Домой Точность превыше всего Система мониторинга строительных конструкций. Функциональная схема построения и выбор типов датчиков

Система мониторинга строительных конструкций. Функциональная схема построения и выбор типов датчиков

535
2
система мониторинга строительных конструкций

Система мониторинга строительных конструкцийВ данной статье рассматриваются базовые принципы построения измерительной части системы постоянного мониторинга инженерных конструкций (СМИК) высотных зданий различного назначения, рассмотрены основные типы применяемых датчиков, применяемых в системах в системах мониторинга строительных конструкций высотных зданий.

В соответствии с ГОСТ Р 22.1.13-2013 система мониторинга инженерных (несущих) конструкций, опасных природных процессов и явлений — это подсистема СМИС, осуществляющая в режиме реального времени контроль изменения состояния оснований, строительных конструкций зданий и сооружений; сооружений инженерной защиты, зон схода селей, оползней, лавин в зоне строительства и эксплуатации объекта мониторинга в целях предупреждения чрезвычайных ситуаций.

Типовая система СМИК высотного здания как правило состоит из нескольких измерительных подсистем:

  • подсистема измерения механических напряжений и деформаций несущих стен и колонн, ферм и других элементов строительных конструкций, в которых сконцентрированы механические напряжения;
  • подсистема измерения кренов и углов наклона основания и ядер жёсткости;
  • подсистема измерения собственных частот и декрементов затухания колебаний строительных конструкций

Рассмотрим кратко построение каждой из этих подсистем и типы датчиков, применяемых на практике.

Подсистема измерения деформаций несущих элементов строительных конструкций

Подсистема измерения деформаций состоит из датчиков деформаций, установленных одиночно или попарно и контролирующих деформации растяжения сжатия и/или деформации изгиба.

Выбор места установки датчиков деформации зависит от конструктивных особенностей здания, объемно-пространственной структуры, типа и способа построения несущего каркаса, высотности. К универсальным базовым принципам выбора мест размещения можно отнести следующие:

— датчики деформации сосредотачиваются на одной высотной отметке, в местах наибольших напряжений. Обычно, это нижний этаж и этажи, где толщина несущих конструкций (стен или колонн) уменьшается. Выбор горизонтальных сечений обусловлен тем, что знать распределение напряжений в горизонтальном сечении важнее, чем в вертикальном. Кроме того, картина распределения напряжений по горизонтали (на одном этаже) более качественно фиксирует неравномерности опирания конструкции.

-датчики деформации размещаются в местах наибольшей концентрации механических напряжений, предварительно определенных моделированием, необходимо избегать мест размещения датчиков в узлах строительных конструкций, одновременно испытывающих напряжения в нескольких направлениях.

-при измерении деформации растяжения-сжатия достаточно установить одиночный датчик, при необходимости измерении деформаций напряжения-сжатия при наличии одновременно изгибных деформациях элемента строительных конструкций устанавливается два датчика с двух сторон оси симметрии элемента, вдоль направления деформации растяжения-сжатия и перпендикулярно направлению измеряемой деформации изгиба.

-необходимо избегать мест размещения датчиков, освещаемых прямыми солнечными лучами, т.к. локальный нагрев будет приводить к расширению материала элемента строительных конструкций в месте установки датчика и как следствие, изменению показаний датчика при отсутствии фактических изменений напряженно-деформированного состояния самой строительной конструкции.

На практике в системах мониторинга строительных конструкций применяются датчики деформации на основе пленочных тензорезисторов или струнные датчики деформации.

Датчики деформаций на основе пленочных тензорезисторов состоят двух или четырех тензорезисторов, наклееных на рабочее тело, включенных по  полумостовой или мостовой схеме. Мостовая схема тензодатчика образована рабочей парой тензорезисторов и парой компенсационных тензорезисторов, расположенных рядом с рабочим на ненагруженной пластине или наклеенных на рабочее тело, но перпендикулярно направлению силы, вызывающей деформацию.

Благодаря жесткому креплению к поверхности объекта мониторинга, деформация объекта мониторинга приводит к деформации рабочего тела датчика и наклеенных на него пленочных тензорезисторов.

