Устройство обследования состояния конструкций
STRUCTURE CONDITION INSPECTION DEVICE

Изобретение относится к области неразрушающего контроля конструкций зданий и сооружений и предназначено для определения технического состояния строительных конструкций на основе значений контролируемых физических параметров и для диагностирования безопасной эксплуатации объектов.
В результате проведенного патентного поиска были обнаружены устройства, применяемые для решения подобного рода задач, которые можно рассматривать в качестве аналогов предполагаемого устройства.
Известны «Способ и система контроля состояния конструкций» (патент РФ на изобретение RU 2683369 С2). Система контроля состояния конструкций представляет собой измерительный модуль, установленный на контролируемом элементе конструкции, обеспечивающий возможность измерения угловых и линейных смещений контролируемого элемента конструкции. Недостатком известной системы является отсутствие возможности измерения теплового потока, проходящего через обследуемый объект, что не позволяет в полной мере проанализировать изменение протекания физико-химических процессов.
Известны «Способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений и устройство для его осуществления» (патент РФ на изобретение RU 2471161 С1) - [1]. Известное техническое решение представляет собой устройство, содержащее блоки измерения: деформации, механического напряжения, вибрации, давления, расхода, температуры транспортируемого продукта, температуры грунта, электрического тока, электрического потенциала с электродом сравнения, преобразователи, контроллер, модем, линию связи и пункт контроля. Недостатком известного устройства является отсутствие возможности измерения отклонения строительных конструкций объектов от проектного положения, что снижает эффективность обследования технического состояния зданий и сооружений.
Известно «Устройство контроля технического состояния строительных конструкций» (патент РФ на изобретение RU 940241, заявлен 15.07.2019) - [2], которое представляет собой устройство в защитном корпусе, которое содержит пузырьковый уровень и веб-камеру, размещенные в светонепроницаемом отсеке таким образом, чтобы пузырьковый уровень полностью присутствовал в кадре, а также блок обработки и хранения фотоизображения. Устройство используется для оценки и прогнозирования технического состояния судоходных шлюзов, причальных сооружений, мостовых опор, конструкций зданий и других строительных сооружений по результатам измерения уклона их отдельных частей относительно горизонтальной плоскости. Недостатком известной системы является отсутствие возможности измерения проекции кажущегося ускорения ввиду отсутствия акселерометров.
Известен «Способ мониторинга технического состояния объектов повышенной опасности» (патент РФ на изобретение RU 2626391, заявлен 30.08.2016) - [3]. Данное техническое решение представляет собой автоматизированную систему мониторинга технического состояния конструкций, которая включает в себя три базовых уровня: подсистему датчиков, подсистему сбора и обработки данных, а также экспертную систему оценки и прогнозирования состояния объекта, представляющую собой промышленный компьютер с инсталлированным программным инструментом. На основе материалов проектирования, проектно-изыскательных работ, в экспертной системе формируется расчетная математическая модель объекта. На основе построенной модели осуществляют формирование пространства для идентификации объекта контроля путем измерения частот и форм его собственных колебаний. Недостатком известной системы является отсутствие возможности формирования моделей физического износа объектов, что не позволяет спрогнозировать изменение значений износа строительных конструкций и обеспечить эксплуатирующую объект организацию необходимыми данными о возможном изменении технического состояния здания или сооружения.
Известно «Устройство обследования состояния конструкции» (RU 2636789 С1, G01N 29/00, 28.11.2017) - [4], которое является наиболее близким к разработанному авторами устройству, поэтому указанное изобретение было принято в качестве прототипа заявленного технического решения.
Недостатком указанной системы является отсутствие возможности прогнозирования технического состояния зданий и сооружений, анализа статистической информации об эксплуатируемых объектах, отсутствие функциональной возможности хранения данных обследования и эксплуатации, моделирования деформаций физического воздействия, измерения отклонений строительных конструкций объектов от проектного положения, измерения динамических изменений в механических переменных.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении эффективности эксплуатации зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения посредством контроля над изменением технического состояния строительных конструкций.
