Устройство для определения статических и динамических параметров несущих конструкций зданий и сооружений

Устройство для определения статических и динамических параметров несущих конструкций зданий и сооружений относится к области мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений, и может быть использовано для автоматического, в режиме реального времени, мониторинга статических и динамических параметров несущих конструкций зданий и сооружений, с целью определения безопасного состояния несущих конструкций зданий и сооружений, оперативного оповещения об изменении их состояния, и предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций. Технический результат полезной модели направлен на упрощение системы за счет использования одного типа датчиков, и на повышение точности системы за счет привязки к точному времени по спутниковым каналам связи, а также за счет использования инклинометров в местах с наименьшими или нулевыми амплитудами линейных колебаний, например, в основании здания. Устройство для определения статических и динамических параметров несущих конструкций зданий и сооружений содержит соединенные между собой, блок инклинометров, сервер обработки и хранения информации, не менее одного навигационного приемника, предназначенного для обеспечения точной временной привязки сигналов инклинометров. Блок инклинометров содержит не менее трех аналоговых и/или цифровых инклинометров, расположенных на концах несущей конструкции и в средней части несущей конструкции, причем аналоговые инклинометры подключены через АЦП.

Полезная модель относится к области мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений, и может быть использована для автоматического, в режиме реального времени, мониторинга статических и динамических параметров несущих конструкций зданий и сооружений, с целью определения безопасного состояния несущих конструкций зданий и сооружений, оперативного оповещения об изменении их состояния, и предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций.

Известна система мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений (Патент 123949 от 10.01.2012). Известная система мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений представляет собой пространственно распределенные блоки, функционально объединенные между собой, и включает в себя блок измерения ускорений колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения изменения зависимостей динамических характеристик, блок определения собственных частот и амплитуд колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения форм колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок синхронизации, блок привязки точного времени, блок измерения наклонов, блок сепарации, блок определения прогибов несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения неравномерности осадок опор несущих конструкций зданий и сооружений, блок измерений линейных перемещений, блок измерения деформаций, блок определения напряжений несущих конструкций зданий и сооружений, блок измерения геодезических параметров, блок измерения влажности, блок измерения температуры, блок самодиагностики, блок калибровки, блок записи и хранения информации, блок обработки и визуализации информации, блок градации выходной информации, блок передачи информации, и не менее одного источника резервного питания, причем все упомянутые блоки подключены к шинам передачи данных, шинам управления и шинам питания.

Недостатком известной системы является большое количество датчиков разного типа, а также отсутствие привязки к точному времени по спутниковым каналам связи.

Технический результат полезной модели направлен на упрощение системы за счет использования одного типа датчиков, и на повышение точности системы за счет привязки к точному времени по спутниковым каналам связи, а также за счет использования инклинометров в местах с наименьшими или нулевыми амплитудами линейных колебаний, например, в основании здания.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для определения статических и динамических параметров несущих конструкций зданий и сооружений содержит соединенные между собой, блок инклинометров, сервер обработки и хранения информации, не менее одного навигационного приемника, предназначенного для обеспечения точной временной привязки сигналов инклинометров. Блок инклинометров содержит не менее трех аналоговых и/или цифровых инклинометров, расположенных на концах несущей конструкции и в средней части несущей конструкции, причем аналоговые инклинометры подключены через АЦП.

На Фиг. 1 приведена блок-схема заявляемого устройства, Фиг. 2 иллюстрирует расположение инклинометров на несущих конструкциях здания/сооружения.

где:

1 - блок инклинометров;

2 - цифровой инклинометр;

3 - аналоговый инклинометр;

4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

5 - сервер обработки и хранения информации;

6 - навигационный приемник;

7 - блок синхронизации;

8 - блок дискретизации.

Полезная модель работает следующим образом. Данные с аналоговых инклинометров 3 снимаются с помощью АЦП 4 задаваемой блоком дискретизации 8 частотой дискретизации, необходимой для определения той или иной резонансной частоты здания. Частота дискретизации определяется в соответствии с Теоремой Котельникова.

К каждому аналоговому инклинометру идет кабельная линия от АЦП 4. Синхронизация старта сбора данных, в том числе с нескольких АЦП 4 осуществляется подачей синхросигнала от внешнего источника на специальный вход каждого АЦП 4. В случае с одним АЦП 4 внешняя синхронизация может не применяться, старт сбора данных осуществляется на программном уровне.

