта между транспондерами и ридером;
- высокая разрешающая способность и селективность, обусловленная тем, что каждый пассивный транспондер содержит свой идентификационный код (номер) и настроен на определенную резонансную частоту;
- транспондеры и ридер используют дискретную информацию, что способствует технологическому взаимодействию с компьютером (пунктом контроля);
- большой объем информации, который могут нести пассивные транспондеры;
- радиочастотные метки (транспондеры) практически невозможно подделать;
- радиочастотная система может использоваться в агрессивных средах, а пассивные транспондеры могут «читаться» ридером через грязь, краску, пар, воду, пластмассу и древесину.
Наряду с достоинствами радиочастотным меткам (транспондерам) присущи и некоторые недостатки. К ним относятся:
- относительная высокая стоимость;
- взаимные коллизии;
- подверженность помехам в виде электромагнитных полей.
К основным характеристикам системы радиочастотной идентификации можно отнести следующие:
- мощность передатчика ридера (средняя) - не более 100 мВТ;
- частотный диапазон - 400-420 МГЦ (900-920 МГЦ);
- дальность действия - не менее 60 м;
32
128
- количество кодовых комбинаций - 2-2;
c
c
c
с
- тип используемого сигнала - широкополосный сигнал с фазовой манипуляцией (база сигнала - В=Δf·T=200-500, где Δf - ширина спектра, Т - длительность сигнала);
- габариты транспондера - 8×15×5 мм;
- срок службы транспондера - не менее 20 лет;
- потребляемая транспондером мощность - 0 Вт.