Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ ИЛИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНОГО СООРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Предлагаемые способ и устройство относятся к контрольно-измерительной технике, а именно к автоматическим средствам непрерывного отслеживания состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения в процессе его эксплуатации, позволяющим своевременно выявить превышение допустимых деформаций конструкции и предупреждать ее разрушение.

Известные способы и устройства дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций здания или инженерно-строительных сооружений (авт. свид. СССР №№1.458.647, 1.695.161, 1.733.837, 1.781.555, 1.812.386; патенты РФ №№2.037.797, 2.046.311, 2.049.307, 1.100.866, 2.135.997, 2.230.978, 2.247.958, 2.272.993, 2.276.304, 2.327.105, 2.343.446, 2.369.205, 2.417.369, 2.471.162, 2.576.548; патенты США №№3.170.152, 3.851.521, 4.206402, 4.452.087, 5.894.092; патент Великобритании №2.260.434; патент Франции №2.294.389; Ренский А.Б. Руководство по тензо-метрированию строительных конструкций и материалов. - М., 1971. С. 133, 141-155; Казачек B.C. и др. Обследование и испытание зданий и сооружений. - М.: Высшая школа, 2006, С. 164 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым является «Способ контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения и устройство для его осуществления» (патент РФ №2.327.105, G01В 7/16, 2006), которые и выбраны в качестве базового объекта.

Известные технические решения основаны на опросе датчиков, установленных в местах диагностирования конструкции, преобразовании полученной с датчиков информации с и ее передачи на пункт контроля в виде компьютера. Результаты опроса датчиков отражают в виде наглядной картины текущего состояния конструкции на экране монитора компьютера.

Основными показателями состояния конструкции здания и инженерно-строительного сооружения являются наличие и величина деформации ее составных элементов. Поэтому, как правило, в качестве датчиков для проведения контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения используют тензометрические датчики, при этом в качестве фиксированной величины для сравнения поступающей с них информации используют расчетное значение предельно допустимой деформации элемента конструкции, на котором установлен упомянутый датчик.

Достоинством тензометрических датчиков являются:

- высокая точность измерений (1% в диапазоне перемещений (±0,2; ±2,0; ±5,0 мм) и в широком диапазоне температур - от -40 до +0,5°C;

- высокая разрешительная способность (10^-3 мм).

Основными недостатками являются:

- быстрое старение тензометрических элементов;

- сравнительно высокое энергопотребление;

- низкая надежность;

- наличие гистерезиса.

Высокое энергопотребление с наличием источников питания (батарей или аккумуляторов) и работой датчиков в непрерывном режиме. Поскольку процесс, например деформации зданий или инженерно-строительных сооружений, очень медленный, и только в экстремальных ситуациях требуется непрерывный поток информации, алгоритм работы известных технических решений позволяет задавать интервал опроса датчиков от 5 секунд до 1 месяца. В большинстве случаев для мониторинга объектов достаточно 1-2 измерений в сутки.

Низкая надежность тензометрических датчиков связана с низкой надежностью источников питания и с необходимостью их регулярной замены. Как правило, продолжительность работы любого источника питания не превышает несколько дней.

Высокое энергопотребление и низкая надежность тензометрических датчиков снижают эффективность известных технических решений как элементов комплексной безопасности городской инфраструктуры, особенно при эксплуатации крупных, высотных зданий, преимущественно офисных, а также инженерно-строительных сооружений культурно-досугового характера, т.е. для тех зданий и инженерно-строительных сооружений, в которых происходит массовое скопление людей, так как в этих случаях особенно необходимо своевременное реагирование на аварийную ситуацию и обеспечение оперативной эвакуации.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности и снижение энергопотребления контроля состояния конструкций зданий или инженерно-строительного сооружения путем использования в качестве датчиков радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах.

