Программно-аппаратный комплекс для оперативного определения динамических характеристик зданий и сооружений

Полезная модель относится к программно-аппаратным комплексам определения динамических характеристик зданий и сооружений и может быть использована при оперативном обследовании технического состояния зданий и промышленных сооружений, находящихся в эксплуатации или поврежденных в результате природных или техногенных воздействий, а также для оценки качества строительных работ на возводимых объектах непосредственно на строительных площадках. Полезная модель направлена на упрощение, сокращение времени, расширение области применения и повышение точности определения динамических характеристик зданий и сооружений программно-аппаратным комплексом. Указанные технические результаты достигаются тем, что программно-аппаратный комплекс содержит установленный на объекте по крайней мере один блок преобразования вибрации в электрический сигнал, последовательно соединенный с регистратором электрического сигнала, выполненным в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала и цифрового запоминающего устройства, блок управления запоминающим устройством, блок управления аналого-цифровым преобразователем электрического сигнала с, по меньшей мере, функцией асинхронного запроса на получение требуемой порции данных электрического сигнала из аналого-цифрового преобразователя и блок графического отображения порций данных электрического сигнала, получаемых из аналого-цифрового преобразователя, при этом аналого-цифровой преобразователь электрического сигнала содержит микропроцессор, например, цифровой сигнальный процессор. В частном случае выполнения программно-аппаратного комплекса связи между элементами программно-аппаратного комплекса выполнены проводными и/или беспроводными линиями связи и/или шинами питания, управления, передачи данных. В другом частном случае выполнения программно-аппаратного комплекса аналого-цифровой преобразователь электрического сигнала является блоком компьютера, и/или цифровое запоминающее устройство, и/или блок управления запоминающим устройством, и/или блок управления аналого-цифровым преобразователем электрического сигнала, и/или блок графического отображения порций данных электрического сигнала, получаемых из аналого-цифрового преобразователя, являются модулями специальной программы, установленной на компьютер, и/или блок цифрового запоминающего устройства является запоминающим устройством компьютера. Указанные частные случаи выполнения заявляемого в полезной модели программно-аппаратного комплекса равнозначны по достигаемому техническому результату, но целесообразность применения того или иного из них зависит от их конкретной реализации.

Полезная модель относится к программно-аппаратным комплексам определения динамических характеристик зданий и сооружений и может быть использована при оперативном обследовании технического состояния зданий и промышленных сооружений, находящихся в эксплуатации или поврежденных в результате природных и/или техногенных воздействий, а также для оценки качества строительных работ на возводимых объектах непосредственно на строительных площадках.

Динамические характеристики зданий и сооружений определяют с помощью программно-аппаратных комплексов, осуществляющих преобразование вибрации строительных конструкций в электрический сигнал, обработку и анализ параметров сигнала.

Известна система для определения устойчивости зданий и сооружений (RU 2245531, кл. G01M 7/00, 02.04.2003), содержащая блок преобразования колебаний в электрический сигнал, блок аналого-цифрового преобразования электрического сигнала, блок цифрового запоминающего устройства и блок управления цифровым запоминающим устройством.

Эта система позволяет определять динамические характеристики зданий и сооружений, однако она не может быть эффективно использована для оперативного обследования зданий и сооружений, особенно при обследовании зданий и сооружений, поврежденных в результате природных и/или техногенных воздействий, т.к. содержит не только блоки измерения параметров вибрации, но и дополнительные блоки контроля целого ряда других медленно изменяющихся в пространстве и во времени физических величин, для регистрации и анализа которых требуется длительное время, что возможно только в условиях стационарного мониторинга объектов.

Также известна система мониторинга технического состояния зданий и сооружений (RU 66525, кл. G01M 7/00, 11.12.2006), содержащая блок вибродатчиков и блок обработки и выходной информации. Эта система обладает аналогичным недостатком.