Технический результат, который реализуется при использовании предложенного технического решения, заключается в повышении достоверности определения технического состояния строительных конструкций на основе расширения контролируемых физических параметров и расширения возможности устройства для диагностирования безопасной эксплуатации объектов в конструкциях, выполненной на основе моделирования износа объектов, анализа статистической информации о результатах обследования и моделирования деформаций от физического воздействия.
Сущность заявленного устройства обследования состояния конструкций состоит в том, что известное устройство содержит пьезоэлектрические датчики, усилители аналогового сигнала, устройство приема-передачи, компьютер (переносной) ПЭВМ, программное обеспечение, панель оператора со световым и звуковым сопровождением, видеокамера, аналого-цифровые преобразователи, акселерометр, внешний корпус.
При этом устройство дополнительно снабжено:
инклинометрами, блоком моделирования износа объектов, блоком прогнозирования технического состояния, блоком анализа статистической информации, блоком хранения данных обследования и эксплуатации, блоком моделирования деформаций от физического воздействия, а вместо датчика температуры используется устройство контроля теплового потока.
При этом пьезоэлектрические датчики последовательно соединены с усилителями аналогового сигнала, усилители аналогового сигнала последовательно соединены с устройством приема-передачи, которое последовательно соединено с компьютером (переносным) ПЭВМ и взаимодействует с ним через первое программное обеспечение;
акселерометры последовательно соединены с усилителями аналогового сигнала, усилители аналогового сигнала последовательно соединены со вторым аналогово-цифровым преобразователем, который последовательно соединен с компьютером (переносным) ПЭВМ и взаимодействует с ним через второе программное обеспечение;
видеокамеры последовательно соединены с первым аналогово-цифровым преобразователем, который последовательно соединен с компьютером (переносным) ПЭВМ и взаимодействует с ним через третье программное обеспечение;
устройства контроля теплового потока последовательно соединены с третьим аналогово-цифровым преобразователем, который последовательно соединен с компьютером (переносным) ПЭВМ и взаимодействует с ним через четвертое программное обеспечение;
инклинометры последовательно соединены с четвертым аналогово-цифровым преобразователем, который последовательно соединен с компьютером (переносным) ПЭВМ и взаимодействует с ним через пятое программное обеспечение;
блок моделирования износа объектов, блок прогнозирования технического состояния, блок анализа статистической информации, блок хранения данных обследования и эксплуатации, блок моделирования деформаций от физического воздействия последовательно соединены с панелью оператора со световым и звуковым сопровождением, которая последовательно соединена с компьютером (переносным) ПЭВМ.
При этом каждый пьезоэлектрический датчик и акселерометр подключен к своему усилителю аналогового сигнала, а компьютер (переносной) ПЭВМ размещен внутри корпуса и содержит в себе предустановленное первое, второе, третье и четвертое программное обеспечение.
Отличительными признаками заявленного устройства обследования состояния конструкций являются:
1. дополнительное снабжение инклинометрами, блоком моделирования износа объектов, блоком прогнозирования технического состояния, блоком анализа статистической информации, блоком хранения данных обследования и эксплуатации, блоком моделирования деформаций от физического воздействия;
2. использование устройств контроля теплового потока вместо датчика температуры;
3. последовательное соединение устройства контроля теплового потока с третьим аналогово-цифровым преобразователем;
4. последовательное соединение третьего аналогово-цифрового преобразователя с компьютером (переносным) ПЭВМ и взаимодействие с ним через четвертое программное обеспечение;
5. последовательное соединение инклинометров четвертым аналогово-цифровым преобразователем;
6. последовательное соединение четвертого аналогово-цифрового преобразователя с компьютером (переносным) ПЭВМ и взаимодействие с ним через пятое программное обеспечение;
7. последовательное соединение блока моделирования износа объектов, блока прогнозирования технического состояния, блока анализа статистической информации, блока хранения данных обследования и эксплуатации, блока моделирования деформаций от физического воздействия с панелью оператора со световым и звуковым сопровождением.
