Прибор мониторинга трещин и стыков зданий и сооружений (варианты)

Авторы патента:


 

Полезная модель относится к устройствам измерения, обработай 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. Задачей является создание прибора повышенной надежности, который может работать автономно и независимо от других аналогичных устройств, в том числе, объединенных в общую систему мониторинга технического состояния зданий и сооружений. Прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений в 1-м варианте выполнения содержит корпус, в котором конструктивно объединены в единый модуль последовательно соединенные магнитный датчик положения, аналого-цифровой преобразователь, устройство сбора и обработки информации в виде микроконтроллера и модуль приема-передачи информации через сеть беспроводной связи в виде ZigBee- или GSM-модема, а также автономный источник питания, соединенный со всеми блоками прибора. При этом корпус снабжен направляющими, а магнитный датчик положения состоит из рейки, установленной с возможностью перемещения по направляющим, на которой жестко закреплена, по крайней мере, одна магнитная шкала с повторяющейся пошагово магнитной структурой, а также из, по крайней мере, одного датчика магнитного поля с аналоговым выходом. Во 2-м варианте исполнения прибора магнитный датчик положения содержит, по крайней мере, один датчик магнитного поля с цифровым выходом, в связи с чем аналого-цифровой преобразователь из состава блоков прибора исключен. В частных случаях обоих вариантов выполнения прибор может дополнительно содержать модули: «часы-будильник», энергонезависимой памяти, датчика температуры и коммутатора питания, отключающего неработающие блоки. Прибор обеспечивает повышение надежности измерения величины изменения размеров трещины за счет исключения механического контакта между его подвижными частями измерительной части, повышение надежности работы в целом за счет преобразования аналоговых величин линейного изменения размеров трещины в цифровые значения, а также уменьшение потребления питания. Прибор в виде единого модуля позволяет использовать его в автономном режиме и передавать собранную информацию на удаленные рабочие места, или в общей системе мониторинга технического состояния 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 ввода вручную результатов измерений для возможности их машинной обработки и хранения.

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.

Известно также изобретение «Датчик линейных перемещений» по патенту РФ 2364832 (заявка 2008113029 с приоритетом от 03.04.2008 г.), МПК G01B 7/00, опубликовано 20.08.2009 г.

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности, к диагностики осей автомобилей в условиях автосервиса и служит для повышения достоверности результатов испытаний.

Датчик линейных перемещений преимущественно подрессоренной и неподрессоренной масс содержит закрепленную в корпусе магнитную головку (датчик), носитель кодовой информации в виде плоской магнитной ленты, расположенной с возможностью перемещения относительно магнитной головки. Датчик снабжен подпружиненным стержнем, установленным в опорах корпуса, который закреплен на испытуемой массе. Магнитная лента с нанесенными на ней на одинаковом расстоянии рисками закреплена на стержне с возможностью непосредственного контакта с магнитной головкой. Во избежание разрывов магнитной ленты и разрушения магнитной головки о стержень между ними помещена поролоновая подложка. Головка (магнитный датчик) через усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключена к компьютеру.

Известно также изобретение «Устройство для определения вертикальных деформаций» по патенту 2425975 (заявка 2010105114 с приоритетом от 12.02.2010 г.), МПК E21C 39/00, опубликовано 10.08.2011 г.

Устройство предназначено для определения деформаций массива горных пород. Содержит, в частности, элемент передачи деформаций в виде подвижного штока, один конец которого прикреплен к упорной пружине и установлен с упором в регулировочный винт, а другой конец соединен с нижним элементом крепления посредством натянутой струны. Кроме того устройство содержит преобразователь линейных перемещений в виде линейки герконов и ленточного магнита с подключенным к нему через кабель блоком индикации регистрирующего прибора. Вертикальные деформации посредством струны передаются подвижному штоку, который вместе с жестко закрепленном на нем ленточным магнитом перемещается вверх или вниз. Под воздействием магнитного поля ленточного магнита соответствующие контакты герконов, находящиеся в зоне его действия, срабатывают, что фиксируется блоком индикации регистрирующего прибора. Ленточный магнит удерживает своим магнитным полем все контакты перекрытых им герконов в замкнутом состоянии, сохраняя этим полный объем информации. Регистрирующий прибор с блоком индикации вынесен на поверхность. При этом величина вертикальных деформаций определяется числом сработавших герконов, умноженным на их шаг установки, который выбирается в зависимости от необходимой точности измерений.