Также известно, принятое за прототип, устройство для динамических испытаний зданий и сооружений (RU 2141635, G01M 7/00, 30.03.1999). Прототип содержит, установленный на объекте, по крайней мере один блок преобразования вибрации в электрический сигнал, последовательно соединенный с регистратором электрического сигнала, выполненным в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала и цифрового запоминающего устройства, и блок управления запоминающим устройством. Прототип позволяет определять динамические характеристики испытуемого объекта и проводить оперативное обследование зданий и сооружений. Однако многолетний опыт эксплуатации данного устройства показывает, что ему присущ целый ряд недостатков.

Первая группа недостатков связана с тем, что для получения динамических характеристик по данному техническому решению необходимо с помощью ударного устройства возбуждать колебания испытуемого объекта, а получаемые колебания-отклики накапливать для достижения приемлемого отношения «сигнал - помеха».

При обследовании крупных объектов, например, железобетонных промышленных дымовых труб высотой более 100 м, для возбуждения колебаний с достаточной амплитудой требуется ударное устройство очень большой массы с большой длительностью ударного импульса. Такое устройство оказывается слишком громоздким и тяжелым для оперативных обследований.

Кроме того, для обеспечения высокой точности определения динамических характеристик интервалы времени между ударными импульсами должны быть такими, чтобы колебания от ударного импульса практически полностью затухали к моменту очередного удара. Поскольку высотным сооружениям присущи низкие собственные частоты (доли герца) и довольно высокая добротность (около 10), то колебания таких объектов после удара затухают медленно. Реально на практике нужно произвести в каждой точке измерения около 10 ударных воздействий, и на испытание объекта требуется слишком много времени.

Другим недостатком аналогов полезной модели является то, что в них отсутствуют средства визуального отслеживания формы сигнала, поступающего с выхода аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала на блок цифрового запоминающего устройства. Это не позволяет оценивать влияние помех во время регистрации электрического сигнала, оперативно прекращать процесс регистрации при наличии помех или при ослаблении сигнала, а также оперативно возобновлять регистрацию при благоприятных условиях. В результате регистрируются данные с низким отношением «сигнал - помеха», что увеличивает время обработки информации и снижает точность определения динамических характеристик, а значит, достоверность результирующей оценки технического состояния объекта.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение вышеуказанных недостатков, а именно:

- упрощение процесса определения динамических характеристик зданий и сооружений;

- сокращение времени обследования здания, сооружения;

- расширение области применения и повышение точности определения динамических характеристик зданий и сооружений.

Заявляемая полезная модель представляет собой физически и/или функционально распределенные блоки, объединенные линиями передачи данных и управления в программно-аппаратный комплекс для оперативного определения динамических характеристик зданий и сооружений.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для динамических испытаний зданий и сооружений, содержащее установленный на объекте по крайней мере один блок преобразования вибрации в электрический сигнал, последовательно соединенный с регистратором электрического сигнала, выполненным в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала и цифрового запоминающего устройства, и блок управления запоминающим устройством, дополнительно включены блок управления аналого-цифровым преобразователем электрического сигнала с, по меньшей мере, функцией асинхронного запроса на получение требуемой порции данных электрического сигнала из аналого-цифрового преобразователя и блок графического отображения порций данных электрического сигнала, получаемых из аналого-цифрового преобразователя, при этом аналого-цифровой преобразователь электрического сигнала содержит микропроцессор, например, цифровой сигнальный процессор.

В частном случае выполнения программно-аппаратного комплекса связи между элементами программно-аппаратного комплекса выполнены проводными и/или беспроводными линиями связи, и/или блоки подключены к шинам питания, управления и передачи данных.

В другом частном случае выполнения программно-аппаратного комплекса аналого-цифровой преобразователь электрического сигнала является блоком компьютера, и/или цифровое запоминающее устройство, и/или блок управления запоминающим устройством, и/или блок управления аналого-цифровым преобразователем электрического сигнала, и/или блок графического отображения порций данных электрического сигнала, получаемых из аналого-цифрового преобразователя, реализуются программными средствами, установленными на компьютер.

Указанные частные случаи выполнения заявляемого в полезной модели программно-аппаратного комплекса равнозначны по достигаемому техническому результату, но целесообразность применения того или иного из них зависит от их конкретной реализации.