По сведениям, имеющимся у авторов, совокупность отличительных признаков не известна в технической литературе, что отвечает условию патентоспособности «новизна».
Совместное применение в заявляемом устройстве указанных отличительных признаков №1…7 позволяет получить положительный эффект, который заключается в том, что расширяется область применения устройства, т.к. оно может быть применено для обследования состояния конструкций на основе расширения контролируемых физических параметров и расширения возможности устройства по диагностированию технического состояния зданий и сооружений посредством моделирования износа объектов, прогнозирования технического состояния объектов, анализа статистической информации о результатах обследования и моделирования деформаций от физического воздействия, а также хранения данных обследования и эксплуатации.
Заявленное техническое решение представлено в графических материалах, а именно:
На фигуре 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.
На фигуре 1 используются следующие условные обозначения и нумерация, представленная арабскими цифрами:
1 - Пьезоэлектрические датчики;
2 - Первый усилитель аналогового сигнала;
3 - Устройство приема-передачи;
4 - Компьютер (переносной) ПЭВМ;
5 - Первое программное обеспечение;
6 - Панель оператора;
7 - Видеокамера;
8 - Первый аналого-цифровой преобразователь;
9 - Второе программное обеспечение;
10 - Акселерометр;
11 - Второй усилитель аналогового сигнала;
12 - Второй аналого-цифровой преобразователь;
13 - Третье программное обеспечение;
14 - Внешний корпус;
15 - Устройство контроля теплового потока;
16 - Третий аналого-цифровой преобразователь;
17 - Инклинометры;
18 - Четвертый аналого-цифровой преобразователь;
19 - Четвертое программное обеспечение;
20 - Пятое программное обеспечение;
21 - Блок моделирования износа объектов;
22 - Блок прогнозирования механического состояния;
23 - Блок анализа статистической информации;
24 - Блок хранения данных обследования и эксплуатации;
25 - Блок моделирования деформаций физического воздействия.
Данное изобретение может быть реализовано в переносных блоках посредством последовательной коммутации на объектах строительства. Выполненное в виде переносных блоков устройство устанавливается на строительной конструкции: инклинометры, акселерометры, пьезоэлектрические датчики, видеокамеры; а блоки моделирования износа объектов, прогнозирования механического состояния, анализа статистической информации, хранения данных обследования и эксплуатации, моделирования деформаций физического воздействия находятся в компьютере (переносном) ПЭВМ, который в свою очередь, заключен во внешний корпус.
Инклинометры измеряют углы наклона и направление (азимут) строительных конструкций относительно гравитационного поля Земли для определения стабильности положения и, что особенно важно, количественной оценки величину, скорость и направления наклона.
Акселерометры измеряют проекцию кажущегося ускорения строительных конструкций, что позволяет контролировать их колебания. С их помощью можно регистрировать ускорения, которые передаются на эти конструкции или на их элементы. Датчики позволяют замерить то, как обследуемая строительная конструкция изменяется на этапе строительства и в ходе эксплуатации объекта.
Пьезоэлектрические датчики измеряют скорость изменения деформации (вибрацию) строительных конструкций.
Видеокамеры осуществляют фото- и видеофиксацию изменений, происходящих со строительными конструкциями и сохраняют эти данные в базе данных.
Блок моделирования износа объектов моделирует износ объектов строительных конструкций.
Блок прогнозирования механического состояния выдает прогноз о механическом состоянии строительных конструкций в краткосрочной и долгосрочной перспективе.
Блок анализа статистической информации собирает, обобщает, анализирует и выдает общую оценку о состоянии строительных конструкций.
Блок хранения данных обследования и эксплуатации хранит данные об обследовании и эксплуатации строительных конструкций и их состояния.
Блок моделирования деформаций физического воздействия моделирует деформации физического воздействия.
Устройство для обследования состояния конструкций содержит элементы, которые охарактеризованы на функциональном уровне. Далее при описании работы, предполагаемого устройства представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения такими средствами конкретной предписываемой ему в составе данного устройства функции.
Устройство работает следующим образом.