Поставленная задача решается тем, что способ контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, включающий, в соответствии с ближайшим аналогом, опрос датчиков, установленных в местах диагностирования конструкции, преобразовании полученной с датчиков информации и ее передачу на пункт контроля, выполненный в виде компьютера с программным обеспечением, где осуществляют регистрацию и сравнении е полученной информации с заранее введенными в память компьютера фиксированными величинами, при этом формируют условное изображение контролируемого объекта, повторяющее его конструкцию, размещают на нем в местах, соответствующих реальному расположению датчиков, цветные метки-индикаторы выводят упомянутое изображение с метками-индикаторами на экран монитора компьютера, обеспечивая постоянную связь упомянутых меток-индикаторов с датчиками, в качестве фиксированной величины для каждого датчика используют полученное путем предварительных расчетов предельно допустимое значение измеряемого параметра, а результаты опроса датчиков и результаты сравнения последней принятой с них информации отражают в реальном времени через цвет меток-индикаторов и его смену на условном изображении объекта по которому судят об исправности датчиков и состоянии конструкции, отличается от ближайшего аналога тем, что в качестве датчиков используют радиочастотные метки на поверхностных акустических волнах, каждая из которых имеет свой идентификационный код, для дистанционного считывания каждой радиочастотной метки формируют зондирующее гармоническое колебание, усиливают его по мощности, излучают в пространство, принимают радиочастотными метками, преобразуют в каждой радиочастотной метке в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности звукопровода и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну в сложный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого определяется структурой встречно-штыревого преобразования, частота (ω_с±Ω_д) определяется несущей частотой ω_с и девиацией частоты ±Ω_д, обусловленной величиной нагрузки на конструкцию, а фазовый сдвиг Δϕ определяется степенью деформации конструкции, на которой устанавливают радиочастотную метку, излучают сложный сигнал с фазовой манипуляцией в пространство, улавливают считывающим устройством, выделяют сигналы с частотами (ω_с+Ω_д) и (ω_с-Ω_д), перемножают между собой, выделяют напряжение разностной частоты, пропорциональное удвоенному значению доплеровской частоты 2Ω_д, регистрируют его и направляют в блок предварительной обработки сигналов, и напряжение суммарной частоты, удваивают частоту зондирующего гармонического колебания, выделяют его и сравнивают по фазе с напряжением суммарной частоты, измеряют удвоенное значение фазового сдвига 2Δϕ, регистрируют его и направляют в блок предварительной обработки сигналов, сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте (ω_с+Ω_д) умножают и делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте (ω_с+Ω_д), используют его в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования сложного сигнала с фазовой манипуляцией на частоте (ω_с+Ω_д), выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное идентификационному коду радиочастотной метки, регистрируют его и направляют в блок предварительной обработки сигналов.

Поставленная задача решается тем, что устройство контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, пункт контроля, характеризующийся использованием компьютера, измерительные преобразователи, размещенные в местах диагностирования конструкции, связанный с ними блок предварительной обработки сигналов, включающий плату аналого-цифрового преобразователя, средства связи блока предварительной обработки сигналов с упомянутым компьютером, выполненным с возможностью опроса измерительных преобразователей, приема и регистрации сигналов, содержащих измерительную информацию, и с возможностью сравнения упомянутой информации с заранее внесенными в его память фиксированными величинами, и средства наглядного представления информации, включающее выведенное на экран монитора компьютера условное изображение контролируемой конструкции и цветные метки-индикаторы, размещенные на упомянутом изображении в соответствии с размещением измерительных преобразователей и выполненное с возможностью отражения в реальном времени посредством своего цвета и его изменения исправности соответствующего измерительного преобразователя и результатов сравнения последней принятой с него информации, при этом компьютер выполнен с возможностью одновременного со сменой цвета метки индикатора вывода на экран дополнительных сведений о типе и исполнении элемента конструкции, на котором размещен соответствующий упомянутой метке-индикатору измерительный преобразователь, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено считывающим устройством, а в качестве измерительных преобразователей использованы радиочастотные метки на поверхностных акустических волнах, причем считывающее устройство содержит последовательно подключенные к выходу блока предварительной обработки сигналов, задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первый полосовой фильтр, перемножитель, второй вход которого через второй полосовой фильтр соединен с выходом дуплексера, и фильтр разностной частоты, выход которого подключен к первому входу блока регистрации и к первому входу блока предварительной обработки сигналов, к выходу перемножителя последовательно подключены фильтр суммарной частоты и фазометр, выход которого подключен к второму входу блока регистрации и к второму входу блока предварительной обработки сигналов, к второму выходу задающего генератора последовательно подключены первый удвоитель фазы и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазометра, к выходу первого полосового фильтра последовательно подключены второй удвоитель фазы, первый делитель фазы на два, второй узкополосный фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, а выход подключен к третьему входу блока регистрации и к третьему входу блока предварительной обработки сигналов, каждая радиочастотная метка имеет свой идентификационный код и выполнена в виде последовательно размещенных на поверхности пьезокристалла микрополосковой антенны, встречно-штыревого преобразователя, мембраны и набора отражателей, при этом встречно-штыревой преобразователь состоит из двух гребенчатых систем электродов, связанных между собой шинами, которые соединены с микрополосковой приемо-передающей антенной.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлен на фиг. 1. Структурная схема считывающего устройства (ридера) изображена на фиг. 2. Функциональная схема радиочастотной метки (транспондера) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) показана на фиг. 3.

