Разработка устройства беспроводной системы для мониторинга состояния трещин и стыков зданий и мостовых сооружений с использованием двухпроцессорных Wi-Fi-передатчиков | Статья в сборнике международной научной конференции

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 17 августа, печатный экземпляр отправим 21 августа.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Калиаскаров Н. Б., Ивель В. П., Разинкин В. П., Герасимова Ю. В., Несипова С. С. Разработка устройства беспроводной системы для мониторинга состояния трещин и стыков зданий и мостовых сооружений с использованием двухпроцессорных Wi-Fi-передатчиков [Текст] // Технические науки в России и за рубежом: материалы VIII Междунар. науч. конф. (г. Краснодар, июнь 2019 г.). — Краснодар: Новация, 2019. — С. 19-22. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/332/15013/ (дата обращения: 14.12.2019).



Современные средства автоматизированного контроля и измерений позволяют создавать системы удаленного мониторинга типовых мостовых сооружений. Это способствует широкому распространению этой технологии. Разработка систем мониторинга конкретных объектов сводится к решению задачи обеспечения заданного уровня безопасности при установленном ограничении на затраты путем подбора конфигурации системы. В рамках системного подхода необходимо определить: что следует понимать под безопасностью сооружения в контексте использования средств контроля, и каким образом можно оценить увеличение безопасности сооружения от внедрения системы мониторинга. В этом случае систематизированное проектирование систем мониторинга мостовых сооружений позволит анализировать конфигурацию системы при наличии общих ограничений на стоимость и уровень безопасности [1].

Мониторинг состояния моста (мониторинг моста) — систематическое наблюдение за работой моста в эксплуатационных условиях в течение заданного существенного промежутка времени с применением специальных технических средств, размещаемых на конструкциях моста. При мониторинге выполняется экспериментальная оценка количественных параметров (измерение) и качественных признаков, характеризующих техническое состояние моста, к 3 которым относятся геометрические параметры; напряженно-деформированное состояние; температура элементов сооружения; динамические характеристики; дефекты; нагрузки и воздействия, атмосферные и др. условия эксплуатации; жесткостные, прочностные и прочие свойства конструкций и материалов. Оцениваться могут как действующие значения параметров, так и их изменение в процессе мониторинга. Мониторинг состояния моста делится на различные виды, такие как: контрольный, исследовательский, сравнительный, непрерывный, периодический [2]. Все они отличаются друг от друга видами поступающей информации, временем их обработки и дальнейшего анализа и количеством объектов исследования.

Основной особенностью мониторинга является то, что он позволяет регулировать процесс содержания, который позволит сохранить мостовые сооружения и любые здания. При этом необходимо изменить идеологию содержания мостовых сооружений и любых зданий, исходя из следующей концепции: «пока сооружение не начало разрушаться, необходимо своевременно его защитить от повреждений» [3]. При разработке системы непрерывного мониторинга состояния мостового сооружения и зданий нужно создать такую систему, с помощью которой можно получать информацию о состоянии мостового сооружения и любых зданий в реальном режиме времени. Для разработки этой системы необходимо:

– выбрать регистрируемые факторы и аппаратные средства сбора данных;

– разработать и привести алгоритмы преобразования регистрируемых данных к виду, пригодному для контроля и анализа;

– сохранять данные и предоставлять их по запросу;

– выбирать средства и формы предоставления данных для пользователя [4].

Мотивацией для разработки устройства мониторинга технического состояния мостов и сооружений является то, что в результате сравнительного анализа существующих систем мониторинга выявлены некоторые недостатки, такие как:

– невозможность мониторинга трещины или стыка в здании, если контролируемая трещина находится в труднодоступном месте или на большой высоте;

– технические сложности при контроле большого количества трещин в здании или сооружении;

– применение в некоторых системах в качестве датчика измерения трещин датчика реостатного типа, выходной сигнал которого имеет ступенчатый характер, приводит к появлению дополнительной погрешности в выходном сигнале, а наличие контактных электромеханических частей в датчике снижает срок эксплуатации данного устройства;

– отсутствие контроля за динамикой изменения размеров трещины снижает информативность данной системы и качество прогноза о состоянии здания.

В данной работе представлены результаты разработки беспроводного устройства мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений лишенные отмеченных недостатков. Задачей данного исследования является разработка устройства мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений, основанного на использовании дополнительных блоков, позволяющих уменьшить потребление электроэнергии, увеличить срок эксплуатации устройства и повысить точность, информативность и качество прогноза о состоянии сооружений и зданий.

Решение задачи улучшения качественных характеристик и снижения электропотребления устройством мониторинга базируется на использовании метода построения автономных беспроводных систем с минимальным расходом электроэнергии, триангуляционном методе измерения расстояния до объекта, основанного на изменении угла падения луча лазера в зависимости от расстояния до объекта, применении схемотехнических методов построения интегральных электронных модулей. На рисунке 1 представлена структурная схема беспроводного устройства мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений.