Известна международная заявка WO 2013007720 на изобретение «Система контроля повреждений конструкций зданий» PCT/EP 2012/063474 от 10.07.2012 на основе заявки VR 2011A000143 (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 наличие механического контакта между подвижными частями измерительной системы. 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. Реохорд, являясь моточным изделием, имеет нелинейность по сопротивлению, что требует индивидуальной калибровки каждого реохорда в составе датчика. 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 о состоянии (прибора мониторинга) трещин и стыков зданий и сооружений повышенной надежности измерения, выполненного 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 прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений в 1-м варианте выполнения содержит корпус, в котором конструктивно объединены в единый модуль последовательно соединенные магнитный датчик положения, аналого-цифровой преобразователь, устройство сбора и обработки информации в виде микроконтроллера и модуль приема-передачи информации через сеть беспроводной связи в виде ZigBee- или GSM-модема, а также автономный источник питания.

При этом корпус снабжен направляющими, а магнитный датчик положения состоит из рейки, установленной с возможностью перемещения по направляющим корпуса, на которой жестко закреплена, по крайней мере, одна магнитная шкала с повторяющейся с определенным шагом магнитной структурой, а также из, по крайней мере, одного датчика магнитного поля с аналоговым выходом.

Питание от автономного источника питания подводится ко всем блокам прибора, т.е. автономный источник питания соединен с датчиком магнитного поля, с аналого-цифровым преобразователем, с микроконтроллером, и ZigBee- или GSM-модемом.

При этом все узлы и блоки заявляемого устройства расположены в общем корпусе, из которого выступают наружу только направляющие со свободным концом рейки магнитного датчика положения с магнитной шкалой.

Задача решается также за счет того, что прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений во 2-м варианте исполнения содержит все те же блоки и связи, что и в 1-м варианте, за исключением аналого-цифрового преобразователя, а также того, что в магнитном датчике положения датчики магнитного поля выполнены с цифровым выходом.

В обоих вариантах выполнения прибора мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений его составные блоки предназначены для выполнения следующих функций.

Корпус служит для интеграции элементов прибора и их защиты от внешних воздействий. Корпус имеет направляющие, по которым перемещается рейка магнитного датчика положения.

Перед началом работы корпус прибора со всеми расположенными внутри него блоками крепится к стене здания или сооружения с одной стороны трещины (или стыка), а выступающий наружу из корпуса свободный конец направляющих с рейкой магнитного датчика положения крепится к стене с противоположной стороны трещины (или стыка).

На рейке магнитного датчика положения жестко закреплена, по крайней мере, одна магнитная шкала.

Магнитная шкала имеет немагнитную металлическую основу и магнитный слой с, как минимум одной, повторяющейся магнитной структурой.

В частном случае выполнения прибора магнитная шкала на рейке имеет магнитный слой с, как минимум одной, магнитной дорожкой, намагниченной по синусоидальному закону.

При этом в зависимости от требуемой точности измерений магнитная структура, в частности магнитная дорожка, намагниченная по синусоидальному закону, может иметь шаг из ряда 1 мм, 1.28 мм, 2 мм, 2.8 мм, 4 мм, 5 мм, 20 мм, 40 мм или др. Шагом считается половина от периода магнитной шкалы.

Использование магнитной шкалы с одной намагниченной дорожкой позволяет определять абсолютное положение датчика магнитного поля в пределах одной половины периода (одного шага) магнитной шкалы, намагниченной по синусоидальному закону (фиг. 6).

Для определения положения датчика магнитного поля на расстояниях больших, чем шаг магнитной шкалы, используют магнитные шкалы с двумя и большим количеством намагниченных дорожек, как минимум одна из которых намагничена по синусоидальному закону. Такая комбинация магнитных шкал в паре с соответствующим датчика магнитного поля позволяет определять его положение в пределах одного участка с неповторяющейся комбинацией форм намагниченности магнитных шкал (фиг. 7).