Оператор подсоединяет пьезоэлектрические датчики, акселерометры, инклинометры, видеокамеры и устройства контроля теплового потока к обследуемой строительной конструкции.
Пьезоэлектрические датчики реагируют на вибрацию или давление в обследуемой строительной конструкции за счет растяжения или сжатия пьезокристаллов и превращают механическое вибровоздействие в электрический сигнал. Далее этот сигнал усиливается в первом усилителе аналогового сигнала, а затем через устройство приема-передачи идет в компьютер (переносной) ПЭВМ, где обрабатывается первым программным обеспечением, а затем выводится на панель оператора. Информация от пьезоэлектрических датчиков дублируется также в блоки моделирования износа объектов, прогнозирования механического состояния, анализа статической информации, хранения данных обследования и эксплуатации, моделирования деформаций физического воздействия.
Акселерометры реагируют на статическое или динамическое ускорение, возникающее в обследуемой строительной конструкции под действием силы, действующей на сенсорный элемент датчика. Далее этот сигнал усиливается в первом усилителе аналогового сигнала, а затем через второй аналого-цифровой преобразователь идет в компьютер (переносной) ПЭВМ, где обрабатывается третьим программным обеспечением, а затем выводится на панель оператора. Информация от акселерометров дублируется также в блоки моделирования износа объектов, прогнозирования механического состояния, анализа статической информации, хранения данных обследования и эксплуатации, моделирования деформаций физического воздействия.
Инклинометры (электронные) используют гироскоп для измерения направления тяги тяжести, который остается в одном положении, независимо от угла наклона прибора. Угол между гироскопом и обследуемой строительной конструкцией определяется с помощью электронных датчиков, а затем его значение через четвертый аналого-цифровой преобразователь идет в компьютер (переносной) ПЭВМ, где обрабатывается пятым программным обеспечением, а затем выводится на панель оператора. Информация от инклинометров дублируется также в блоки моделирования износа объектов, прогнозирования механического состояния, анализа статической информации, хранения данных обследования и эксплуатации, моделирования деформаций физического воздействия.
Видеокамеры фиксируют отклонения обследуемой строительной конструкции с целью видео- и фотофиксации и передают эти данные на первый аналого-цифровой преобразователь, с которого они идут в компьютер (переносной) ПЭВМ, где обрабатывается вторым программным обеспечением, а затем выводятся на панель оператора, сигнализируя оператору об изменении состояния обследуемой строительной конструкции.
Устройство контроля теплового потока измеряет и регистрирует: плотность тепловых потоков, проходящих через одно- или многослойную обследуемую строительную конструкцию, через ее теплоизоляцию и облицовку; температуру поверхности обследуемой строительной конструкции и окружающего воздуха и передает эти данные на третий аналого-цифровой преобразователь, с которого они идут в компьютер (переносной) ПЭВМ, где обрабатываются четвертым программным обеспечением, а затем выводятся на панель оператора. Информация от устройств измерения теплового потока дублируется также в блоки моделирования износа объектов, прогнозирования механического состояния, анализа статической информации, хранения данных обследования и эксплуатации, моделирования деформаций физического воздействия.
Оператор, получив на панели сведения от пьезоэлектрических датчиков, анализирует изменения давления и вибрации в обследуемой строительной конструкции, их влияние на техническое состояние, всей конструкции, прежде всего, возникновение деформаций, и работу в целом, если речь идет, например, о промышленном предприятии.
На основании данных, поступающих оператору с акселерометров, он выносит оценку состояния несущих конструкций и может наблюдать за техническим состоянием обследуемой строительной конструкции в процессе ее эксплуатации, регистрировать ускорения, которые «передаются» на конструкцию или ее элементы. Датчики акселерометра фиксируют колебания, вызванные как природными, так и техногенными факторами.
Данные с инклинометров оператор использует для вынесения оценки о величине и азимуте угла обследуемой строительной конструкцией относительно гравитационного поля Земли, которая необходима для определения обследуемой конструкции в пространстве и предотвращения аварийных ситуаций.
