Система контроля строительных конструкций

Изобретение относится к области строительства, особенно к системам постоянного оперативного контроля за состоянием узлов сопряжения строительных деталей в процессе эксплуатации, способным предоставить объективную информацию о смещении одной детали или ее части относительно другой детали или части. Известен пространственный измеритель колебаний и наклонов ПИКИН-03, измеряющий отклонения по трем координатам со сбором и передачей сигналов по линии связи и последующей обработкой результатов измерений посредством микропроцессора. Недостатками известного измерителя являются: - ограниченное количество измеряемых параметров - три, - первичная обработка информации и передача ее на устройство контроля с помощью микроконтроллера, - необходимость применения сложной аппаратуры для обработки измерительной информации, - необходимость привлечения высококлассных операторов для сбора и обработки результатов измерений. Эти недостатки устранены в предложенной системе контроля строительных конструкций. Сущность изобретения заключается в использовании оптического датчика в качестве источника первичной измерительной информации. Датчик выполнен в виде источника светового потока, размещенного на одной строительной детали, и приемника излучения - матрицы чувствительных элементов на другой строительной детали. При этом источник и матрица расположены так, что световой поток от источника попадает на матрицу и изменение относительного положения источника и матрицы вызывает изменение состояния матрицы с возникновением полезного сигнала, свидетельствующего о смещении одной детали относительно другой. Этот сигнал посредством линии связи передают на устройство контроля, где совокупность полезных сигналов анализируют в интересах принятия оптимального решения оператором или исполнительным устройством. Источником светового потока могут газосветная лампа, нить накаливания, лазер, излучающий диод, естественный свет.

Матрица - сформированный в заданном виде входной торец пучка волоконно-оптических световодов (ВОС), каждый из которых воспринимает световой поток 5 света от источника и передает его к выходному торцу пучка ВОС (устройству контроля), т.е. матрица, линия связи и устройство контроля выполнены на основе единственного оптического элемента - волоконно-оптического световода. В исходном положении одна строительная деталь с жестко закрепленным на ней источником светового потока расположена вблизи другой строительной детали (или состыкована с ней) с жестко закрепленным на ней приемником излучения - матрицей. В режиме невозмущенного относительного расположения обеих деталей световой поток от источника при включении электропитания строит неподвижное изображение диафрагмы на матрице. Матрица посредством линии связи (началом которой она же и является - как волоконно-оптический элемент) оптически соединена с устройством контроля, которое является оконечным элементом линии связи. В случае представления устройства в виде совокупности выходных торцов ВОС (подобной матрице) созданное на нем изображение полевой диафрагмы источника в ИП регистрируют при установке предложенной системы как нулевое, соответствующее нормальному рабочему состоянию узла сопряжения деталей 1 и 3. Нулевое положение может быть обозначено индексами на оправе матрицы, окрашенным в выбранный цвет стекла световодом или линейками световодов, пробелами в линейках световодов, конфигурацией световодов... При нарушении исходного положения в результате относительного смещения деталей и из-за внешнего воздействия на узел их сопряжения (деформация, разрушение деталей) изображение диафрагмы источника, переданное световым потоком на матрицу, смещается относительно этой матрицы. Такое смещение вызывает изменение состояния матрицы, соответствующее возникшему относительному смещению контролируемых деталей. По линии связи полученный сигнал принимают на устройстве контроля без каких-либо преобразований, т.е. без искажений этого первичного измерительного сигнала. При этом величина зарегистрированного на устройстве контроля относительного смещения деталей равна фактическому их смещению. И это зарегистрированное смещение не зависит от внешних условий применения системы контроля и не искажается преобразованиями первичного измерительного сигнала. Этим подтверждается высокая достоверность и надежность оценки смещений. Исключение - факт разрушения самой системы контроля или ее элементов. Слежение за процессом на устройстве контроля возможно в автоматическом режиме (без участия оператора) или в режиме визуального наблюдения оператором.