Рейка магнитного датчика положения с магнитной шкалой при изменении размера трещины (или стыка) здания (сооружения) перемещается относительно датчика магнитного поля, который считывает эту информацию.

В случае выполнения прибора по 1-му варианту, датчик (датчики) магнитного поля с аналоговым выходом соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который оцифровывает аналоговые сигналы датчика и передает их на микроконтроллер.

В случае выполнения прибора по 2-му варианту, датчик (датчики) магнитного поля с цифровым выходом соединен непосредственно с микроконтроллером, т.к. в этом случае АЦП не нужен.

Микроконтроллер рассчитывает положение датчика магнитного поля относительно магнитной шкалы и передает результаты измерения на модуль передачи информации в виде ZigBee- или GSM-модема, а также вырабатывает управляющие сигналы, необходимые для функционирования прибора.

Модуль приема-передачи информации, выполненный в виде ZigBee- или GSM-модема, обеспечивает передачу результатов измерения об изменении размера трещины (или стыка) здания (сооружения) через сеть беспроводной связи (радиосвязь, Интернет) на удаленные рабочие места.

В качестве автономного источника питания, обеспечивающего электрическим питанием все блоки прибора, может быть использован любой элемент питания, вырабатывающий необходимое для работы прибора напряжение и ток, например, литий-ионные аккумуляторы, литиевые аккумуляторные батареи, солнечные батареи с аккумуляторами и системой зарядки.

Таким образом в заявляемом устройстве (приборе), выполненном по обоим вариантам, выполнение магнитного датчика положения, состоящего из рейки с магнитной шкалой, установленной с возможностью перемещения по направляющим корпуса, и датчика магнитного поля, в отличие от системы-аналога и прототипа обеспечивает повышение надежности измерения за счет исключения механического контакта между его подвижными частями при считывании информации об изменении размера трещины (стыка) здания (сооружения).

Кроме того, указанное выполнение заявляемого устройства (прибора) обеспечивает считывание информации и преобразование ее в импульсы, т.е. обеспечивает преобразование аналоговых величин линейного изменения размеров трещины стыка) здания (сооружения) 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 магнитного датчика положения поступает на микроконтроллер устройства сбора и передачи информации либо с АЦП (в 1-м варианте), либо непосредственно с датчика магнитного поля с цифровым выходом (во 2-м варианте), 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 частных случаях заявляемого устройства, выполненного по любому из описанных вариантов, прибор дополнительно содержит модуль «часы-будильник», соединенный с микроконтроллером и автономным источником питания. Модуль «часы-будильник» привязывает результаты измерения ко времени измерения, формирует интервалы времени между измерениями и сеансами связи, обеспечивает подачу сигнала для перевода прибора из спящего режима с пониженным энергопотреблением в рабочий режим.

При этом в частности, заявляемое устройство (прибор) может дополнительно содержать блок энергонезависимой памяти, соединенный с микроконтроллером и автономным источником питания. Энергонезависимая память позволяет хранить результаты измерений прибора в случае снижения напряжения автономного источника питания ниже допустимого уровня. Кроме того, если по каким-то причинам сеанс связи с удаленным рабочим местом не состоялся, сохраненные данные измерений будут переданы во время ближайшего следующего успешного сеанса связи. В качестве энергонезависимой памяти может быть использована, например, микросхема с электрически стираемой памятью.

В частных случаях заявляемого устройства, выполненного по любому из описанных вариантов, прибор дополнительно содержит датчик температуры, соединенный с микроконтроллером и с автономным источником питания. Датчик температуры служит для учета и последующей оценки зависимости динамики изменения размера трещины от температуры окружающей среды в месте установки прибора. Для использования в составе прибора подходит множество из выпускаемых вариантов датчиков температуры в интегральном исполнении.

В частных случаях заявляемого устройства, выполненного по любому из описанных вариантов, прибор дополнительно содержит коммутатор питания, который включен в схему прибора таким образом, что модуль питания соединен со всеми остальными блоками прибора через этот коммутатор питания.

