=S&B=

Закрытое акционерное обществоS&B


Аппаратура для мониторинга состояния гидротехнических сооружений.

Введение.

Тензометрические измерения, по которым определяют напряженно-деформированное состояние бетона, остаются до сих пор единственным способом, позвзляющим оценивать специфику работы высоких бетонных плотин. В СССР гидротехнические сооружения оснащались датчиками в количестве на два порядка превышающем количество тензометров в зарубежных плотинах, что позволило пересматривать нормативные документы по проектированию, совершенствовать технологию возведения и контролировать состояние эксплуатируемых плотин.

Практически все выпускаемые в настоящее время приборы для получения показаний различных струнных датчиков работают по принципу ударного возбуждения струны с последующим измерением частоты или периода ее затухающих колебаний. Такой подход к измерению имеет целый ряд существенных недостатков. Отметим наиболее существенные из них.

  1. Ударное возбуждение электрическим импульсом (Рис.1) с типичным напряжением 150 В вызывает значительную механическую нагрузку на струну датчика, что приводит к ее ускоренному износу, и, кроме того, может служить причиной электрического пробоя в электромагнитной катушке датчика. Оба эти процесса приводят к преждевременному отказу датчика и сокращению срока его службы.
  2. Измеряемые колебания струны носят затухающий характер, вследствие чего происходит смещение измеренного значения резонансной частоты. Причем смещение тем выше, чем сильнее затухание. Если для новых датчиков с высокой добротностью это смещение можно считать несущественным, то для изношенных датчиков с деградировавшей добротностью такое смещение может существенно искажать результат измерения.

Упрощенные временные диагарммы работы типичного измерителя.

Рис.1   Рис.2

Однако, несмотря на имеющиеся недостатки, такой принцип измерения повсеместно применяется десятки лет благодаря простоте реализации.

Альтернативный - так называемый резонансный - принцип измерения был известен едва ли не раньше принципа ударного возбуждения и хорошо разработан теоретически. Было показано, что по обоим ключевым параметрам - сохранению долговечности струнного датчика и точности измерения его резонансной частоты он существенно превосходит принцип ударного возбуждения.

При резонансном возбуждении аппаратура измерителя поддерживает незатухающие резонансные колебания струны подачей на катушку датчика небольшого гармонического напряжения, синхронизированного с собственными колебаниями струны. По сути дела измеритель только компенсирует механические потери при колебании струны, поддерживая квазисвободные колебания, в точности совпадающие по частоте со свободными колебаниями идеальной струны. Напряжение же сигнала подкачки, необходимое лишь для компенсации колебательных потерь невелико и составляет единицы вольт.

Несмотря на все преимущества массовая техническая реализация этого принципа измерения до последнего времени представлялась невозможной из за высокой сложности измерительной аппаратуры и, как следствие, ее высокой стоимости.

Принцип измерения.

С развитием микропроцессорной техники возможности измерительной аппаратуры существенно возрасли и в начале 2000 гг было найдено техническое решение, позволяющее реализовать резонансный принцип измерения благодаря сочетанию использования микропроцессоров с применением высокоэффективного микропрограммирования, обеспечивающего Фурье-обработку сигнала отклика датчика в реальном времени, и прецезионной аналоговой схемотехники. При этом ценовые характеристики оказались даже лучше, чем у приборов на принципе ударного возбуждения.

Принцип действия прибора заключается в формировании и подаче на обмотку возбуждения струнного преобразователя периодического синусоидального сигнала тока с действующим значением до 10 мА, измерении отклика датчика и подстройке к фазе свободных колебаний его струны в паузах между сигналами возбуждения (Рис.3).

На первом этапе измерения производится частотное сканирование с поиском частоты максимального отклика датчика и определяется частота захвата резонанса, а затем, на втором этапе, в зоне частоты резонанса производится фазовая автоподстройка частоты и реализуется резонансный принцип измерения (Рис.4). При этом постоянно отслеживается и удерживается на постоянном уровне величина сигнала отклика, что позволяет избежать "перераскачки" струны и ее задевания за сердечник катушки возбуждения.

Упрощенные временные диаграммы работы измерителя АПШ-032Г

Рис.3   Рис.4

Найденная техническая реализация позволила также попутно определить сопротивление обмотки катушки возбуждения, которая может быть использована в качестве датчика температуры. В ряде случаев это позволяет избежать использования отдельных температурных датчиков.

Кроме того удалось получить основные параметры, характеризующие состояние самого датчика . добротность, отражающую состояние его механической подсистемы и отклик, отражающий состояние его электромагнитной подсистемы. Наблюдение за этими параметрами позволяет оценить степень износа датчика, достоверность его показаний и сделать прогноз оставшегося ресурса службы.

Из отличительных особенностей реализации следует также отметить полную гальваническую развязку от всех подключаемых датчиков и датчиков между собой, что позволило существенно повысить помехозащищенность измерителя в условиях внешних электромагнитых наводок, в частности при работе вблизи силового электрооборудования, силовых кабелей и т.п.. Помимо этого удалось полностью отказаться от использования механических коммутационных элементов и тем самым существенно увеличить наработку приборов на отказ.

