СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕМЕНТА СООРУЖЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК E02D33/00 

Изобретение относится к области контроля деформаций элементов сооружений.

Раскрытый в FR 2728677 метод контроля состояния насыпей шоссейных и железных дорог заключается в том, что в полотнища материала, укладываемого в насыпь, заделаны электрические или оптические провода. Наличие деструкции в насыпи определяется по изменению уровня сигнала измеряемого провода. Какие-либо конкретные описания методики измерений отсутствуют, и на сайте заявителя www.bidim.com отсутствуют какие-либо упоминания об этом продукте, что показывает на недоработанность данного метода для реального промышленного применения, поскольку здесь используют полотнища для установки проводов, что затрудняет подключение измерительной аппаратуры.

Раскрытый в RU 2066466 способ контроля бетонного основания плотин посредством оптической томографии показывает методику контроля объектов больших размеров со сложноразветвленной системой световодов. Этот способ требует применения значительного количества дорогостоящих элементов значительной мощности. Эти же недостатки присущи и раскрытому в RU 2148267 способу контроля сейсмических волн, в котором показано расположение световодов узкими петлями, что позволяет выбрать данный способ в качестве ближайшего аналога.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности, надежности и долговечности измерений различных видов деструкции элемента сооружения.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ контроля и диагностики элемента сооружения, заключающийся в том, что проводят контроль и диагностику элемента сооружения с использованием волоконно-оптических датчиков, содержащих оптические световоды, заложенные в упомянутый элемент с по меньшей мере одним направлением заложения световодов, производят соединение концов световодов между собой для образования змеевидного расположения световодов по меньшей мере одного направления. К первому свободному концу световодов по меньшей мере одного направления подключают источник света, ко второму свободному концу - приемник света, соединенный с устройством обработки информации, и проводят первое измерение значений оптической мощности светового потока, проходящего через змеевидное расположение световодов, и принимают его за первое эталонное значение оптической мощности светового потока, проводят второе измерения значения оптической мощности светового потока для каждого световода по меньшей мере одного направления и принимают его за второе эталонное значения для каждого световода по меньшей мере одного направления, снова образуют упомянутое змеевидное расположение световодов по меньшей мере одного направления, для которого проводят третье измерение оптической мощности светового потока, которое сравнивают с первым эталонным значением, и если первое эталонное значение равно либо меньше значения по третьему измерению, то деструкция элемента сооружения отсутствует, и через выбранный измерителем (т.е. человеком, оператором, контролером) любой промежуток времени третье измерение повторяют, а если первое эталонное значение больше значения по третьему измерению, то деструкция элемента сооружения присутствует, и тогда проводят четвертое измерение значений оптической мощности светового потока для каждого световода по меньшей мере одного направления, определяют деструктивный световод, в котором значение оптической мощности по четвертому измерению меньше соответствующего второго эталонного значения, и таким образом определяют место деструктивного события при наличии только одного направления заложения световодов, а при наличии более одного направления заложения световодов определяют место деструктивного события по месту пересечения деструктивных световодов. После определения деструктивного световода далее определяют вид деструктивного события с помощью рефлектометров, предназначенных для измерения обратного рассеяния светового потока от места деструктивного события, подключаемых к деструктивным световодам, делают вывод о виде деструктивных изменений упомянутого элемента.

Волоконно-оптический датчик, осуществляющий контроль элемента сооружения, содержит волоконно-оптический световод, который при подключении к нему дополнительной аппаратуры является оптическим тестером, обеспечивающим недорогой способ контроля по принципу "норма-тревога". Топология укладки световода позволяет охватить весь объем контролируемого элемента, например фундаментной плиты. Для закрепления в фундаментной плите световод привязывают к прутам арматуры снизу до заливки бетонной массы. Возможная топология укладки световода 1 в фундаментную плиту 2 представлена на фиг.1, где 1 - световод, 2 - фундаментная плита, 3 - источник света, 4 - приемник света, которым может быть измеритель оптической мощности светового потока, 5 - оптический разъем, 6 - блок обработки информации.