Рис. 1. Структура беспроводного устройства мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений

Общая структура устройства мониторинга (рисунок 1) включает в себя оптический датчик, состоящий из отражающей панели (ОП), излучателя (Изл) и приемника (Пр), операционный усилитель (ОУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), пропорционально-дифференцирующее звено (ПДЗ), микроконтроллер (МК), Wi-Fi передатчик (Wi-Fi-1), Wi-Fi приемник (Wi-Fi-2), персональный компьютер (РС), управляемый источник питания (УИП) и таймер.

Оптический датчик передает аналоговый сигнал пропорциональный размеру трещины на усилитель, выход которого подключен к пропорционально –дифференцирующему звену. Сигнал с ПД-звена поступает на АЦП. Затем оцифрованный сигнал с АЦП передается на микроконтроллер. В микроконтроллере сигнал подвергается обработке в соответствии с заданным алгоритмом и далее по Wi-Fi-интерфейсу, который включает передатчик и приемник, поступает на компьютер, где происходит окончательная обработка информационного сигнала. Кроме информационного сигнала микроконтроллер формирует сигнал включающий таймер, функция которого заключается в периодическом отключении источника питания от всех активных блоков устройства мониторинга с целью экономии электроэнергии.

Устройство работает следующим образом. При расширении контролируемой трещины увеличивается расстояние между отражающей панелью и приемником, так как, входящие в состав оптического датчика измерения трещин приемник и излучатель расположены с одной стороны трещины, а отражающая панель — с другой. В результате с приемника снимается сигнал пропорциональный ширине контролируемой трещины.

В качестве датчика измерения трещин используется лазерный триангуляционный датчик класса РФ602Х, принцип работы которого основан на измерении угла между прямым лазерным лучом и отраженным от объекта.

Сигнал с приемника оптического датчика передается на высокоточный 16-разрядный АЦП ADS 1115 с низким энергопотреблением (150 мкА в рабочем режиме) и встроенным программируемым. Оцифрованный информационный сигнал (в структуре алгоритма сигнал обозначен как Х1) по интерфейсу I2C поступает на Wi-Fi-передатчик, в качестве которого применяется Wi-Fi-модуль WeMos d1 mini pro. В состав модуля входит 32-битный микроконтроллер ESP8266EX. Достоинством предложенного Wi-Fi-модуля является его простота программирования. Для программирования модулей с микроконтроллером ESP8266EX рекомендуется использовать среду программирования Arduino Ide. Таким образом, модули ADS 1115 и WeMos d1 mini pro фактически выполняют функции всей цепочки, представленной на структурной схеме (рисунок 1) — ОУ→ ПДЗ→ АЦП→ МК→Wi-Fi-1.

Отличительной особенностью данного устройства является наличие информации о скорости расширения измеряемой трещины, что дает наиболее полную картину о степени разрушительной активности в стенах контролируемого здания и позволяет оперативно реагировать на возникающие угрозы, а организация беспроводной передачи сигнала и разработанный алгоритм, включающий ограничение времени передачи полезного сигнала, позволяют значительно экономить расход электроэнергии и использовать автономный источник питания.

Кроме того, использование в качестве датчика измерения трещин оптического микрометра значительно повышает точность измерений, поскольку выходной сигнал дат-чика в этом случае имеет непрерывную форму, что позволяет дифференцировать этот сигнал. А отсутствие в датчике контактных электромеханических элементов, которые в процессе измерения могут подвергаться быстрому износу, повышает надежность всего устройства.

Литература:

  1. Тулеушова Р., Наурызбаев М. К. Оценка эффективности системы мониторинга мостового сооружения// Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, № 2 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/04TVN215.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/04TVN215.
  2. Руководство по проведению мониторинга состояния эксплуатируемых мостовых сооружений. ОДМ 218.4.002–2008. Федеральное дорожное агентство (Росавтодор). Москва 2008.
  3. Бильченко А. В. Концепция сохранения и развития мостовых сооружений в г. Харькове до 2012 г. [Текст] / А. В. Бильченко, А. Г. Кислов, Е. А Бадаева. // — Харьков, 2008. — 39 с.
  4. Овчинников И. Г., Овчинников И. И., Нигаматова О. И., Михалдыкин Е. С. Прочностной мониторинг мостовых сооружений и особенности его применения. Часть 2. Непрерывный мониторинг состояния мостовых сооружений / Овчинников И. Г., Овчинников И. И., Нигаматова О. И., Михалдыкин Е. С. // Транспортные сооружения, 2014. — Том 1, № 2. — С. 1–37.
Основные термины (генерируются автоматически): ADS, стык зданий, контролируемая трещина, беспроводное устройство мониторинга состояния трещин, оптический датчик, отражающая панель, сооружение, выходной сигнал, информационный сигнал, мостовое сооружение.

Похожие статьи

Мониторинг технического состояния зданий и сооружений...

При мониторинге технического состояния зданий и сооружений, попадающих в зону

Наблюдения за деформациями оснований зданий и сооружений проводят по ГОСТ 24846.

При появлении трещин на земной поверхности в пределах приоткосной зоны организуют...

