СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ ИЛИ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНОГО СООРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01B7/16 G01M7/00 

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 предупредить ее разрушение.

Известны способы и устройства дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных 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, 2.135.887, 2.190.152, 2.206.817, 2.230.978, 2.276.304, 2.327.105, 2.471.161; патенты США №№3.170.152, 3.851.521, 4.206.402, 5.894.092; патент Франции №2.294.389; Ренский А.Б. Руководство по тензометрированию строительных конструкций и материалов. - М., 1971, с. 133, 149-155 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения и устройство для его осуществления» (патент РФ №2.327.105, G01B 7/16, 2006), которые и выбраны в качестве прототипов.

Известный способ заключается в опросе датчиков, установленных в местах диагностирования конструкции, преобразования полученной от датчиков информации и ее передаче на пункт контроля в виде компьютера. Результаты опроса датчиков отражают в виде наглядной картины текущего состояния конструкции на экране монитора компьютера.

Устройство содержит пункт контроля в виде компьютера, датчики, размещенные в местах диагностирования конструкции, связанный с ним блок предварительной обработки сигналов и средства связи блока предварительной обработки сигналов с упомянутым компьютером. При этом блок предварительной обработки сигналов выполнен с возможностью опроса датчиков, приема и регистрации сигналов, содержащих измерительную информации, и с возможностью сравнения информации с заранее внесенными в его память фиксированными величинами.

При этом средства связи блока предварительной обработки сигналов с компьютером могут быть выполнены в виде проводной линии связи (цифровой шины) и размещенного на входе компьютера устройства согласования сигналов. В качестве устройства согласования сигналов может быть использован конвертор.

Любое здание или инженерно-строительное сооружение состоит из элементов, относящихся к различным типам строительных конструкций, характеризующихся своими особенностями. Среди них могут быть железобетонные и металлические балки, различные вертикальные опоры, плиты перекрытий и прочие, поскольку процесс, например, деформации указанных элементов имеет различные сроки и только в экстренных ситуациях требуется непрерывный поток информации, алгоритм работы известных способа и устройства должен иметь различные интервалы опроса датчиков.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения путем использования двух режимов работы: по запросу и режима работы с общей синхронизацией.

Поставленная задача решается тем, что способ контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, основанный на том, что опрашивают датчики, установленные в местах диагностирования конструкции, преобразуют полученную с датчиков информацию и передают ее на пункт контроля, выполненный в виде компьютера с программным обеспечением, где осуществляют регистрацию и сравнение полученной информации с заранее вводимыми в память компьютера фиксированными величинами, формируют условное изображение контролируемого объекта, повторяющее его конструкцию, размещают на нем в местах, соответствующих реальному расположению датчиков, цветные метки - индикаторы, обеспечивая постоянную связь упомянутых меток-индикаторов с датчиками меток-индикаторов и его смену, в качестве фиксированной величины для каждого датчика используют полученные путем предварительных расчетов предельное допустимое знание измеряемого параметра, а результаты опроса датчиков и результаты сравнения последней принятой с них информации отражают в реальном времени через цвет меток-индикаторов и смену на условном изображении объекта, по которому судят об исправности и состоянии конструкции, отличается от ближайшего аналога тем, что запоминают коды каждого здания или инженерно-строительного сооружения и общий код для всех наблюдаемых зданий или инженерно-строительных сооружениях в первом и втором блоках памяти соответственно, и при работе по запросу с пункта контроля подают код, соответствующий коду интересующего здания или инженерно-строительного сооружения, записанному в первом блоке памяти, по этому коду включают аппаратуру только одного выбранного здания или инженерно-строительного сооружения, измеряют все его параметры в соответствии с программой, и результат измерения в короткий отрезок времени после посылки управляемого кода передают по цифровой шине на пункт контроля, затем с пункта контроля подают код другого здания или инженерно-строительного сооружения и всю процедуру повторяют, так поочередно определяют все наблюдаемые здания или инженерно-строительные сооружения, в случае применения режима работы с общей синхронизации с пункта контроля по цифровой шине подают код, соответствующий коду, записанному во втором блоке памяти, общему для всех зданий или инженерно-строительных сооружений, по этому коду включение в работу аппаратуры каждого здания или инженерно-строительного сооружения производят в момент времени, определяемый блоком временной задержки, который устанавливают индивидуально для каждого здания или инженерно-строительного сооружения таким образом, чтобы моменты опроса и передачи информации всех зданий или инженерно-строительных сооружений в пункт контроля были бы разнесены во времени.