Цифровые инклинометры 2 подключаются к одной кабельной линии последовательно, имеют встроенные АЦП и внутреннюю память (буфер) для накопления оцифрованных данных. Синхронизация старта сбора данных осуществляется с помощью блока синхронизации 7, реализуемом в сервере обработки и хранения информации 5, подачей в линию специальной стартовой команды, одновременно воспринимаемой всеми инклинометрами в линии. Далее встроенные АЦП 4 инклинометров 2 осуществляют сбор и оцифровку измеряемых углов наклона с привязкой временных меток посредством навигационного приемника 6, и запись во внутренний буфер. При обращении командой к конкретному инклинометру (по его логическому номеру, адресу) происходит передача накопленных в буфере данных в сервер обработки и хранения информации 5. Процедура циклическая. Поскольку у каждого инклинометра свой АЦП и свой кварцевый генератор опорной частоты в нем, имеющий свои погрешности, то периодически инклинометры заново синхронизируются путем подачи в линии специальной стартовой команды.

Управление и сбор данных осуществляется сервером обработки и хранения информации 5 по проводным или беспроводным каналам связи используя интерфейсы последовательной передачи данных, например, по интерфейсу RS 485, или интерфейсы параллельной передачи данных, например, по интерфейсу Ethernet.

Это позволяет получать по каждой оси каждого датчика набор значений углов наклона с привязкой ко времени, то есть некоторый массив данных зависимости значений углов наклона от времени. Обработка этого массива данных осуществляется в сервере обработки и хранения информации 5, в котором реализована функция обработки.

Обработка массива информации идет параллельно по двум направлениям: Процедура усреднения для получения статических параметров углов наклона. Может применяться стандартная процедура усреднения Xуср=(X1+Xi)/i, где i - количество отсчетов непрерывных измерений за время t, Xуср - искомый статический угол наклона. Время t выбирается минимально возможным для получения статического угла наклона, чтобы обеспечить «режим реального времени».

Процедура определения динамических характеристик

Для определения динамических характеристик здания/сооружения датчики устанавливаются на нем в местах наименьших амплитуд перемещений, которые одновременно являются местами наибольших амплитуд колебаний углов наклона.

Для мониторинга (слежения) за одной первой формой колебаний конструкции зажатой только с одной стороны (консоль, столб, высотное строение) достаточно одного инклинометра.

Для мониторинга (слежения) за формами колебаний пролетного строения опертого на две опоры достаточно двух инклинометров.

Однако для идентификации и более точного определения форм колебания и их распределения по конструкции требуется большее количество инклинометров, в зависимости от номера (110) исследуемой формы колебаний соответственно.

Поскольку инклинометры имеют 2 измерительные взаимно перпендикулярные оси, то и формы колебаний могут быть идентифицированы и отслеживаться в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Для определения форм колебаний по нескольким датчикам в блоке обработки и хранения информации 5 применяется следующая процедур. В блоке синхронизации 7 синхронизируются по времени полученные данные от каждого датчика. Применяется преобразование Фурье. (Может применяться и преобразование Хартли).

В случае малого отношения «сигнал/шум» применяется процедура накопления и усреднения спектров.

Преобразование Фурье представляет сигнал, изменяющийся во времени, в виде зависимости частоты и амплитуды, но оно дает также информацию о фазе.

Амплитуда Фурье определяется квадратным корнем из суммы квадратов действительной и мнимой частей. Фаза Фурье определяется арктангенсом мнимой части, деленной на действительную часть.

(Амплитуда и фаза Хартли определяется несколько иначе).

Осуществляется выбор «опорного» датчика. Вычисленные спектры (комплексные) по каждому из датчиков делятся на спектр «опорного». Таким образом выполняется операция приведения. Амплитуда и фаза опорного датчика определяется равной «0». Проводится выбор частоты интересующей формы колебаний (один из максимумов в спектре). Фиксируются амплитуды и фазы всех датчиков в «нулевой» момент времени t0. Далее спектр «прогоняется» по времени и так же фиксируются амплитуды и фазы всех датчиков в моменты времени t0+T/4, t0+T/2, t0+T*3/4, t0+T где T - период колебания для данной формы.

Графически строится форма колебаний в зависимости от расстановки датчиков.

Описанные шаги повторяются для всех интересующих форм (частот) колебаний.

Таким образом полезная модель обеспечивает получение заявленных технических результатов.

Полезная модель промышленно применима. Все элементы (инклинометры, АЦП, серверы, навигационные приемники, и пр.) производятся промышленностью и доступны для применения в составе заявляемой полезной модели.

1. Устройство для определения статических и динамических параметров несущих конструкций зданий и сооружений, содержащее соединенные между собой, блок инклинометров, сервер обработки и хранения информации, не менее одного навигационного приемника, предназначенного для обеспечения точной временной привязки сигналов инклинометров.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок инклинометров содержит не менее трех аналоговых и/или цифровых инклинометров, расположенных на концах несущей конструкции и в средней части несущей конструкции, причем аналоговые инклинометры подключены через АЦП.