Основным достоинством таких датчиков является относительно невысокая стоимость и неприхотливость. Основным недостатком датчиков данного типа является его высокая конструктивная жесткость. В зависимости от конструктивного исполнения рабочего тела датчика деформации восстанавливающая сила противодействия датчика растяжению или сжатию может находится в диапазоне от нескольких сот до нескольких тысяч ньютон для датчиков, рабочее тело которых конструктивно выполнено в виде пластины. Эта сила деформирует крепление датчика, приводит к проскальзыванию датчика в креплении, что существенно увеличивает погрешность измерений деформаций. Увеличение прочности крепления приводит к увеличению неопределенности измерительной базы датчика и как следствие большой погрешности измерений.

Компания НТП «Горизонт» предлагает датчик деформации на основе пленочных тензорезисторов серии TMG. Датчики деформации серии TMG выпускаются с аналоговым и цифровым выходом RS-485.

TMG-D01

Тензометрический датчик деформации TMG-D01

Перечисленных недостатков лишены струнные датчики деформации. Восстанавливающая сила струнного датчика деформации как правило не превышает нескольких десятков ньютон. Датчики данного типа могут быть закреплены на поверхности точечной сваркой или приклеены к объекту мониторинга. Струнные датчики имеют малый собственный дрейф нуля и низкую дополнительную температурную погрешность, просты в монтаже и долговечны.

Основным недостатком датчиков данного типа является относительно высокая стоимость датчика.

Принцип действия струнного датчика основан на изменении частоты колебаний струны в зависимости от силы ее натяжения. Колебание струны возбуждается импульсом тока в катушке возбуждения. После возникновения устойчивого колебания, струна сама начинает индуцировать переменный ток в катушке, частота которого измеряется вторичным прибором струнного датчика.

Струнный датчик деформации SVWG

Цифровой струнный датчик деформации SVWG-D01

НТП «Горизонт» предлагает струнный датчик деформации серии SVWG-D01 с встроенным электронным блоком и цифровым выходом RS-485.  Передача данных по цифровым линиям RS-485 позволяет создавать последовательные измерительные цепи датчиков, подключаемых с помощью разветвителей на расстояния до 800м. Количество подключаемых датчиков ограничено только падением напряжения в цепях питания и составляет 10-20 шт. на одну измерительную линию.

Подсистема измерения кренов, углов наклона элементов строительной конструкции

Подсистема измерения кренов и углов наклона состоит из двухкоординатных инклинометров (датчиков угла наклона), устанавливаемых на фундаментную плиту и этажах по всей высоте здания. В зависимости от высотности здания инклинометры устанавливают через каждые шесть-десять этажей. Количество и места установки датчиков выбираются таким образом, чтобы получить максимально наглядную картину изгибов здания и визуализировать ее с достаточной степенью достоверности. Инклинометры, установленные на фундаментной плите, позволяют контролировать неравномерность осадок при работе конструкции как по второму, так и по первому предельным состояниям.

Вопрос выбора типов инклинометров стоит несколько острее, чем в случае тензодатчиков. В настоящее время на рынке средств измерений угла наклона появляется все больше инклинометров, использующих технологию MEMS.  Неоспоримыми преимуществами датчиков с первичными преобразователями на базе MEMS-микросхем является их низкая стоимость, надежность и малые габариты.

При всей привлекательности первичные преобразователи на базе MEMS имеют несколько существенных недостатков – большой диапазон измерений углов наклона в 5-15 градусов приводит к большой погрешности измерения угла наклона, временной и температурный дрейф, который может достигать нескольких процентов от диапазона.

Компании-производители MEMS-микросхем и сборок на их основе постоянно совершенствуют технологию, повышая точность измерений углов наклона, но на данном этапе развития технологии погрешность измерения инклинометров на основе MEMS — преобразователей остается слишком высокой для задач долговременного мониторинга строительных конструкций.