Поставленная задача решается тем, что устройство контроля состояния конструкции зданий 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, включающими выведенное на экран монитора компьютера условное изображение контролируемой конструкции и цветные метки-индикаторы, размещенные на упомянутом изображении в соответствии с размещением измерительных преобразователей и выполненные с возможностью отражения в реальном времени посредством своего цвета и его изменения исправности соответствующего измерительного преобразователя и результатов сравнения последней принимаемой 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, в качестве измерительных преобразователей использованы пьезометрические датчики, в качестве средства связи блока предварительной обработки сигналов с компьютером использована цифровая линия связи и размещенное на входе компьютера устройство согласования сигналов, которое выполнено в виде конвертора, измерительные преобразователи сформированы в группы, каждая из которых связана со своим блоком предварительной обработки сигналов, все упомянутые блоки подключены к общей цифровой линии связи, отличается от ближайшего аналога тем, что каждый блок предварительной обработки сигналов выполнен в виде последовательно подключенных к выходам датчиков коммутатора, аналого-цифрового преобразователя и кодера, второй вход которого соединен с выходом блока управления, а выход подключен к цифровой линии связи, причем каждый блок управления выполнен в виде последовательно подключенных к цифровой линии связи декодера, первого блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом первого блока памяти, и логической схемы ИЛИ, выход которой соединен со вторым входом кодера, последовательно подключенных к выходу декодера второго блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом второго блока памяти, и блока временной задержки, выход которого соединен с вторым входом логической схемы ИЛИ,

Структурная схема устройства контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, реализующего предлагаемый способ, предоставлена на фиг. 1. Структурная схема блока 2.i (1=1,2,…,к) предварительной обработки сигналов изображена на фиг. 2. Структурная схема блока 11.i (i=1,2,…,k) управления показана на фиг. 3. Временные диаграммы изображены на фиг. 4 и 5.

Устройство контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения содержит набор измерительных преобразователей 1.j (j=1,2,…,n), блок 2.i (i=1,2,…,k) предварительной обработки сигналов, управляемый вход которого соединен с выходом блока 11.i управления, линию связи - цифровую шину 4, устройство согласования сигналов - конвертор 5, пункт контроля, выполненный в виде компьютера 6 и связанный с последним дисплеем 7, и устройство 8 звуковой сигнализации.

Каждый блок 2.i(i=1,2,…,k) предварительной обработки сигналов выполнен в виде последовательно подключенных к выходу датчиков l.j(j=1,2,…,n) коммутатора 12, аналого-цифрового преобразователя 3 и кодера 13, второй вход которого соединен с выходом блока 11.i (i=1,2,…,k) управления, а выход подключен к линии связи 4.

Каждый блок ll.i(i=1,2,…,k) управления содержит последовательно подключенные к линии связи 4 декодера 14 первого блока 15 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом первого блока 17 памяти, и логическая схема ИЛИ 20, выход которой подключен к управляющему входу блока 2.1 предварительной обработки сигналов, последовательно подключенных к выходу декодера 14 второго блока 16 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом второго блока 18 памяти, и блок 19 временной задержки, выход которого соединен с вторым входом логической схемы ИЛИ 20.

Предлагаемый способ контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения посредством предлагаемого устройства осуществляют следующим образом.

Осуществляют установку датчиков 1.j(1,2,…,n) в наиболее опасных сечениях конструкции, подверженных наибольшим нагрузкам. Упомянутые места обычно определяет конструктор здания.

На экран дисплея 7 выведено условное изображение 9 контролируемой конструкции с размещенными на ней цветными метками-индикаторами 10, соответствующими датчиками 1.j(j=1,2,…,n). Работа датчиков, измерения которых находятся в допустимых пределах, отражается зеленым цветом метки-индикатора 10. Нерабочее состояние датчика 1,j - отражается желтым цветом. Для отражения показаний датчиков, превышающих предельно допустимые значения, предусмотрен красный цвет индикатора.

В память компьютера 6 заносят расчетные величины предельно допустимой деформации для каждого контролируемого элемента конструкции здания, на которой устанавливается датчик, а также сведения о типе конструкции, месте его расположения и другая необходимая при принятии решения информация.

Здание (строительное сооружение) состоит из элементов, относящихся к различным типам строительных конструкций, характеризующихся своими особенностями. Среди них могут быть железобетонные и металлические балки, различные вертикальные опоры, плиты перекрытий и т.д.

За зданиями (сооружениями) устанавливают постоянный надзор за протяжении всего периода эксплуатации. Система находится в постоянном режиме самодиагностики.

Устройство работает в двух режимах:

1) режим работы по запросу;

2) режим работы с общей синхронизацией.