Система мониторинга и анализа состояния искусственных...

Важной составляющей путевого хозяйства являются искусственные сооружения (мосты

Среди всех возможных методов мониторинга выше упомянутым требованиям лучше всего

Узлы могут быть оснащены датчиками следующих видов: датчики вибрационных и ударных...

Мониторинг акустико-эмиссионного анализа для контроля...

Сигнал поступает на вход измерительной аппаратуры, фильтруется, усиливается, и

В результате диагностики объектов состояние признано удовлетворительным, в ходе чего были

Никитин Е.С. Методика обработки параметров сигналов АЭ для контроля и диагностики...

Приборы контроля сопротивления изоляции электрических цепей...

Срабатывание сигнализатора означает, что контролируемая электрическая цепь имеет или имела в какой-то момент сопротивление изоляции ниже нормы. Приведение сигнализатора в исходное состояние после срабатывания осуществляется специальной кнопкой «сброс».

Применение методов неразрушающего контроля при диагностике...

Рассмотрен вопрос использования акустико-эмиссионного метода неразрушающего контроля металлоконструкций подъемных сооружений, как способ своевременного предупреждения, локализации развивающихся дефектов и обеспечения безопасной эксплуатации подъемных...

Методы обследования промышленных зданий и сооружений.

Обследование зданий и сооружений — сложная и ответственная деятельность, требующая соблюдения норм и наличия разрешительной документации.

- оценка глубины трещин; - оценка пористости, трещиноватости и анизотропии композитных материалов и горных пород

Мониторинг железобетонных конструкций на основе...

В статье рассматриваются современные методы неразрушающего контроля, используемые при оценке прочности бетона и железобетонных конструкций. Отмечается, что бетон является самым древним и самым широко используемым строительным материалом. Важно отметить, что...

Принципы построения системы контроля состояния датчиков...

Контроль целостности будет включать контроль сигналов на входе приемника СРНС, контроля состояния

Система контроля должна определять факт наличия сигналов на входе приемника СРНС. Это позволит определить факт его отказа или факт перехода в режим временного отказа.

Специфика и проблемы обследования промышленных зданий...

Мониторинг технического состояния зданий и сооружений... Порядок разбивки наблюдательной сети реперов представлен в

- для промышленных зданий и сооружений 0,0005Н. Геодезическими методами и приборами по наблюдательным реперам измеряют...

Похожие статьи

Мониторинг технического состояния зданий и сооружений...

При мониторинге технического состояния зданий и сооружений, попадающих в зону

Наблюдения за деформациями оснований зданий и сооружений проводят по ГОСТ 24846.

При появлении трещин на земной поверхности в пределах приоткосной зоны организуют...

Система мониторинга и анализа состояния искусственных...

Важной составляющей путевого хозяйства являются искусственные сооружения (мосты

Среди всех возможных методов мониторинга выше упомянутым требованиям лучше всего

Узлы могут быть оснащены датчиками следующих видов: датчики вибрационных и ударных...

Мониторинг акустико-эмиссионного анализа для контроля...

Сигнал поступает на вход измерительной аппаратуры, фильтруется, усиливается, и

В результате диагностики объектов состояние признано удовлетворительным, в ходе чего были

Никитин Е.С. Методика обработки параметров сигналов АЭ для контроля и диагностики...

Приборы контроля сопротивления изоляции электрических цепей...

Срабатывание сигнализатора означает, что контролируемая электрическая цепь имеет или имела в какой-то момент сопротивление изоляции ниже нормы. Приведение сигнализатора в исходное состояние после срабатывания осуществляется специальной кнопкой «сброс».

Применение методов неразрушающего контроля при диагностике...

Рассмотрен вопрос использования акустико-эмиссионного метода неразрушающего контроля металлоконструкций подъемных сооружений, как способ своевременного предупреждения, локализации развивающихся дефектов и обеспечения безопасной эксплуатации подъемных...

Методы обследования промышленных зданий и сооружений.

Обследование зданий и сооружений — сложная и ответственная деятельность, требующая соблюдения норм и наличия разрешительной документации.

- оценка глубины трещин; - оценка пористости, трещиноватости и анизотропии композитных материалов и горных пород

Мониторинг железобетонных конструкций на основе...

В статье рассматриваются современные методы неразрушающего контроля, используемые при оценке прочности бетона и железобетонных конструкций. Отмечается, что бетон является самым древним и самым широко используемым строительным материалом. Важно отметить, что...

Принципы построения системы контроля состояния датчиков...

Контроль целостности будет включать контроль сигналов на входе приемника СРНС, контроля состояния

Система контроля должна определять факт наличия сигналов на входе приемника СРНС. Это позволит определить факт его отказа или факт перехода в режим временного отказа.

Специфика и проблемы обследования промышленных зданий...

Мониторинг технического состояния зданий и сооружений... Порядок разбивки наблюдательной сети реперов представлен в

- для промышленных зданий и сооружений 0,0005Н. Геодезическими методами и приборами по наблюдательным реперам измеряют...