ИН-Д3 НТП

Инклинометр двухкоординатный ИН-Д3

В своих инклинометрах ИН-Д3 НТП «Горизонт» применяет первичные преобразователи маятникового типа собственной разработки. Принцип действия основан на измерении сопротивления электролита, заполняющим межэлектродное пространство между подвижным электродом-маятником и неподвижными электродами. При изменении угла наклона изменяется межэлектродное расстояние, это приводит к изменению сопротивления, которое регистрируется электронным блоком. Применение мостовой схемы измерения сопротивлений в противоположных плечах позволяет минимизировать влияние температуры и снизить временной и температурный дрейф.

Подсистема мониторинга основных форм колебаний строительных конструкций

Принцип контроля изменения напряженно-деформированного состояния строительных конструкций основан на контроле изменения частот и декрементов затухания первых нескольких форм колебаний строительных конструкций. Принцип измерений подробно описан в ГОСТ 34081-2017 «Здания и сооружения. Определение параметров основного тона собственных колебаний». Расчет основных параметров колебаний осуществляется по нескольким десяткам выборок. Длительность реализации зависит от требований к разрешающей способности системы по частоте. Колебательные ускорения строительных конструкций регистрируются высокочувствительными акселерометрами. Оцифровка сигнала акселерометров осуществляется с помощью внешних АЦП или встроенными АЦП электронного блока датчика. Оба подхода имеют свои плюсы и минусы. Передача аналогового сигнала на узловое устройство аналого-цифрового преобразования избавляет от проблем синхронизации акселерометров в системе, но требует использования дорогостоящего кабеля. Единственно возможная топология при подключении аналоговых датчика –это топология типа «звезда», что приводит к существенному увеличению количества кабеля. Длина кабельной линии аналогового сигнала не должна превышать 90-120м, даже при использовании хорошего кабеля. Датчики с цифровым выходом RS-485 избавлены от перечисленных проблем, не требуют дорогостоящих внешних АЦП, просты в подключении, но также имеют свои ограничения в связи с относительно малой пропускной способности цифровых линий на больших расстояниях. Так на скорости 115200бит/с количество акселерометров, одновременно передающих данные с частотой дискретизации 100Гц по линии RS-485, ограничено пятью и  десятью при длине на скоростях обмена 230400 бит/с. Использование других цифровых интерфейсов, работающих на длинных линиях по медным проводам типа «витая пара» не дают существенных преимуществ по сравнению с интерфейсом RS-485.

Радикальным решением проблемы передачи данных с акселерометров по цифровым линиям является перенос вычислений спектральной плотности мощности, определение основных параметров колебаний на электронный блок акселерометра. В этом случае объем передаваемой информации по цифровым линиями сокращается в сотни раз и ограничивается лишь передачей медленно меняющихся спектров и параметров основных форм колебаний. При таком объеме передаваемых данных передача возможна на минимальных скоростях на большие расстояния.  При этом существенно возрастают требования к производительности микроконтроллера и объем внутренней памяти электронного блока акселерометра.

A1738-D01

A1738-D01 Пьезоэлектрический сейсмоприемник

Для задач спектрального анализа НТП «Горизонт» предлагает двухосевые маятниковые электролитические инклинометры-акселерометры с цифровым выходом АН-Д3, цифровые трехосевые пьезокерамические акселерометры A1738-D01. Оба акселерометра могут поставляться с функционалом расчета основных форм колебаний. Программное обеспечение сервера сбора данных Gorizont Server позволяет производить сбор данных c большого количества акселерометров без потери синхронизации. Расчет параметров основных  форм колебаний по ГОСТ34081-2017 осуществляется в программном модуле Gorizont Spectrum Analysis.

2 КОММЕНТАРИИ

  1. Я не могу сопротивляться желанию прокомментировать.
    Отпадно написано!

  2. Доброго времени суток! Кто-то
    из подписчиков моей страницы в Твиттер подписан на автора этого сайта и может перейти туда, чтобы взглянуть увлекательные
    материалы? Я оставил закладку и обязательно поделюсь с моими подписчиками!
    Замечательный блог, великолепный дизайн и стиль.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here