На фиг. 4 приведены диаграммы, иллюстрирующие первый режим работы, на фиг. 5 - второй режим. По оси абсцисс на всех диаграммах отложено время. На диаграммах А условно показаны командные кодовые посылки, передаваемые по линии связи 4 от пункта контроля в аппаратуру каждого здания (сооружения). На диаграммах I, i, показаны условно кодовые посылки, передаваемые по информационной линии связи 4 от аппаратуры, расположенной на здании (сооружении), на пункт контроля. Каждой кодовой посылке, обозначенной на диаграммах арабскими цифрами, соответствует передаваемое значение измеряемого параметра.

При режиме работы по запросу (фиг.4) все командные кодовые посылки имеют различные значения: каждому зданию (сооружению) присваивается свой код. Запуск программы опроса датчиков, измеряющих параметры, производится после принятия командного кода и его расшифровки (на диаграммах этот момент времени обозначен заштрихованными прямоугольниками). Достоинством данного режима работы является его гибкость: при желании можно опрашивать не все здания (сооружения), а часть из них или даже одно здание (сооружение), но с более высокой частотой.

В случае применения режима работы с общей синхронизацией аппаратуры всех зданий (сооружений) настроены на один общий код, по которому производится одновременный запуск программных устройств аппаратуры всех зданий (сооружений) (фиг.5). Эти программно-временные устройства настроены таким образом, что подключение каждого здания (сооружения) к линиям связи 4 производится в определенный момент времени после приема синхронизирующего кода С, поэтому отрезки передачи и аппаратурой зданий (сооружений) информации в пункт контроля разнесены между собой во времени. Достоинством данного режима работы является более короткий цикл передачи информации и более высокая помехоустойчивость. К недостаткам его следует отнести значительно меньшую гибкость: в данном случае невозможно изменить программу подключения аппаратуры зданий (сооружений) с пунктом контроля.

Предлагаемая схема блока управления 11.i(i=1,2,…,к) позволяет реализовать оба режима работы устройства. Делается это следующим образом.

В блок 17 памяти аппаратуры каждого здания (сооружения) заносится свой код. В блок 18 памяти заносится один общий код для аппаратуры всех зданий (сооружений).

При работе по запросу с пункта контроля подается код, соответствующий коду, записанному в блоке 17 памяти. По этому включается аппаратура только одного выбранного здания (сооружения), производится измерение всех его n параметров в соответствии с программой и результат измерения в короткий отрезок времени после посылки управляющего кода передается по информационной линии связи 4 на пункт контроля. Затем с пункта контроля посылается код другого здания (сооружения) и вся процедура повторяется. Так поочередно опрашивается аппаратура всех наблюдаемых зданий (сооружений).

Данная система позволяет при необходимости изменять программу опроса, например, опрашивать с более высокой частотой аппаратуру ограниченного числа зданий (сооружений) или даже аппаратуру одного здания (сооружения). Такая необходимость может возникнуть, например, при контроле здания (сооружения), находящегося в критическом состоянии, когда требуется более высокая частота опроса.

В случае применения режима работы с общей синхронизацией с пункта контроля по командной линии связи 4 подается код, соответствующий коду, записанному во второй блок 18 памяти, общий для аппаратуры всех зданий (сооружений). По этому коду включение в работу аппаратуры каждого здания (сооружения) производится в момент времени, определяемый блоком 19 временной задержки Δt_i, который устанавливается индивидуально для каждого здания (сооружения) таким образом, чтобы моменты опроса передачи аппаратурой всех зданий (сооружений) в пункт контроля были бы разнесены во времени.

Далее производится экспресс-обработка в реальном времени всех параметров наблюдаемых зданий (сооружений) и в случае отклонения их за допускаемые пределы у какого-либо здания (сооружения) пункт контроля выдает сигнал тревоги с указанием номера здания (сооружения) для принятия экстренных мер.

Для этого полученная с датчика 1.j(j=1,2,…n) информация коммутируется в коммутаторе 12, преобразуется в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 3 и через кодер 13 передается на цифровую шину 4. Конвертор 5 осуществляет преобразование сигналов к виду, пригодному для обработки в компьютере 6. Компьютер 6 регистрирует сигнал, несущий измерительную информацию, и осуществляет сравнение полученных данных с заранее введенной в память предельной величиной. Сравнение может осуществляться, например, путем нахождения разности между упомянутыми величинами.

При превышении полученной с датчика 1.j(1,2,…,n) информацией предельно допустимого значения, т.е. когда происходит смена знака полученной разницы, компьютер 6 выдает сигнал на смену цвета соответствующей метки индикатора 10 и за звуковое устройство 8, осуществляющее подачу звукового сигнала. Одновременно с этим производится обращение к памяти компьютера и извлечение из нее всей имеющейся информации о том элементе строительной конструкции, на котором 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 дальнейшем эксплуатации здания (сооружения).