Устройство контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения содержит набор измерительных преобразователей (транспондеров) 1, последовательно связанные ридер 11, блок 2 предварительной обработки сигналов, включающий плату аналого-цифрового преобразователя 3, линию связи - шину 4, устройство согласования сигналов - конвертор 5, пункт контроля, выполненный в виде компьютера 6, и связанные с последним монитор 7, и устройство 8 звуковой сигнализации. На экран монитора 7 выведено условное изображение 9 контролируемой конструкции с размещенными на ней цветными метками-индикаторами 10.

Считывающее устройство (ридер) 11 содержит последовательно подключенные к выходу блока 2 предварительной обработки сигналов задающий генератор 12, усилитель 13 мощности, дуплексер 14, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 15, первый полосовой фильтр 16, перемножитель 18, второй вход которого через второй полосовой фильтр 17 соединен с выходом дуплексера 14, и фильтр 19 разностной частоты, выход которого соединен с первым входом блока 21 регистрации и с первым входом блока 2 предварительной обработки сигналов. К выходу перемножителя 18 последовательно подключены фильтр 20 суммарной частоты и фазометр 24, выход которого соединен с вторым входом блока 21 регистрации и с вторым входом блока 2 предварительной обработки сигналов. К второму выходу задающего генератора 12 последовательно подключены первый удвоитель 22 фазы и первый узкополосный фильтр 23, выход которого соединен с вторым входом фазометра 24.

К выходу первого полосового фильтра 16 последовательно подключены второй удвоитель 25 фазы, первый делитель 26 фазы на два, второй узкополосный фильтр 27 и фазовый детектор 28, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 16, а выход подключен к третьему входу блока 21 регистрации и к третьему входу блока 2 предварительной обработки сигналов.

Каждая радиочастотная метка 1.i (i=1, 2, …, n) содержит последовательно размешенные на поверхности пьезокристалла 29 микрополосковую приемопередающую антенну 30, встречно-штыревой преобразователь (ВШП), мемрану 34 и набор 35 отражателей. При этом ВШП содержит две гребенчатые системы электродов 31, соединенные между собой шинами 32 и 33. Шины 32 и 33, в свою очередь, соединены с микрополосковой приемопередающей антенной 30.

Предлагаемый способ контроля осуществляется посредством предлагаемого устройства следующим образом.

Осуществляют установку транспондеров 1.i (i=1, 2, …, n) в наиболее опасных сечениях конструкции, подверженных наибольшим нагрузкам. Среди них может быть железобетонные и металлические балки, различные вертикальные опоры, плиты перекрытий и т.п. Упомянутые места обычно определяет конструктор здания или инженерно-строительного сооружения.

В память компьютера 6 заносят расчетные величины предельно допустимой деформации для каждого контролируемого элемента конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, на который устанавливается транспондер, а также сведения о типе конструкции, месте его расположения и другая необходимая при принятия решения информация.

За зданием (сооружением) устанавливают постоянный надзор на протяжении всего периода эксплуатации. Системы находятся в постоянном режиме самодиагностики.

Компьютер 6 в соответствии с заданной программой производит поочередный опрос транспондеров 1.i (i=1, 2, …, n). Для чего задающим генератором 12 формируется гармоническое колебание

u_c(t)=U_ccos(ω_ct+ϕ_c), 0≤t≤T_c,

где U_с, ω_с, ϕ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания,

которое после усиления в усилителе 13 мощности через дуплексер 14 поступает в приемопередающую антенну 15, излучается ею в пространство, улавливается микрополосковой приемопередающей антенной 30 транспондера и преобразуется встречно-штыревым преобразователем (ВШП) в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла (звукопровода) 29, отражается от набора 35 отражателей и преобразуется ВШП в сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

u₁(t)=U₁cos[(ω_c±Ω_Д)t+ϕ_k(t)+Δϕ], 0≤t≤Т_с,

где ±Ω_д - девиация частоты, обусловленная деформацией конструкции здания или инженерно-строительное сооружения;

ϕ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии идентификационным кодом радиочастотной метки;

Δϕ - изменение фазы, вызванное деформацией мембраны 34, которая обусловлена степенью деформации конструкции.