Коммутатор питания под управлением микроконтроллера отключает неиспользуемые блоки прибора, что позволяет снизить ток потребления прибора в целом, и как следствие - увеличить время его работы без замены элементов питания. В качестве коммутатора питания могут быть использованы, например, электронные ключи на основе полевых транзисторов.

Описанная конструкция устройства прибора в виде единого модуля позволяет ему в автономном режиме измерять изменения величины 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 приборов в местах трещин и стыков здания позволяет считывать и передавать информацию о состоянии здания в различных местах в центр обработки информации, где не требуется идентификация соответствующего датчика и обработка нескольких потоков информации, что упрощает использование общей системы мониторинга.

Таким образом, техническим результатом полезной модели - прибора мониторинга 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 приборов в общей системе мониторинга технического состояния зданий и сооружений приводит к ее упрощению.

Заявляемая полезная модель - прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений поясняется следующими чертежами:

на фиг. 1 приведена структурная схема прибора по 1-му варианту в общем случае выполнения;

на фиг. 2 приведена структурная схема прибора по 1-му варианту в частных случаях выполнения;

на фиг. 3 приведена структурная схема прибора по 2-му варианту в общем случае выполнения;

на фиг. 4 приведена структурная схема прибора по 2-му варианту в частных случаях выполнения;

на фиг. 5 приведена схема датчика магнитного поля промышленного исполнения, включающая 4 датчика Холла;

на фиг. 6 приведен рисунок, поясняющий формирование аналоговых выходных сигналов датчика магнитного поля при перемещении относительно него рейки с магнитной шкалой;

на фиг. 7 представлен пример магнитной шкалы с двумя магнитными дорожками.

Заявляемое устройство - прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений по 1-му варианту выполнения в общем случае (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором расположены последовательно соединенные магнитный датчик положения 2, состоящий из рейки 3, установленной с возможностью перемещения по направляющим корпуса 1 с жестко закрепленной на ней, по крайней мере, одной магнитной шкалой 4 с повторяющейся с определенным шагом магнитной структурой, и из, по крайней мере, одного датчика магнитного поля с аналоговым выходом 5, аналого-цифровой преобразователь 6, устройство сбора и обработки информации в виде микроконтроллера 7 и модуль передачи информации 8 через сеть беспроводной связи в виде ZigBee- или GSM-модема, а также автономный источник питания 9, соединенный с блоками 5, 6, 7 и 8. При этом корпус 1 прибора имеет направляющие, по которым возможно перемещение рейки 3 с магнитной шкалой 4 магнитного датчика положения 2. Все блоки прибора расположены в общем корпусе 1, из которого выступают наружу только направляющие со свободным концом рейки 3 магнитного датчика положения 2 с магнитной шкалой 4. При этом автономный источник питания 9, в частности, может быть выполнен в виде аккумуляторной батареи.

В частном случае выполнения прибора по 1-му варианту магнитная шкала 4 на рейке 3 имеет магнитный слой с, как минимум одной, магнитной дорожкой, намагниченной по синусоидальному закону (фиг. 6).

В частном случае выполнения прибора по 1-му варианту, помимо блоков, содержащихся в общем случае выполнения, он содержит модуль «часы-будильник» 10 (фиг. 2), соединенный с микроконтроллером 7 и с автономным источником питания 9. В этом случае прибор, в частности, может дополнительно содержать блок энергонезависимой памяти 11, соединенный с микроконтроллером 7 и с автономным источником питания 9.

В частном случае выполнения прибора по 1-му варианту, помимо блоков, перечисленных выше, он содержит датчик температуры 12 (фиг. 2), соединенный с микроконтроллером 7 и с автономным источником питания 9.

В частном случае выполнения прибора по 1-му варианту, помимо блоков, содержащихся в общем случае выполнения, а также любого из перечисленных выше дополнительных блоков в частных случаях выполнения, он дополнительно содержит коммутатор питания 13, включенный электрически в схему прибора таким образом, что автономный источник питания 9 соединен со всеми остальными блоками через этот коммутатор питания 13 (фиг. 2).

Прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений по 2-му варианту выполнения в общем случае (фиг. 3) содержит корпус 1 с направляющими, в котором конструктивно объединены в единый модуль последовательно соединенные магнитный датчик положения 2, состоящий из рейки 3, установленной с возможностью перемещения по направляющим корпуса 1 с жестко закрепленной на ней, по крайней мере, одной магнитной шкалой 4 с повторяющейся с определенным шагом магнитной структурой, и из, по крайней мере, одного датчика магнитного поля с цифровым выходом 14, устройство сбора и обработки информации в виде микроконтроллера 7 и модуль передачи информации 8 через сеть беспроводной связи в виде ZigBee- или GSM-модема, а также автономный источник питания 9, соединенный с блоками 14, 7 и 8, который может быть выполнен, в частности, в виде аккумуляторной батареи.

В частном случае выполнения прибора по 2-му варианту, магнитная шкала 4 на рейке 3 имеет магнитный слой с, как минимум одной, магнитной дорожкой, намагниченной по синусоидальному закону (фиг. 6).

В частном случае выполнения прибора по 2-му варианту, помимо блоков, содержащихся в общем случае выполнения, он содержит модуль «часы-будильник» 10 (фиг. 4), соединенный с микроконтроллером 7 и с автономным источником питания 9. В этом случае прибор, в частности, может дополнительно содержать блок энергонезависимой памяти 11, соединенный с микроконтроллером 7 и с автономным источником питания 9.

В частном случае выполнения прибора по 2-му варианту, помимо блоков, перечисленных выше, он содержит датчик температуры 12 (фиг. 4), соединенный с микроконтроллером 7 и с автономным источником питания 9.

В частном случае выполнения прибора по 2-му варианту, помимо блоков, содержащихся в общем случае выполнения, а также любого из перечисленных выше дополнительных блоков в частных случаях выполнения, он дополнительно содержит коммутатор питания 13, включенный электрически в схему прибора таким образом, что автономный источник питания 9 соединен со всеми остальными блоками через этот коммутатор питания 13 (фиг. 4).

Заявляемый прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений по 1-му и 2-му вариантам выполнения (фиг. 1 и 3 соответственно) в общем случае работает следующим образом.

Перед началом работы корпус 1 прибора со всеми расположенными внутри него блоками крепится к стене здания или сооружения с одной стороны трещины (или стыка), а выступающий наружу из корпуса свободный конец направляющих с рейкой 3 и магнитной шкалой 4 магнитного датчика положения 2 крепится к стене с противоположной стороны трещины (или стыка).

При изменении размера трещины (или стыка) здания (сооружения) рейка 3 датчика магнитного поля 2 с магнитной шкалой 4 перемещается по направляющим корпуса 1 относительно датчика магнитного поля с аналоговым выходом 5 в 1-м варианте исполнения (фиг. 1) или датчика магнитного поля с цифровым выходом 14 во 2-м варианте исполнения (фиг. 3), который считывает эту информацию об изменении размера трещины (стыка).

При этом использование магнитной шкалы 4 с одной намагниченной дорожкой позволяет определять абсолютное положение датчика магнитного поля с аналоговым выходом 5 в 1-м варианте исполнения (фиг. 1) или датчика магнитного поля с цифровым выходом 14 во 2-м варианте исполнения (фиг. 3) в пределах одной половины периода (одного шага) магнитной шкалы, намагниченной по синусоидальному закону (фиг. 6).

Для определения положения датчика магнитного поля на расстояниях больших, чем шаг магнитной шкалы 4, используют магнитные шкалы с двумя и большим количеством намагниченных дорожек, как минимум одна из которых намагничена по синусоидальному закону. Такая комбинация магнитных шкал в паре с соответствующим датчиком магнитного поля позволяет определять его положение в пределах одного участка с неповторяющейся комбинацией форм намагниченности магнитных шкал (фиг. 7).

Далее, в случае выполнения прибора по 1-му варианту (фиг. 1), сигналы датчика магнитного поля 5 с аналоговым выходом передаются на микроконтроллер 7 через аналого-цифровой преобразователь 6 (АЦП), который их оцифровывает. В случае выполнения прибора по 2-му варианту (фиг. 3), датчик магнитного поля с цифровым выходом 14 передает сигналы непосредственно на микроконтроллер 7, т.к. в этом случае АЦП не нужен.