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

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

Предлагаемая многоканальная 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. В приведенном примере с проводной линией связи предусмотрена возможность удаления блока предварительной обработки сигналов от блока конвертора т.е. компьютера, расположенного на пунктах контроля, до 1000 м.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение эффективности контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения. Это достигается использованием двух режимов: по запросу и режима работы с общей синхронизацией.

Изобретения относятся к приборостроению, в частности к контрольно-измерительной технике, а именно к автоматическим средствам непрерывного отслеживания состояния конструкций. Способ заключается в опросе датчиков, установленных на сооружениях, и обработке данных на компьютере, со сравнением с предшествующими показателями. Каждому сооружению присваиваются свои кодовые обозначения, при опросе датчиков, при поступлении по линии связи соответствующего кода, включается аппаратуру только выбранного сооружения, и производится измерение параметров, затем производится опрос следующего сооружения. Опрос датчиков и передача информации производится с разнесением по времени для каждого из сооружений. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит набор измерительных преобразователей, блок предварительной обработки сигналов, цифровую шину, конвертор, пункт контроля, выполненный в виде компьютера, дисплей и устройство звуковой сигнализации и блок управления. Каждый блок предварительной обработки сигналов содержит аналого-цифровой преобразователь, коммутатор и кодер. Каждый блок управления содержит декодер, первый и второй блоки сравнения кодов, первый и второй блоки памяти, блок временной задержки и логическую схему. Технический результат заключается в повышении эффективности контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения, основанный на том, что опрашивают датчики, установленные в местах диагностирования конструкции, преобразуют полученную с датчиков информацию и передают ее на пункт контроля, выполненный в виде компьютера с программным обеспечением, где осуществляют регистрацию и сравнение полученной информации с заранее введенными в память компьютера фиксированными величинами, формируют условное изображение контролируемого объекта, повторяющее его конструкцию, размещают на нем в местах, соответствующих реальному расположению датчиков, цветные метки-индикаторы, обеспечивая постоянную связь упомянутых меток-индикаторов с датчиками, в качестве фиксированного величины для каждого датчика используют полученное путем предварительных расчетов предельное 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, отличающийся тем, что запоминают коды каждого здания или инженерно-строительного сооружений и общий код для всех наблюдаемых зданий или инженерно-строительных сооружениях в первом и втором блоках памяти соответственно, при работе по запросу с пункта контроля подают код, соответствующий коду интересующегося здания или инженерно-строительного сооружения, записанному в первом блоке памяти, по этому коду включают аппаратуру только одного выбранного здания или инженерно-строительного сооружения, измеряют все его параметры в соответствии с программой, и результат измерения в короткий отрезок времени после посылки управляющего кода передают по цифровой шине на пункт контроля, затем с пункта контроля посылают код другого здания или инженерно-строительного сооружения и всю процедуру повторяют, так поочередно опрашивают все наблюдаемые здания или инженерно-строительные сооружения, в случае применения режима работы с общей синхронизацией с пункта контроля по цифровой шине подают код, соответствующий коду, записанному во втором блоке памяти, общему для всех зданий или инженерно-строительных сооружений, по этому коду включение в работу аппаратуры каждого здания или инженерно-строительного сооружения производят в момент времени, определяемый блоком временной задержки, который устанавливают индивидуально для каждого здания или инженерно-строительного сооружения таким образом, чтобы моменты опроса и передачи информации всех зданий или инженерно-строительных сооружений в пункт контроля были бы разнесены во времени.

2. Устройство контроля состояния конструкций здания или инженерно-строительного сооружения, содержащее пункт контроля, характеризующий использование 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, включающими выведенное на экран компьютера условное изображение контролируемой конструкции и цветные метки-индикаторы, размещенные на упомянутом изображении в соответствии с размещением измерительных преобразователей и выполненные 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 соответствующей упомянутой метке-индикатору измерительный преобразователь, а в качестве измерительных преобразователей использованы тензометрические датчики, в качестве средства связи блока предварительной обработки сигналов с компьютером использована цифровая линия связи и размещенное на входе компьютера устройство согласования сигналов, которое выполнено в виде конвертора, измерительные преобразователи сформированы в группы, каждая из которых связана со своим блоком предварительной обработки сигналов, все упомянутые блоки подключены к общей цифровой шине связи, отличающееся тем, что каждый блок предварительной обработки сигналов выполнен в виде последовательно подключенных к выходам датчиков коммутатора, аналого-цифрового преобразователя и кодера, второй вход которого соединен с выходом блока управления, а выход подключен к цифровой линии связи, причем каждый блок управления выполнен в виде последовательно подключенных к цифровой линии связи декодера, первого блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом первого блока памяти, и логической схемы ИЛИ, выход которой соединен со вторым входом кодера, последовательно подключенных к выходу декодера второго блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом второго блока памяти, и блока временной задержки, выход которого соединен с вторым входом логической схемы ИЛИ.