Автоматический режим может быть реализован путем сканирования изображения на выходе ВОС с помощью, например, коммутатора, опрашивающего каждый элемент выходного торца с последующим анализом полученного массива информации, путем последовательного автоматического фотографирования выходного торца при последующем сопоставлении кадров... Отклонение полученной информации от зарегистрированной в ИП - основа выдачи сигнала о деформации конструкции. Следовательно, выбор способов обнаружения деформации неограничен. При необходимости ВОС могут быть состыкованы с персональным компьютером посредством устройства типа "оптической мыши". Это подтверждает высокую совместимость измерителя с возможными элементами других измерительных схем. Визуальный режим регистрации обеспечен непосредственным наблюдением взаимного положения матрицы и изображения диафрагмы (или креста) в плоскости выходных торцов ВОС. Возможен вариант системы контроля на основе элементарного пучка ВОС, на входе которого - источник светового потока, а на выходе - устройство контроля. Проходящую в зоне сопряжения контролируемых деталей часть пучка просто разрезают поперек, в результате чего получают узел «источник-матрица», описанный выше как оптический датчик смещения, датчик первичной измерительной информации. Так демонстрируется простота конструктивного исполнения системы контроля, что подтверждает возможность существования огромного количества ее вариантов в зависимости от условий применения. Очевидно, что не существует препятствий для размещения предложенной системы контроля в любом необходимом месте конструкции любого объекта. При необходимости в пучок ВОС могут быть встроены световоды из стекла разного цвета, что обеспечивает спектральное разделение каналов передачи сигналов, что недостижимо в существующих конструкциях. Величина деформации, регистрируемой предложенной системой, определяется разрешающей способностью датчика перемещений, в основе которого матрица, облученная световым потоком. Исследования свидетельствуют, что теоретический предел уменьшения этой величины стремится к нулю [2]. Значит, практическое значение деформации определяет заказчик, исходя из необходимых величин, технических возможностей реализации, из условий, видов, диапазона измерений. Прежде всего необходимо определить количество измеряемых параметров. Система способна измерять шесть координат: три линейных и три угловых [2].

Это означает, что предложенная система обеспечивает не только относительные смещения деталей по трем линейным направлениям, но и скручивание их вокруг трех взаимно перпендикулярных осей. Ни один существующий датчик не обладает такой возможностью. Диапазон измеряемых перемещений определяется только заказчиком, т.к. конструкция матрицы не имеет принципиальных ограничений по габаритам. Условия эксплуатации системы позволяют применять ее без ограничений - от лабораторных до полевых вариантов. Конструкция матрицы допускает возможность встраивать в ее тело пустотелые световолокона (ПВОС). При сохранении способности выполнения измерительных операций такая матрица создает условия для прокачки через трубчатые полости ПВОС газов, жидкостей, смесей. Это позволяет осуществлять забор проб этих веществ из зоны наблюдения (выходной торец) в зону анализа (входной торец) для оценки загазованности, задымления, наличия взвесей, химических соединений, радиоактивных частиц... Естественно, такая операция требует установки микронасоса и анализатора. Материал ВОС - стекло исключает искажение результатов анализа за счет попадания в пробу воздуха посторонних примесей. В обратном направлении - к плоскости выходных торцов, к устройству контроля - по пустотелым ВОС может быть подан нужный раствор, состав, реагент для ликвидации микровозгорания, нейтрализации загрязнения, заражения. Система может быть реализована при использования фотоэлектронного матричного приемника излучения в качестве ЧЭ, т.е. не имеет ограничений по совмещению с устройствами «ввода-вывода» оптических и электронных ЦВМ. Простота принципа действия и конструкции датчика обеспечивает доступность эксплуатации системы персоналу невысокой квалификации при несложном оборудовании, достоверность и надежность измерительной информации. Эти обстоятельства существенно снижают стоимость системы контроля и ее эксплуатации. Отсутствие дефицитных комплектующих, простота формирования матрицы совместно с линией связи и устройством контроля делают предложенную систему контроля вполне доступной по стоимости и перспективной по применимости. На основании изложенного можно утверждать: - предложенная система контроля строительных конструкций обеспечивает исключительно достоверную и надежную (без преобразований) информацию о векторе относительного смещения деталей конструкции, - конструкция матрицы обеспечивает высокую точность измерения смещений, обусловленную принципом извлечения измерительной информации при работе преобразователя "перемещение-код",

- использование оптических (стеклянных) деталей обеспечивает надежность конструкции системы, значительный срок службы, устойчивость к внешним воздействиям (условиям эксплуатации). - обслуживание системы контроля могут осуществлять лица, имеющие навыки работы с оптическими приборами.

Изобретение относится к области строительства, особенно к системам постоянного оперативного контроля за состоянием узлов сопряжения строительных деталей в процессе эксплуатации, способным предоставить объективную информацию о смещении одной детали или ее части относительно другой детали или части.