Следует отметить, что реализации присущ основной недостаток, характерный для резонансного принципа измерения . значительное время измерения, которое может достигать нескольких десятков секунд. Если в стационарных системах этот недостаток нивелируется одновременными многоканальными измерениями, то в портативных приборах при однократных измерениях он ощутимо замедляет работу.

Опыт применения

Опытные реализации данного технического решения были известны, как тестеры струнных датчиков семейства ТСД. Первые образцы приборов в портативном исполнении ТСД-16 были опробованы на Чиркейской и Бурейской ГЭС, показали свою работоспособность, однако многоканальность портативного прибора и связанные с ней неудобства, а также упомянутое выше значительное время измерения ограничили его применение в таком качестве. Впоследствии стационарная автономная версия прибора ТСД-16А была введена в эксплуатацию на космодроме Байконур для мониторинга состояния строительных сооружений.

Стационарная распределенная модульная система ТСД-Н с использованием системных возможностей мониторинга крупных распределенных сооружений была внедрена на Братской ГЭС в 2010 г. Впоследствии при внесении в Государственный реестр средств измерения этому прибору было присвоено наименование КТС АПШ-032Г.

Однако наиболее полно возможности системы КТС АПШ-032Г были использованы при проектировании системы монитроинга гидротехнических сооружений Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений в 2011 г., где помимо измерительных характеристик были в полном объеме использованы и его системные характеристики, обеспечивающие применение в структуре центра обработки данных постоянной доступности.

В настоящее время серийно производится система КТС АПШ-032Г (Рис.5), внесенная в Государственный реестр средств измерения (свидетельство об утверждении типа средств измерений RU.C.33.001.A .42425 от 11.04.2011). Система предназначена для измерения частоты колебаний преобразователей измерительных струнных типов ТТ, АД, ПД, ПТС, ПДС, ПЛДС (и аналогичных) и активной составляющей сопротивления их обмоток возбуждения и рекомендована к применению в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений для осуществления контроля за соблюдением установленных законодательством Российской Федерации требований промышленной безопасности к эксплуатации опасного производственного объекта.


Рис.5

Конструктивное исполнение.

Конструктивно система выполнена в 19-дюймовом 3U крейт-каркасе АПШ-098К со стационарными измерительными 16-канальными модулями АПШ-032ГК, интерфейсным модулем АПШ-002К и модулем питания АПШ-006-220К или АПШ-006-36К. В крейт-каркасе может быть установлено до 14 стационарных измерительных модулей. Кроме того, конструкция системы обеспечивает возможность подключения к крейт-каркасу выносных 16-канальных измерительных модулей АПШ-032ГМ, используемых при проведении измерений в труднодоступных или удаленных (до 100 м от крейт-каркаса) местах.

Модульное построение системы с независимыми измерителями позволяет производить измерение всеми измерителями одновременно, что существенно снижает общее время измерения при работе с большим количеством датчиков. Выбор типа модуля питания позволяет осуществлять электроритание прибора от сети ~220 В или ~36 В. Возможно также электропитание (в т.ч. резервное) от аккумулятора =12 В и дублирование модулей электропитания.

Кроме того модульность системы позволяет существенно расширить функциональные возможности системы дополнением ее различными типами унифицированных модулей АПШ с сохранением всей инфраструктуры. В частности, на Братской ГЭС планируется дополнить установленные системы модулями АПШ-040 для измерения сопротивления резистивных температурных датчиков, а вновь вводимые на ней пьезометры с токовым выходом могут быть подключены к системе дополнением ее модулями АПШ-041, обеспечивающими сопряжение с подобными датчиками.

Подключение к инфорационным системам.

Связь с информационными системами осуществляется по интерфейсу RS232 или по "токовой петле 20 мА".

Режим RS232 позволяет подключить прибор непосредственно к COM порту компьютера, либо через переходник . к USB порту, однако такие простейшие варианты подключения не позволяют удалять прибор более, чем на 15 м или 5 м соответственно для RS232 или USB.

Режим "токовая петля 20 мА" - типовой вариант подключения для оборудования промышленной автоматики, не требующего высоких скоростей передачи - обеспечивает работоспособность на расстояниях до 500 м.

Следует отметить, что в приборе предусмотрена возможность каскадирования информационных линий. Благодаря этому нет необходимости подключать все приборы непосредственно к информационной системе. Достаточно, чтобы приборы были соединены информационными линиями (например "токовая петля 20 мА") между собой и хотя бы один из них был подключен к информационной системе. В частности такая технология была использована при реализации информационной системы КИА Братской ГЭС в 2010 г. (Рис.6).


Рис.6

Информационные линии могут практически неограниченно дублироваться добавлением в состав прибора дополнительных интерфейсных модулей, что было широко использовано при проектировании системы монитроинга гидротехнических сооружений Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений. При этом группы приборов соединялись между собой внутри каждого сооружения и через переходники подключались к сети Ethernet и дублированным оптоволоконным линиям передачи данных между сооружениями, обеспечивая постоянную доступность любого прибора при любом единичном отказе в системах передачи данных или электропитания.


(c) =S&B=