В основе работы устройств на ПАВ лежат три физических процесса:

- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;

- распространение акустической волны по поверхности пьезокристалла (звукопровода);

- отражение акустической волны и обратное преобразование ПАВ в электрический кодированный сигнал.

Для прямого и обратного преобразования ПАВ используется встречно-штыревой преобразователь (ВШП), работа которого основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов 31, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Резонансная частота каждого транспондера определяется расстоянием между электродами. При этом транспондер находится в свободном (ненапряженном) состоянии. При воздействии нагрузки Р резонансная частота ω_с увеличивается на величину Ω, которая называется девиацией частоты (ω_с+Ω_Д). Это происходит за счет деформации пьезокристалла и уменьшения расстояния между электродами 31. Если происходит растяжение конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, то резонансная частота транспондера уменьшается (ω_с-Ω_Д). Следовательно, по девиации частоты Ω_д можно судить о нагрузках и деформациях конструкции здания или инженерно-строительного сооружения.

Использование ВШП осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможности современной фотолитографии позволяют создавать ВШП, работающие на частотах до 3 ГГц.

К тонкой мембране 34 прикладывается давление Р, вызывающее ее деформацию. Скорость ПАВ в области мембраны 34 изменяется и фаза отраженной от набора отражателей 35 акустической волны также изменяется в соответствии с деформацией мембраны 34, что находит отражение в фазовом сдвиге Δϕ.

Сформированный сложный ФМн сигнал u₁(t) излучается микрополосковой приемопередающей антенной 30 в эфир, улавливается приемопередающей антенной 15 ридера и через дуплексер 14 поступает на вход полосовых фильтров 16 и 17. Последние выделяют сложные ФМн сигналы соответственно:

u₂(t)=U₂cos[(ω_c+Ω_Д)t+ϕ_k(t)+Δϕ],

u₃(t)=U₂cos[(ω_c-Ω_Д)t+ϕ_k(t)+Δϕ], 0≤t≤Т_с,

которые поступают на входы перемножителя 18. На выходе последнего образуются напряжения разностной и суммарной частот:

u_p(t)=U_pcos2Ω_Дt,

u_Σ(t)=U_рcоs(2ω_ct+2Δϕ), 0≤t≤T_c,

где

2ϕ_л(t)={0,2π}.

Напряжение разностной частоты u_p(t) выделяется фильтром 19 разностной частоты и поступает на первый вход блока 21 регистрации и на первый вход блока 2 предварительной обработки сигналов. Напряжение суммарной частоты u_Σ(t) выделяется узкополосным фильтром 20 и поступает на первый вход фазометра 24.

Гармоническое колебание u_c(t) со второго выхода задающего генератора 12 поступает на вход первого удвоителя фазы 22, на выходе которого образуется гармоническое колебание

u₄(t)=U₄cos(2ω_ct+2ϕ_c), 0≤t≤T_c,

где

которое выделяется узкополосным фильтром 23 и поступает на второй вход фазометра 24. На выходе последнего образуется напряжение

u₅(t)=U₅cos2Δϕt, 0≤t≤T_c,

где

которое поступает на второй вход блока 21 регистрации и на второй вход блока 2 предварительной обработки сигналов.

Сложный ФМн сигнал u₂(t) с выхода полосового фильтра 16 одновременно поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 28 и на вход второго удвоителя фазы. На выходе последнего образуется гармоническое колебание

u₆(t)=U₆cos[2(ω_c±Ω_д)t+2Δϕ], 0≤t≤Т_с,

где

2ϕ_k(t)={0,2π},

которое поступает на вход делителя фазы 26 на два. На выходе последнего образуется гармоническое колебание

u₇(t)=U₇cos[(ω_c±Ω_Д)t+Δϕ], 0≤t≤Т_с,

которое выделяется узкополосным фильтром 27, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 28. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 28 обрзуется низкочастотное напряжение

u_н(t)=U_нcosϕ_k(t), 0≤t≤T_c,

где

пропорциональное идентификационному коду радиочастотной метки. Это напряжение поступает на третий вход блока 21 регистрации и на третий вход блока 2 предварительной обработки сигналов.

В блоке 2 предварительной обработки сигналов напряжения u_p(t), u_Σ(t) и u_н(t) преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя 3 и передаются на цифровую шину 4. Конвертор 5 осуществляет преобразование сигналов к виду, пригодному для обработки в компьютере 6. Компьютер 6 регистрирует сигналы, несущие измерительную информацию, и осуществляет сравнение полученных данных с заранее введенными в память предельными величинами. Сравнение может осуществляться, например, путем нахождения разности между упомянутыми величинами.