Известна стационарная автоматизированная станция мониторинга технического (деформационного) состояния несущих конструкций зданий (ГУП МНИИТЭП, Российская Инженерная Академия; Сборник материалов Международной конференции-выставки «УНИКАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ», 2005 г., стр.66), содержащая измерительные пункты с датчиками регистрации ускорений колебаний элементов конструкции по трем координатам, с аналого-цифровыми преобразователями, источниками питания, средствами ввода/сбора и представления (в том числе - графического) цифровой информации, со сложным программным обеспечением, причем оператор проводит обработку и анализ принятой измерительной информации, т.е. должен обладать достаточно высокой квалификацией.

Недостатками аналога являются:

- сложная методика извлечения, обработки, представления информации, требующая преобразований сигналов (с неизбежной потерей их достоверности), привлечения персонала высокой квалификации (с повышением стоимости эксплуатационных расходов),

- измерение деформаций лишь по трем координатам, что ограничивает объем доступной измерительной информации,

- сложное приборное обеспечение процесса измерений, снижающее его надежность и повышающее стоимость станции.

В качестве прототипа выбран пространственный измеритель колебаний и наклонов ПИКИН-03 (НПП «Конус», НИИПМ им. Кузнецова,

Сборник материалов Международной конференции-выставки «УНИКАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ», 2005 г., стр.75), измеряющий отклонения по трем координатам со сбором и передачей сигналов по линии связи и последующей обработкой результатов измерений посредством микропроцессора.

Недостатками известного измерителя являются:

- ограниченное количество измеряемых параметров - три,

- первичная обработка информации и передача ее на устройство контроля с помощью микроконтроллера,

- необходимость применения сложной аппаратуры для обработки измерительной информации,

- необходимость привлечения высококлассных операторов для сбора и обработки результатов измерений.

Эти недостатки устранены в предложенной системе контроля строительных конструкций.

Сущность изобретения заключается в использовании оптического датчика в качестве источника первичной измерительной информации. Датчик выполнен в виде источника светового потока, размещенного на одной строительной детали, и приемника излучения - матрицы чувствительных элементов (ЧЭ) на другой строительной детали. При этом источник и матрица расположены так, что световой поток от источника попадает на матрицу и изменение относительного положения источника и матрицы вызывает изменение состояния матрицы с возникновением полезного сигнала, свидетельствующего о смещении одной детали относительно другой. Этот сигнал посредством линии связи передают на устройство контроля, где совокупность полезных сигналов анализируют в интересах принятия оптимального решения оператором или исполнительным устройством.

Предложение иллюстрировано чертежом, где на фиг.1 изображены:

1 - строительная деталь А, 2 - источник светового потока, 3 - строительная деталь Б, 4 - приемник излучения - матрица чувствительных элементов, 5 - световой поток от источника 2, 6 - линия связи, 7 - устройство контроля.

Деталь 1 - балка перекрытия с жестко установленным на ней источником 2 опирается на стойку - деталь 3.

Источник 2 - оптическое устройство, состоящее, например, из излучателя светового потока (газосветная лампа, нить накаливания, лазер, излучающий диод), полевой диафрагмы и оптического фокусирующего элемента - формирователя изображения диафрагмы на матрице 4.

Матрица 4 - сформированный в заданном виде, например, входной торец пучка волоконно-оптических световодов (ВОС), каждый из которых

воспринимает световой поток 5 от источника 2, передает его к выходному торцу пучка ВОС [1]).

Подобная матрица 4 из торцов ВОС (сами ВОС образуют линию 6 связи с выходными торцами) изображается в плоскости этих выходных торцов в виде устройства 7. Источник питания, полевая диафрагма источника 2, формирователь изображения диафрагмы, вид изображения диафрагмы на матрице 4 на рисунке не показаны, т.к. не вносят дополнительной информации в существо заявленного объекта и имеют отношение к конкретному схемному решению.

Работа системы осуществляется следующим образом.

В исходном положении (ИП) деталь 1 с жестко закрепленным на ней источником 2 светового потока 5 расположена вблизи строительной детали 3 (или состыкована с ней) с жестко закрепленным на ней приемником излучения - матрицей 4.