На фиг.1 изображена блок-схема выполнения полезной модели, где:

1 - испытуемый объект;

2 - по крайней мере один блок преобразования вибрации в электрический сигнал:

3 - аналого-цифровой преобразователь;

4 - запоминающее устройство;

5 - блок графического отображения порций данных электрического сигнала;

6 - блок управления аналого-цифровым преобразователем электрического сигнала;

7 - блок управления запоминающим устройством;

8 - микропроцессор.

Программно-аппаратный комплекс для оперативного определения динамических характеристик зданий и сооружений содержит установленный на испытуемом объекте 1 по крайней мере один блок 2 преобразования вибрации в электрический сигнал, последовательно соединенный с регистратором электрического сигнала, выполненным в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя 3 электрического сигнала, содержащего микропроцессор 8, например, цифровой сигнальный процессор (ЦСП), и запоминающего устройства 4, блок 5 графического отображения порций данных электрического сигнала, получаемых из аналого-цифрового преобразователя, блок 6 управления аналого-цифровым преобразователем электрического сигнала с, по меньшей мере, функцией асинхронного запроса на получение требуемой порции данных электрического сигнала из аналого-цифрового преобразователя 3, и блок 7 управления запоминающим устройством.

На фиг.2 изображен пример графического отображения данных электрического сигнала, получаемых порциями из аналого-цифрового преобразователя, зарегистрированных при обследовании 24-этажного высотного здания.

Программно-аппаратный комплекс по заявляемой полезной модели работает следующим образом (см. фиг.1).

При определении динамических характеристик испытуемого объекта (например, периодов собственных колебаний объекта, логарифмических декрементов затухания, распределений амплитуд колебаний по высоте и фронту объекта - эпюр колебаний) его вибрация воспринимается установленным на объекте 1 блоком 2 преобразования вибрации в электрический сигнал. В зависимости от решаемой задачи блоков преобразователей вибрации в электрический сигнал может быть несколько.

Электрический сигнал поступает на регистратор, состоящий из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя 3 и запоминающего устройства 4, где подвергается дискретизации и сохранению в памяти.

Аналого-цифровой преобразователь 3 электрического сигнала содержит микропроцессор 8, например, цифровой сигнальный процессор (ЦСП). ЦСП обеспечивает работу аналого-цифрового преобразователя 3 в режиме реального времени, выполняя асинхронные запросы на получение требуемой порции данных электрического сигнала из аналого-цифрового преобразователя 3, поступающие от блока 6 управления аналого-цифровым преобразователем 3 электрического сигнала.

Важное преимущество асинхронного режима перед синхронным режимом заключается в том, что после получения требуемого количества данных электрического сигнала из аналого-цифрового преобразователя 3 управление сразу возвращается блоку 6 управления аналого-цифровым преобразователем электрического сигнала без прерывания потокового сбора данных. И пока идет получение очередной порции данных, блок 6 может направить полученную порцию данных с выхода аналого-цифрового преобразователя на блок 5 для графического отображения полученной порции данных электрического сигнала, например, в виде графиков, показанных на фиг.2, или подвергнуть полученные данные промежуточной обработке.

Запоминающее устройство 4 под управлением блока 7 заполняет массив данных получаемыми с аналого-цифрового преобразователя 3 порциями данных, а после завершения цикла сбора может записать массив данных в файл.

Благодаря такому построению программно-аппаратного комплекса существует возможность в любой момент остановить сбор данных и снова его возобновить. При этом оператор комплекса визуально отслеживает форму сигнала, поступающего с выхода аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала на блок цифрового запоминающего устройства и оценивает влияние помех, которые могут появляться в реальных условиях обследования зданий и сооружений. Например, хлопанье дверей в здании, пуск и остановка механизмов, шаги вблизи преобразователей вибрации. При наличии помех можно оперативно прекратить процесс регистрации, а также оперативно возобновить регистрацию при благоприятных условиях, например, с помощью кнопки «Пуск» блока управления аналого-цифровым преобразователем, показанной на фиг.2.