Микроконтроллер 7 рассчитывает положение датчика магнитного поля (5- в 1-м варианте, 14- во 2-м варианте) относительно магнитной шкалы 4 и передает результаты измерения на модуль передачи информации 8 в виде ZigBee- или GSM-модема, а также вырабатывает управляющие сигналы, необходимые для функционирования прибора в целом.

Модуль приема-передачи информации 8 в виде ZigBee- или GSM-модема, обеспечивает передачу результатов измерения об изменении размера трещины (или стыка) здания (сооружения) по радиоканалу GSM с помощью протокола GPRS через Интернет на Web-сервер, на котором расположен центр обработки информации на базе ЭВМ, либо на удаленные рабочие места пользователей.

Автономный источник питания 9 обеспечивает электрическим питанием все блоки прибора. В качестве автономного источника питания 9 может быть использован любой элемент питания, обеспечивающий необходимое для работы прибора напряжение и ток, например, в частности, литий-ионные аккумуляторы, литиевые аккумуляторные батареи, солнечные батареи с аккумуляторами и системой зарядки.

В частных случаях заявляемый прибор как по 1-му, так и по 2-му вариантам исполнения работает так же как и в общем случае, за исключением того, что:

- в случае, когда автономный источник питания 9 выполнен в виде аккумуляторной батареи, по достижении нижней допустимой границы величины питающего напряжения она подлежит замене;

- в случае, когда прибор дополнительно содержит модуль «часы-будильник» 10, это позволяет привязывать результаты измерения ко времени измерения, формирует интервалы времени между измерениями и сеансами связи, обеспечивает подачу сигнала для перевода прибора из спящего режима с пониженным энергопотреблением в рабочий режим.

Если при этом, в частности, прибор дополнительно содержит блок энергонезависимой памяти 11, это позволяет сохранять результаты измерений в случае снижения напряжения автономного источника питания 9 ниже допустимого уровня, а также при неудачном сеансе связи передавать сохраненные данные измерений через модуль 8 во время ближайшего успешного сеанса связи;

- в случае, когда прибор дополнительно содержит датчик температуры 12, это позволяет учитывать и оценивать зависимость динамики изменения размера трещины (стыка) от температуры окружающей среды;

- во всех частных случаях, когда прибор дополнительно содержит коммутатор питания 13, подключенный между автономным источником питания 9 и всеми остальными блоками прибора, питание этих блоков осуществляется через коммутатор питания 13, который под управлением микроконтроллера 7 отключает неиспользуемые блоки прибора, что позволяет снизить ток потребления прибора в целом, и как следствие - увеличить время его работы без замены элементов питания 9.

Таким образом, описанная конструкция прибора в виде единого модуля позволяет ему в автономном режиме, независимо от других аналогичных устройств, измерять величину изменения в состоянии трещин и стыков зданий и сооружений, обрабатывать и передавать собранную информацию на удаленные рабочие места.

При этом заявляемая полезная модель - прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений обеспечивает повышение надежности сбора, обработки и передачи информации об изменении размеров трещины или стыка здания или сооружения за счет исключения механического контакта между его подвижными частями измерительной части, а также уменьшение тока потребления питающего напряжения.

Выполнение прибора в виде единого модуля обеспечивает возможность его работы автономно и независимо от других аналогичных устройств, в том числе, объединенных в общую систему мониторинга технического состояния зданий и сооружений. Установка таких автономных приборов в местах трещин и стыков здания позволяет считывать и передавать информацию о его состоянии в различных местах в центр обработки информации, где не требуется идентификация соответствующего датчика и обработка нескольких потоков информации, что упрощает использование общей системы мониторинга состояния здания.

Заявляемый прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений может быть изготовлен из обычных и стандартных для данного типа устройств составных частей и крепежа.

Так, например, корпус 1 может быть выполнен из поликарбоната, а все входящие в него блоки могут быть установлены на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита.

Рейка 3 магнитного датчика положения 2 может быть выполнена, например, из нержавеющей стали AISI430.