Источник 2 и матрица 4 закреплены на деталях соответственно 1 и 3 так, что в режиме невозмущенного относительного расположения обеих деталей (ИП) световой поток 5 от источника 2 при включении электропитания строит неподвижное изображение диафрагмы на матрице 4. Матрица 4 посредством линии 6 связи (началом которой она же и является - как волоконно-оптический элемент) оптически соединена с устройством 7 контроля, которое является оконечным элементом линии 6 связи. В случае представления устройства 7 в виде совокупности выходных торцов ВОС (подобной матрице 4) созданное на нем изображение полевой диафрагмы источника 2 в ИП регистрируют при установке предложенной системы как нулевое, соответствующее нормальному рабочему состоянию узла сопряжения деталей 1 и 3. Нулевое положение может быть обозначено индексами на оправе матрицы 4, окрашенным в выбранный цвет стекла световодом или линейками световодов, пробелами в линейках световодов, конфигурацией световодов... При нарушении исходного положения в результате относительного смещения деталей 1 и 3 из-за внешнего воздействия на узел их сопряжения (деформация, разрушение деталей) изображение диафрагмы источника 2, переданное световым потоком 5 на матрицу 4, смещается относительно этой матрицы 4. Такое смещение вызывает изменение состояния матрицы 4, соответствующее возникшему относительному смещению деталей 1 и 3. По линии 6 связи полученный сигнал принимают на устройстве 7 без каких-либо преобразований, т.е. без искажений этого первичного измерительного сигнала. При этом величина зарегистрированного на устройстве 6 относительного смещения деталей 1 и 3 равна фактическому их смещению. И это зарегистрированное смещение не зависит от внешних условий применения системы контроля и не искажается преобразованиями первичного измерительного сигнала. Этим подтверждается высокая достоверность и надежность оценки смещений.

Исключение - факт разрушения самой системы контроля или ее элементов.

Предложенная система позволяет использовать в качестве светового потока 5 естественный свет, попадание которого на матрицу 4 может быть обеспечено либо прямым, непосредственным облучением матрицы 4 с образованием заданного вида изображения, либо дополнительным зеркалом - это реализация простейшего, экономичного варианта системы. Он не предполагает использования диафрагмы, фокусирующего элемента (объектива). Пучок ВОС на детали 1 в зоне выходных торцов формируют, например, в виде креста, освещающего матрицу 4 на детали 3. Изменение положения изображения креста на матрице 4, также сформированной из пучка ВОС, контролируют на выходе второго торца как отклонение от ИП, т.е. как деформация узла «деталь А - деталь Б». Контроль процесса на устройстве 7 возможен в автоматическом режиме (без участия оператора) или в режиме визуального наблюдения оператором.

Автоматический режим может быть реализован путем сканирования изображения на выходе ВОС с помощью, например, коммутатора, опрашивающего каждый элемент выходного торца с последующим анализом полученного массива информации, путем последовательного автоматического фотографирования выходного торца при последующем сопоставлении кадров...

Отклонение полученной информации от зарегистрированной в ИП - основа выдачи сигнала о деформации конструкции. Следовательно, выбор способов обнаружения деформации неограничен.

При необходимости ВОС могут быть состыкованы с персональным компьютером посредством устройства типа "оптической мыши". Это подтверждает высокую совместимость измерителя с возможными элементами других измерительных схем.

Визуальный режим регистрации обеспечен непосредственным наблюдением взаимного положения матрицы 4 и изображения диафрагмы (или креста) в плоскости выходных торцов ВОС (на жидкокристаллическом табло, на индикаторе, сформированном из излучающих диодов).

При необходимости в пучок ВОС могут быть встроены световоды из стекла разного цвета, что обеспечивает спектральное разделение каналов передачи сигналов, что недостижимо в существующих конструкциях.

Величина деформации, регистрируемой предложенной системой, определяется разрешающей способностью датчика перемещений, в основе которого матрица 4, облученная световым потоком. Исследования свидетельствуют, что теоретический предел уменьшения этой величины стремится к нулю [2].

Значит, практическое значение деформации определяет заказчик, исходя из необходимых величин, технических возможностей реализации, из условий, видов, диапазона измерений.

Прежде всего необходимо определить количество измеряемых параметров. Система способна измерять шесть координат: три линейных и три угловых [2].

Это означает, что предложенная система обеспечивает не только относительные смещения деталей по трем линейным направлениям, но и скручивание их вокруг трех взаимно перпендикулярных осей.

Ни один существующий датчик не обладает такой возможностью.