На экран дисплея 7 выводится условное изображение 9 контролируемой конструкции с размещенными на ней цветными метками-индикаторами 10, соответствующими транспондерами 1.i (i=1, 2, …, n). Работа транспондеров, измерения девиации частоты Ω_Д и фазового сдвига Δϕ которых находятся в допустимых пределах, отражается зеленным цветом метки-индикатора 10. Нерабочее состояние транспондера - отображается желтым цветом. Для отражения показаний транспондеров, превышающих предельно допустимые значения девиации частоты Ω_Д и фазового сдвига Δϕ предусмотрен красный цвет индикатора.

В память компьютера 6 заносят расчетные величины предельно допустимой деформации для каждого конкретного элемента конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, на который устанавливается транспондер, а также сведения о типе конструкции, месте его расположения и другая необходимая при принятия решения информация.

При превышении полученной с транспондера 1 информации предельно допустимого значения, т.е. когда происходит смена знака полученной разницы, компьютер 6 выдает сигнал на смену цвета соответствующей метки-индикатора 10 и на звуковое устройство 8, осуществляющее подачу звукового сигнала. Одновременно с этим производится обращение к памяти компьютера 6 и извлечение из нее всей имеющейся информации о том элементе строительной конструкции, на которой произошло превышение. Извлеченная информация выводится на экран дисплея 7.

Дежурный, в рабочей зоне которого расположен дисплей 7, фиксирует сигнал тревоги. Эксплуатация здания приостанавливается, производится эвакуация людей и специалисты производят обследование конструкции с которой поступил тревожный сигнал. После анализа принимается решение о дальнейшей эксплуатации здания.

Система позволяет предупреждать возникновение опасных деформаций в зданиях и сооружениях на ранних стадиях и тем самым предотвратить разрушение последних, осуществить своевременную эвакуацию людей материальных ценностей.

Постоянный контроль-надзор особенно важен при эксплуатации крупных, высотных зданий, преимущественно офисных, а также сооружений культурно-досугового характера, т.е. для тех зданий и сооружений, в которых происходит массовое скопление людей, так как в этом случае особенно необходимо быстрое реагирование на аварийную ситуацию и обеспечение оперативной эвакуации.

Заявляемая компьютерная система мониторинга строительных конструкций позволяет круглосуточно автоматически отслеживать состояние контролируемой конструкции и выводить наглядную информацию на пульт дежурного, который может быть расположен в комнате охраны здания, а может быть выведен на пульт полиции, МЧС или другой соответствующей организации.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство по сравнению с базовыми объектами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение эффективности и снижение энергопотребления контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения. Это достигается за счет снижения энергопотребления и повышения надежности датчиков, в качестве которых используются пассивные транспондеры (радиочастотные метки) на поверхностных акустических волнах (ПАВ), связанные радиочастотным каналом с райдером (считывающим устройством).

Транспондеры на ПАВ и ридер совместно с устройством для обработки информации (компьютером) образуют систему радиочастотной идентификации, основными преимуществами которой являются:

- малые габариты транспондеров на ПАВ и отсутствие источников питания (батарей, аккумуляторов);

- длительный срок эксплуатации радиочастотных меток (транспондеров);

- отсутствие физического контакта между транспондерами и ридером;

- высокая достоверность и скорость определения идентификационного кода радиочастотной метки и измеряемых ее параметров деформации строительной конструкции;

- большой объем информации, который могут нести пассивные транспондеры;

- радиочастотные метки (транспондеры) практически невозможно подделать;

- радиочастотная система может использоваться даже в агрессивных средах, а пассивные транспондеры могут читаться ридером через грязь, краску, пар, воду, пластмассу и древесину.

К основным характеристикам системы радиочастотной идентификации можно отнести следующие:

- мощность передатчика ридера средняя - не более 100 МВт;

- частотный диапазон - 400 т - 420 МГц, (900-920 МГц);

- дальность действия - не менее 50 м;

- количество кодовых комбинаций - 2³²-2⁵⁰;

- габариты транспондеров 8×15×5 мм;

- срок службы транспондера - не менее 20 лет;

- потребляемая транспондером мощность - 0 Вт.

Кроме того, предлагаемые способ и устройство обеспечивают увеличение чувствительности при определении деформаций конструкции здания или инженерно-строительного сооружения за счет увеличения в 2 раза девиации частоты 2Ω_Д и фазового сдвига 2Δϕ.