Система и способ натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание Российский патент 2025 года по МПК G01L19/00 G01W1/00 

Изобретение относится к системам измерения, в частности, к системам измерений нестационарного ветрового воздействия на здание.

Из уровня техники известна система измерения скорости и направления ветра, включающая в себя датчики, сконфигурированные для измерения давления воздуха и передачи сигналов измерения давления воздуха, и модуль связи, подключенный по меньшей мере к одному датчику для отправки и/или приема сигналов измерения давления воздуха по меньшей мере от одного датчика с использованием систем проводного и/или беспроводного подключения. Патент США №10877060https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPATAP&DocNumber=2021115920&TypeFile=html, опубликован 04.10.2018.

Известен способ определения вертикальных распределений скорости и направления ветра, состоящий в том, что вертикально вверх запускают беспилотный летательный аппарат (БПЛА) вертолетного типа в режиме удержания географических координат и ориентации, снабженный датчиками наклона, температуры, давления, влажности и потребляемой двигателями мощности, измеряют наклон вектора тяги БПЛА, потребляемую двигателями мощность, атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, при этом дополнительно измеряют дифференциальное давление между N парами точек за пределами зоны, возмущенной пропеллерами летательного аппарата, а определение скорости и направления ветра производят, используя заранее измеренную при калибровке системы зависимость дифференциальных давлений от вектора скорости ветра с учетом наклона вектора тяги, потребляемой двигателями мощности и ориентации БПЛА, атмосферного давления, влажности и температуры. Патент в РФ №2692736, опубликован 26.06.2019.

Известен способ экспериментального определения аэродинамических характеристик модели при проведении квазистатических испытаний в аэродинамической трубе, включающий перемещение модели в потоке рабочей части аэродинамической трубы по углу атаки, измерение мгновенных аэродинамических нагрузок, сбор экспериментальных данных и их фильтрование, при этом сбор экспериментальных данных осуществляют с частотой опроса не менее 1000 Гц, фильтрование экспериментальных данных осуществляют с частотой среза 2-5 Гц, а также дополнительно на основании собранных экспериментальных данных определяют положение скачкообразных переходов в аэродинамических характеристиках, начало и развитие аэродинамической тряски по углам атаки и скольжения. Патент в РФ №2 696 942, опубликован 07.08.2019.

Ветровое воздействие - важнейший фактор для конструкций зданий и сооружений. В большинстве простых случаев, аэродинамические коэффициенты уже известны и приведены в нормативных документах. Однако для сложных по форме, или высотных зданий, необходимо проводить отдельные дорогостоящие исследования.

В настоящее время, изучение внешней аэродинамики зданий осуществляют с помощью аэродинамических труб или численного моделирования.

Оба этих подхода являются приблизительными и сами по себе требуют верификации на натурных объектах. В то же время, натурных аэродинамических измерений в строительстве в мире очень мало по причине сложности их проведения.

Имея большую базу измерений, можно усовершенствовать методики расчетов получить новую научную информацию, необходимую для более точного проектирования новых зданий и сооружений.

Однако кроме научной, существует и еще одна практическая задача в области строительной аэродинамики - мониторинг и обследование уже построенных объектов, включающие измерения колебаний, вызванных нестационарным ветровым воздействием и определение повышенных аэродинамических нагрузок в локальных зонах, приводящих к разрушению фасадов или кровель зданий.

Таким образом, задачей заявленной группы изобретений является разработка способа и на его основе измерительной системы, позволяющей относительно быстро и недорого проводить натурные аэродинамические исследования зданий и сооружений в кратчайшие сроки, без использования громоздких систем и оборудования.

Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении эффективности измерений за счет повышения точности и полноты полученных показаний, в частности, за счет возможности осуществления измерений в любой точке (или множестве точек) поверхности здания и области ветрового воздействия на здание, повышения удобства и простоты измерений и сбора полученных данных, в частности, за счет беспроводного исполнения измерительных устройств и их удаленного управления, простой установки измерительных устройств в интересующих точках.

Технический результат заявляемого технического решения также заключается в повышении надежности устройства для регистрации давления на поверхности здания, в частности, за счет снижения вероятности повреждения устройства и его компонентов.