Фактически такой световод - это чувствительный элемент датчика, который реагирует на внутренние механические напряжения и деформации или тепловые нагрузки, а также позволяет регистрировать акустическую эмиссию.

Волоконно-оптический датчик состоит из трех основных частей фиг.1:

1) Источник света 3.

2) Волоконно-оптический световод 1.

3) Приемник света 4, которым может быть измеритель оптической мощности.

Источник излучения, содержащий светодиод, генерирует световой луч, который, проходя по световоду, теряет некоторую часть своего потока вследствие ряда причин и, в частности, в результате внешнего воздействия на световод. Любое механическое или тепловое воздействие на световод порождает геометрическое изменение его формы или микроповреждение, что автоматически влечет изменение (уменьшение) мощности светового потока, фиксируемой измерителем. На фиг.2 показан принцип действия волоконно-оптического датчика на базе оптического тестера, где 7 - зона изменения условий распространения света: микроизгиб, микротрещина, разрыв или изменение геометрических форм и размеров световода, микронеоднородность; 8 - световод в условиях внешнего воздействия; 9 - полный поток излучения, генерируемый источником света; 10 - поток излучения, регистрируемый измерителем мощности.

На этом основан принцип мониторинга контролируемого фрагмента конструкции, оснащенной волоконно-оптическим датчиком. При достижении заданного критического значения, означающего наличие предельной механической или тепловой нагрузки в каком-либо месте конструкции, волоконно-оптические датчики сигнализируют оператору через электронный блок обработки сигналов об аварийной ситуации.

На работу волоконно-оптического датчика не влияют такие внешние факторы, как электромагнитные поля, радиация, химически агрессивные среды. Топология закладки световода может быть разработана таким образом, что в случае его разрыва из контролируемой зоны волоконно-оптических датчиков уходит только строго определенная часть элемента конструкции, остальные области продолжают контролироваться. При этом даже при наличии разрыва неповрежденные отдельные отрезки световода полноценно работают как датчики при использовании рефлектометров - приборов, анализирующих различные виды обратно рассеянного излучения. Принцип действия волоконно-оптического датчика на базе рефлектометра представлен на фиг.3, где 11 - зона изменения условий распространения света: микроизгиб, микротрещина, разрыв или изменение геометрических форм и размеров световода, микронеоднородность; 12 - световод в условиях внешнего воздействия; 13 - полный поток излучения, генерируемый источником света; 14 - обратное рассеяние, регистрируемое рефлектометром.

Потенциально волоконно-оптические датчики могут выполнять более масштабную задачу, чем просто сигнал об аварийной ситуации в фундаментной плите как интегральный показатель ухудшения качества контролируемого объекта. При определенной топологии укладки световода возможно определить место возникновения дефекта с высокой точностью.

Рассмотрим топологию укладки световода, представленную на фиг.4, где 15 - источник света для первого направления заложения световодов, 16 - оптический разъем, 17 - фундаментная плита, 18 - приемник света, которым может быть измеритель оптической мощности, 19 - опорный отрезок световода, 20 - источник света для второго направления заложения световодов, 21 - приемник света, которым может быть измеритель оптической мощности. Здесь предложен вариант образующих волоконно-оптическую сеть волоконно-оптических световодов датчиков с двумя источниками света 15, 20 и двумя измерителями оптической мощности 18, 21 (два различных направления заложения световодов волоконно-оптической сети перпендикулярны друг другу). Каждая пара опорных отрезков световодов соединена оптическим разъемом, который вынесен на поверхность фундаментной плиты.