Диапазон измеряемых перемещений определяется только заказчиком, т.к. конструкция матрицы 4 не имеет принципиальных ограничений по габаритам. Условия эксплуатации системы позволяют применять ее без ограничений - от лабораторных до полевых вариантов.

Конструкция матрицы 4 допускает возможность встраивать в ее тело пустотелые световолокона (ПВОС). При сохранении способности выполнения измерительных операций такая матрица создает условия для прокачки через трубчатые полости ПВОС газов, жидкостей, смесей. Это позволяет осуществлять забор проб этих веществ из зоны наблюдения в зону анализа для оценки загазованности, задымления, наличия взвесей, химических соединений, радиоактивных частиц...

Естественно, такая операция требует установки микронасоса и анализатора.

Материал ВОС - стекло исключает искажение результатов анализа за счет попадания в пробу посторонних примесей.

В обратном направлении - к плоскости выходных торцов, к устройству 7 - по пустотелым ВОС может быть подан нужный раствор, состав, реагент для ликвидации микровозгорания, нейтрализации загрязнения, заражения.

Система может быть реализована при использования фотоэлектронного матричного приемника излучения в качестве чувствительного элемента, т.е. не имеет ограничений по совмещению с устройствами «ввода-вывода» оптических и электронных ЦВМ.

Возможен вариант системы контроля на основе элементарного пучка ВОС, на входе которого - источник светового потока, а на выходе - устройство контроля.

Проходящую в зоне сопряжения контролируемых деталей часть пучка просто разрезают поперек, в результате чего получают узел «источник 2 - матрица 4», описанный выше как оптический датчик смещения, датчик первичной измерительной информации. Так демонстрируется простота конструктивного исполнения системы контроля, что подтверждает возможность существования огромного количества ее вариантов в зависимости от условий применения. Очевидно, что не существует препятствий для размещения предложенной системы контроля в любом необходимом месте конструкции любого объекта.

Простота принципа действия и конструкции датчика обеспечивает доступность эксплуатации системы персоналу невысокой квалификации при несложном оборудовании, достоверность и надежность измерительной информации.

Эти обстоятельства существенно снижают стоимость системы контроля и ее эксплуатации.

Отсутствие дефицитных комплектующих, простота формирования матрицы совместно с линией связи и устройством контроля делают предложенную систему контроля вполне доступной по стоимости и перспективной по применимости.

На основании изложенного можно утверждать:

- предложенная система контроля строительных конструкций обеспечивает исключительно достоверную и надежную (без преобразований) информацию о векторе относительного смещения деталей конструкции,

- конструкция матрицы обеспечивает высокую точность измерения смещений, обусловленную принципом извлечения измерительной информации при работе преобразователя "перемещение-код",

- использование оптических (стеклянных) деталей обеспечивает надежность конструкции системы, значительный срок службы, устойчивость к внешним воздействиям (условиям эксплуатации).

- обслуживание системы доступно персоналу невысокой квалификации, что обеспечивает приемлемую стоимость ее эксплуатации.

Литература.

1. БОГОМОЛОВ А.П., БОГОМОЛОВ В.А., СУХОВА Ю.А. Преобразователь «перемещение-код». Свид. РФ на ПМ N8799, 1998.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ДАТЧИКА ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЗОВАННОЙ СОВОКУПНОСТИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОБЛУЧЕННЫХ СВЕТОВЫМ СЛЕДОМ. Этап 1. Отчет по НИР «Измерение», ИнИС ВВТ, 2006.

1. Система контроля строительных конструкций, состоящая из датчика первичной измерительной информации, линии связи и устройства контроля, отличающаяся тем, что датчик первичной измерительной информации выполнен из источника светового потока на одной контролируемой детали и приемника излучения - матрицы, сформированной в заданном виде как входной торец пучка волоконно-оптических световодов - на другой, ответной контролируемой детали, линия связи выполнена в виде того же пучка волоконно-оптических световодов, а выходной торец указанного пучка волоконно-оптических световодов представляет собой устройство контроля, причем источник светового потока и матрица расположены так, что в исходном относительном расположении контролируемых деталей световой поток от источника постоянно освещает матрицу.

2. Система контроля строительных конструкций по п.1, отличающаяся тем, что пучок волоконно-оптических световодов содержит необходимое заданное количество пустотелых, трубчатых волоконно-оптических световодов, снабженных в зоне входного и/или выходного торца всасывающими и/или нагнетающими микронасосами и анализаторами смесей, поступающих из зоны выходного торца.