В качестве магнитной шкалы 4, жестко закрепленной на рейке 3, например, с помощью двухстороннего скотча, могут быть использованы, например, шкала одной из фирм ASM, RLS, Bogen Electronic, Elgo Electronic, Sico, Dexter Magnetic Technologies, имеющих немагнитную металлическую основу и магнитный слой с, как минимум одной, магнитной дорожкой, намагниченной по синусоидальному закону с шагом из ряда 1 мм, 1.28 мм, 2 мм, 2.8 мм, 4 мм, 5 мм, 20 мм, 40 мм или др. в зависимости от требуемой точности измерения.

В качестве датчика магнитного поля с аналоговым выходом 5 может быть использован, например, один из следующих интегральных датчиков: iC-MU, iC-MZ, iC-SM2L, iC-SM5L (фирма iC Haus).

В качестве аналого-цифрового преобразователя 6 (АЦП) может быть использована, например, микросхема AD7192BRUZ (4 входа, 24 бит, фирма Analog Devices).

В качестве датчика магнитного поля с цифровым выходом 14 может быть использован, например, один из следующих интегральных датчиков: LMA10, LM10, LM13, LM15, RoLin (фирма RLS); PMIS3 (фирма ASM); IC-MU и iC-MHL200 (фирма iC Haus) в паре с магнитными шкалами MUL1L-16N (фирма iC Haus) и MB400 (фирма Sico) соответственно.

Конкретным примером датчика магнитного поля с цифровым выходом 14 может служить интегральная микросхема IC-ML (ф. iC Haus), предназначенная для работы в паре с одной магнитной шкалой с шагом 2,56 мм (магнитный период 5,12 мм). Кристалл IC-ML содержит 4 датчика Холла, расположенных на расстоянии Psens = 1,28 мм (фиг. 7). Два из них снимают в противофазе сигнал, соответствующий синусу, два других - косинусу положения. Такое решение позволяет учитывать разбросы: по амплитуде уровня намагниченности магнитной шкалы, который может достигать 10%; по температурным зависимостям микросхемы IC-ML и магнитного материала магнитной шкалы; по расстоянию между корпусом датчика и магнитной шкалой (в пределах, заданных производителем).

Конкретным примером датчика магнитного поля с цифровым выходом 14 для работы с двумя магнитными дорожками может служить интегральная микросхема IC-MU в паре с магнитной шкалой MUL1L-16N (фирма iC Haus), обе дорожки которой намагничены по синусоидальному закону: мастер (M) и нониус (N) с шагами M ш=1,28 мм и Nш=2,16/15. При этом область, где положение датчика относительно шкал M и N имеет уникальную комбинацию значений, т.е. где положение датчика определяется как абсолютное, составляет 40,96 мм.

В качестве микроконтроллера 7 может быть использована, например, микросхема типа ATMega1284P фирмы Atmel.

В качестве устройства приема-передачи информации через сеть Интернет по радиоканалу в виде ZigBee- или GSM-модема 8 может быть использован, например, модуль XB24CZ7PIS-004 (фирма DIGI) стандарта ZigBee или SIM900 (фирма SIMCOM) стандарта GSM.

В качестве автономного источника питания 9 могут быть использованы, например, литий-ионные аккумуляторы серии MP (фирма Saft) емкостью 4600 и 6100 мА/ч, литиевые аккумуляторные батареи на основе элементов LIR18650 (фирма EEMB) емкостью 2200 мА/ч; химические элементы питания семейства LSH (фирма Saft) типа LSH14 емкостью 5500 мА/ч, типа LSH20 емкостью 13000 мА/ч; солнечные батареи на монокристаллических или поликристаллических солнечных элементах с системой зарядки на микросхемах BQ25504 (фирма TI) или LTC3105 (фирма LT).

Модуль «часы-будильник» 10 может быть основан, например, на микросхеме - часах реального времени, такой как DS1337 (фирма Maxim), включенной по типовой схеме, приведенной, например на сайте в Интернете по адресу: http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS1337-DS1337C.pdf.

В качестве энергонезависимой памяти 11 может быть использована, например, микросхема электрически стираемой памяти с последовательным интерфейсом, например AT24C04 фирмы Atmel.