При обследовании зданий и сооружений, совершающих колебания под действием ветровой нагрузки, визуально отслеживаются форма и амплитуда электрического сигнала, и для сбора данных выбираются те моменты времени, когда влияние нагрузки наибольшее.

В результате регистрируются данные с высоким отношением «сигнал - помеха», что повышает точность определения динамических характеристик, а значит, достоверность результирующей оценки технического состояния объекта.

Благодаря возможности контролировать форму и амплитуду электрического сигнала и выбирать наиболее благоприятные условия для регистрации данных становится возможным исключить из состава комплекса ударное устройство для искусственного возбуждения колебаний испытуемого объекта и получать приемлемое отношение «сигнал - помеха» лишь под действием естественной нагрузки от окружающей среды.

Кроме того, сокращается общее время обследования, так как обработке подвергается только полезная информация, и не требуется повторять сбор данных из-за возможного обнаружения при последующей обработке испорченных данных.

Полезная модель строится на использовании известных технических устройств в новом функциональном сочетании.

Связи между элементами программно-аппаратного комплекса могут быть выполнены проводными и/или беспроводными линиями связи, а также посредством шин передачи данных, шин управления и шин питания.

Аналого-цифровой преобразователь электрического сигнала может быть блоком компьютера; и/или блок управления запоминающим устройством, и/или блок управления аналого-цифровым преобразователем электрического сигнала, и/или блок графического отображения порций данных электрического сигнала, получаемых из аналого-цифрового преобразователя, могут быть модулями специальной программы, установленной на компьютер, и/или блок запоминающего устройства может быть запоминающим устройством компьютера.

В качестве микропроцессора 8, реализующего функцию асинхронного запроса на получение требуемой порции данных электрического сигнала из аналого-цифрового преобразователя, может быть применен, например, модуль Е14-440 (см. 440 programmers guide.pdf - Устройства для мобильных систем. Е14-440. Внешний модуль АЦП/ЦАП/ТТЛ на шину USB 1.1. Библиотека Lusbapi 3.2. Windows. Руководство программиста. Москва, май, 2008, ЗАО «Л-Кард») или аналогичный ему.

Указанные частные случаи выполнения заявляемого в полезной модели программно-аппаратного комплекса равнозначны по достигаемому техническому результату, но целесообразность применения того или иного из них зависит от их конкретной реализации.

Заявляемая полезная модель промышленно применима, а заявленная совокупность отличительных признаков обладает новой устойчивой взаимосвязью функциональных блоков, что позволяет решить заявленную техническую задачу с заявленным техническим результатом.

1. Программно-аппаратный комплекс для оперативного определения динамических характеристик зданий и сооружений, содержащий установленный на объекте, по крайней мере, один блок преобразования вибрации в электрический сигнал, последовательно соединенный с регистратором электрического сигнала, выполненным в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя электрического сигнала и цифрового запоминающего устройства, и блок управления запоминающим устройством, отличающийся тем, что в него дополнительно включены блок управления аналого-цифровым преобразователем электрического сигнала с, по меньшей мере, функцией асинхронного запроса на получение требуемой порции данных электрического сигнала из аналого-цифрового преобразователя, блок графического отображения порций данных электрического сигнала, получаемых из аналого-цифрового преобразователя; аналого-цифровой преобразователь электрического сигнала содержит микропроцессор.

2. Программно-аппаратный комплекс по п.1, отличающийся тем, что связи между элементами программно-аппаратного комплекса выполнены проводными и/или беспроводными линиями связи и/или шинами питания, управления, передачи данных.

3. Программно-аппаратный комплекс по пп.1 и 2, отличающийся тем, что аналого-цифровой преобразователь электрического сигнала является блоком компьютера, и/или блок управления запоминающим устройством, и/или блок управления аналого-цифровым преобразователем электрического сигнала, и/или блок графического отображения порций данных электрического сигнала, получаемых из аналого-цифрового преобразователя, являются модулями специальной программы, установленной на компьютер, и/или блок цифрового запоминающего устройства является запоминающим устройством компьютера.