При поступлении аварийного сигнала, означающего падение оптической мощности в волоконно-оптической сети до критического уровня, оператор приступает к определению места аварийного события. Для этого он снимает оптические разъемы и последовательно пропускает световой сигнал через каждый опорный световод продольной и поперечной сетей с соответствующим измерением оптической мощности. После завершения тестирования всех опорных отрезков световодов определяются деструктивные световоды продольной и поперечной сетей, в зонах влияния которых произошло аварийное событие. Пересечение найденных зон (полос) фиксирует место аварийного события. Методика определения места аварийного события при поступлении аварийного сигнала представлена на фиг.5, где 22 - место аварийного события, 23 - поперечная полоса локализации аварийного события; 24 - продольная полоса локализации аварийного события.

Предложенная топология является базовой и может быть адаптирована для произвольных форм плиты в плане. При этом точность локализации аварийного события может быть повышена путем уменьшения расстояния между опорными отрезками световодов, а также за счет расположения световодов в плоскостях, расположенных на различной высоте (в пределах контролируемого элемента).

Диагностика элемента сооружения осуществляется посредством диагностики состояния волоконно-оптических световодов, входящих в состав датчиков.

Изобретение относится к области контроля деформации элементов сооружений. Оптические световоды закладывают в упомянутые элементы. Соединяют концы световодов между собой для образования змеевидного расположения, по меньшей мере, одного направления. К первому и второму концам змеевидного расположения подключают источник и приемник света соответственно. Первым измерением значений оптической мощности для змеевидного расположения определяют первое эталонное значение. Вторым измерением оптической мощности для каждого световода определяют второе эталонное значение. Проводят третье измерение оптической мощности, которое сравнивают с первым эталонным значением. Определяют наличие деструкции элемента сооружения, периодически повторяя третье измерение. Если первое эталонное значение больше значения по третьему измерению, то деструкция элемента сооружения присутствует. Обеспечивают проведение четвертого измерения значений оптической мощности светового потока для каждого световода. Определяют деструктивные световоды вид и место деструктивного события по месту пересечения деструктивных световодов. Технический результат - повышение точности, надежности и долговечности измерений различных видов деструкции элемента сооружения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ контроля и диагностики элемента сооружения, заключающийся в том, что проводят контроль и диагностику элемента сооружения с использованием волоконно-оптических датчиков, содержащих оптические световоды, заложенные в упомянутый элемент с по меньшей мере одним направлением заложения световодов, производят соединение концов световодов между собой для образования змеевидного расположения световодов по меньшей мере одного направления, к первому свободному концу световодов по меньшей мере одного направления подключают источник света, ко второму свободному концу - приемник света, соединенный с устройством обработки информации, и проводят первое измерение значений оптической мощности светового потока, проходящего через змеевидное расположение световодов, и принимают его за первое эталонное значение оптической мощности светового потока, проводят второе измерение значения оптической мощности светового потока для каждого световода по меньшей мере одного направления, и принимают его за второе эталонное значение для каждого световода по меньшей мере одного направления, снова образуют упомянутое змеевидное расположение световодов по меньшей мере одного направления, для которого проводят третье измерение оптической мощности светового потока, которое сравнивают с первым эталонным значением, и если первое эталонное значение равно либо меньше значения по третьему измерению, то деструкция элемента сооружения отсутствует, и через выбранный измерителем любой промежуток времени третье измерение повторяют, а если первое эталонное значение больше значения по третьему измерению, то деструкция элемента сооружения присутствует, и тогда проводят четвертое измерение значений оптической мощности светового потока для каждого световода по меньшей мере одного направления, определяют деструктивный световод, в котором значение оптической мощности по четвертому измерению меньше соответствующего второго эталонного значения, и таким образом определяют место деструктивного события при наличии только одного направления заложения световодов, а при наличии более одного направления заложения световодов определяют место деструктивного события по месту пересечения деструктивных световодов.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после определения деструктивного световода далее определяют вид деструктивного события с помощью рефлектометров, предназначенных для измерения обратного рассеяния светового потока от места деструктивного события, подключаемых к деструктивным световодам, делают вывод о виде деструктивных изменений упомянутого элемента.