Данные, поступающие оператору с видеокамер, дают наглядное представление о тех изменениях обследуемой строительной конструкции, которые можно увидеть визуально.
На основании полученных данных с устройств контроля теплового потока оператор определяет сопротивление теплопередаче и термическое сопротивление исследуемой строительной конструкции, проводит оценочные измерения ее теплопроводности.
Поступившие с пьезоэлектрических датчиков, акселерометров, инклинометров, видеокамер и устройств контроля теплового потока данные поступают также в блок моделирования износа объектов. Физический износ моделируется с учетом воздействия внешних и внутренних факторов. Анализ и использование полученных данных при проведении обследования позволяет выявить более реальные значения физического износа, а также определить соответствующие зависимости и тенденции изменения.
Поступившие с пьезоэлектрических датчиков, акселерометров, инклинометров, видеокамер и устройств контроля теплового потока данные поступают также в блок прогнозирования механического состояния. Прогнозирование физического состояния обследуемой строительной конструкции во времени и установление целесообразных мероприятий по ее обслуживанию возможно путем перехода от анализа реального объекта к анализу его математической модели. При идеализации реального объекта весьма важно учесть с достаточной для практических целей точностью все существенные свойства и связи, отвлекаясь от второстепенных, несущественных свойств и связей.
Поступившие с пьезоэлектрических датчиков, акселерометров, инклинометров, видеокамер и устройств контроля теплового потока данные поступают также в блок анализа статистической информации, где она анализируется и, сформировавшись в виде графиков и отчета, выводится на панель оператора.
Поступившие с пьезоэлектрических датчиков, акселерометров, инклинометров, видеокамер и устройств контроля теплового потока данные поступают также в блок хранения данных обследования и эксплуатации, где вся полученная информация об обследуемой строительной конструкции накапливается и сохраняется. При необходимости оператор может воспользоваться ей в любое время по запросу.
Поступившие с пьезоэлектрических датчиков, акселерометров, инклинометров, видеокамер и устройств контроля теплового потока данные поступают также в блок моделирования деформаций физического воздействия, где задача определения деформации физического воздействия обследуемой строительной конструкции решается численно, методом конечных разностей в постановке плоской деформации: описывается модель механического отклика обследуемой строительной конструкции.
В результате на панель оператора выводится готовый отчет о состоянии обследуемой строительной конструкции и графики.
По окончании обследования, оператор, используя сведения из базы данных о ранее возникавших изменениях технического состояния строительных конструкций, в зависимости от показателей регистрирующих приборов (пьезоэлектрических датчиков, акселерометров, инклинометров, устройств контроля тепловых потоков), определяет достоверность полученного отчета и в случае положительного исхода сохраняет графики и отчет. Оператор отсоединяет последовательно все переносные модули и ПЭВМ. После того, как оператор проверяет отчет, он заносит его в базу данных и предоставляет заказчику (подрядчику).
Таким образом, благодаря усовершенствованию известной системы достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении достоверности определения состояния строительных конструкций на основе расширения контролируемых физических параметров и расширения возможности системы для диагностирования безопасной эксплуатации объектов.
Использованные источники
1. Патент на полезную модель РФ: RU 91198 U1 от 27.01.2010, МПК G06F 17/00, «Автоматизированная информационно-аналитическая система мониторинга проектов».
2. Патент на изобретение РФ: RU 2569574 С1 от 27.11.2015, МПК Н04В 17/00, «Информационно-аналитическое устройство управления эффективностью инновационного развития предприятия».
3. Патент на изобретение РФ: RU 2626349 от С226.07.2017, МПК G06F 13/00, «Программный комплекс интегрированных информационных систем управления производственным предприятием».
4. Патент на полезную модель РФ: RU 128361 U1 от 20.05.2013, МПК G05B 15/00, G06F 17/40, «Система управления автоматизированным комплексом инженерно-технического обеспечения».
5. Патент на изобретение РФ: RU 2695987 С1 от 29.07.2019, G06Q 10/06, «Автоматизированная система управления предприятием» - прототип.