В качестве датчика температуры 12 может быть использован, например, один из вариантов датчика в интегральном исполнении LM75AD.112 (фирма NXP).

В качестве коммутатора питания 13 могут быть использованы, например, электронные ключи на основе полевого транзистора с изолированным затвором, такого как IRLML6402 (фирма International Rectifier), собранные по известным схемам для p-канальных транзисторов с изолированным затвором, приведенные, например, в курсе «Прикладная электроника» в разделе «2.1.3 Электронные ключи на полевых транзисторах» в Интернете на сайте по адресу: http://www.e-pe.ee/_download/emii_repository/file/3362/Rakenduselektroonika.zip213_.html

1. Прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений, содержащий корпус, в котором конструктивно объединены в единый модуль последовательно соединенные магнитный датчик положения, аналого-цифровой преобразователь, устройство сбора и обработки информации в виде микроконтроллера и модуль передачи информации через сеть беспроводной связи в виде ZigBee- или GSM-модема, а также автономный источник питания, причем корпус снабжен направляющими; магнитный датчик положения состоит из рейки, установленной с возможностью перемещения по направляющим корпуса, с жестко закрепленной на ней, по крайней мере, одной магнитной шкалой с повторяющейся с определенным шагом магнитной структурой, и из, по крайней мере, одного датчика магнитного поля с аналоговым выходом, при этом автономный источник питания соединен с датчиком магнитного поля, с аналого-цифровым преобразователем, с микроконтроллером и ZigBee- или GSM-модемом.

2. Прибор по п. 1, в котором по крайней мере одна магнитная шкала рейки магнитного датчика положения выполнена в виде магнитной дорожки, намагниченной по синусоидальному закону.

3. Прибор по п. 1 или 2, который дополнительно содержит модуль "часы-будильник", соединенный с микроконтроллером и с автономным источником питания.

4. Прибор по п. 3, который дополнительно содержит блок энергонезависимой памяти, соединенный с микроконтроллером и с автономным источником питания.

5. Прибор по п. 1 или 2, который дополнительно содержит датчик температуры, соединенный с микроконтроллером и с автономным источником питания.

6. Прибор по п. 1, в котором автономный источник питания выполнен в виде аккумуляторной батареи.

7. Прибор по любому из пп. 1-6, который дополнительно содержит коммутатор питания, причем автономный источник питания соединен со всеми остальными блоками прибора через этот коммутатор питания.

8. Прибор мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений, содержащий корпус, в котором конструктивно объединены в единый модуль последовательно соединенные магнитный датчик положения, устройство сбора и обработки информации в виде микроконтроллера и модуль передачи информации через сеть беспроводной связи в виде ZigBee- или GSM-модема, а также автономный источник питания, причем корпус снабжен направляющими; магнитный датчик положения состоит из рейки, установленной с возможностью перемещения по направляющим корпуса с жестко закрепленной на ней, по крайней мере одной магнитной шкалой с повторяющейся с определенным шагом магнитной структурой, и из, по крайней мере, одного датчика магнитного поля с цифровым выходом, при этом автономный источник питания соединен с датчиком магнитного поля, с микроконтроллером и ZigBee- или GSM-модемом.

9. Прибор по п. 8, в котором по крайней мере одна магнитная шкала рейки магнитного датчика выполнена в виде магнитной дорожки, намагниченной по синусоидальному закону.

10. Прибор по п. 8 или 9, который дополнительно содержит модуль "часы-будильник", соединенный с микроконтроллером и с автономным источником питания.

11. Прибор по п. 10, который дополнительно содержит блок энергонезависимой памяти, соединенный с микроконтроллером и с автономным источником питания.

12. Прибор по п. 8 или 9, который дополнительно содержит датчик температуры, соединенный с микроконтроллером и с автономным источником питания.

13. Прибор по п. 8, в котором автономный источник питания выполнен в виде аккумуляторной батареи.

14. Прибор по любому из пп. 8-13, который дополнительно содержит коммутатор питания, причем автономный источник питания соединен со всеми остальными блоками прибора через этот коммутатор питания.



 

Похожие патенты:
Наверх