Заявленный технический результат достигается тем, что система натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание включает по меньшей мере одно устройство для регистрации давления воздуха на поверхности здания, содержащее корпус, выполненный с возможностью крепления к фасаду здания, внутри которого размещена плата с микроконтроллером, аккумуляторная батарея, связанные с микроконтроллером беспроводной модуль приема и передачи данных, с подключенной к нему внешней антенной, цифровой датчик абсолютного давления, модуль памяти для сохранения данных, зарегистрированных цифровым датчиком, по меньшей мере одно устройство для регистрации статического давления на уровне земли, по меньшей мере одно устройство для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, связанные посредством беспроводной связи с блоком управления и сбора данных с возможностью передачи и сохранения зарегистрированных данных.

Выполнение устройства для регистрации давления на поверхности здания с возможностью крепления к фасаду здания обеспечивает возможность получения данных в любой точке поверхности здания, в зависимости от его геометрии и поставленных для исследования задач.

Плата с микроконтроллером, аккумуляторная батарея, связанные с микроконтроллером беспроводной модуль приема и передачи данных с подключенной внешней антенной цифровой датчик абсолютного давления, модуль памяти для сохранения данных, зарегистрированных цифровым датчиком, обеспечивают автономную работу устройства с возможностью регистрации давления, изменяющегося по времени, и передачи полученных данных по беспроводному каналу на центральный блок управления. При этом, описанная конструкция, исключающая необходимость подведения кабелей электропитания и связи, обеспечивает компактность устройства, возможность и простоту его крепления к любой точке фасада.

Наличие в корпусе устройства измерительного отсека для размещения в нем цифрового датчика абсолютного давления, и отсека для размещения в нем платы с микроконтроллером, аккумуляторной батареи, снижает влияние нагрева цифрового датчика от других электронных компонентов, отрицательно сказывающегося на точности его показаний.

Предпочтительно выполнение отсека корпуса устройства для регистрации давления на поверхности здания, в котором расположены микросхемы, водонепроницаемым для повышения его надежности и надежности всей системы.

Приемные отверстия диаметром 2 мм в количестве не менее 6 шт. расположены таким образом, чтобы избежать проявления инерционности при измерении быстроменяющегося давления во времени.

Наличие в устройстве для регистрации давления на поверхности здания температурного датчика, связанного с микроконтроллером, позволяет измерять температуру в конвективных потоках пристеночного течения фасада при инсоляции.

Выполнение корпуса устройства для регистрации давления на поверхности здания из гибкого пластика методом 3D печати уменьшает риск повреждения устройства в случае его падения с высоты.

Выполнение корпуса устройства для регистрации давления на поверхности здания прозрачным или полупрозрачным (с возможностью просвечивания внутреннего светодиода) способствует отображению цветовой индикации режима работы устройства, при ее наличии, определяя удобство эксплуатации устройства за счет возможности отслеживания его работы с места оператора, земли и т.д.

Соединение корпуса устройства для регистрации давления на поверхности здания с парашютом, выполненным с возможностью раскрытия при падении корпуса с поверхности здания, служит спасательной системой, предотвращающей повреждения устройства, окружающих предметов или нанесения травм людям при его падении с высоты. Миниатюрный парашют может быть размещен между корпусом устройства и фасадом.

Выполнение корпуса устройства для регистрации давления на поверхности здания с максимальной длиной до 120 мм и высотой до 45 мм (выступающей из плоскости фасада) характеризует его компактностью и небольшим весом (до 250 грамм), минимизируя вносимые им аэродинамические возмущения, которые могут отрицательно сказаться на точности измерений.

Система натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание, включающая по меньшей мере одно беспроводное устройство для регистрации давления воздуха на поверхности здания, содержащее корпус, выполненный с возможностью крепления к фасаду здания, внутри которого размещена плата с микроконтроллером, аккумуляторная батарея, связанные с микроконтроллером беспроводной модуль приема и передачи данных, с подключенной к нему внешней антенной, цифровой датчик абсолютного давления, модуль памяти для сохранения данных, зарегистрированных цифровым датчиком, по меньшей мере одно устройство для регистрации статического давления на уровне земли, по меньшей мере одно устройство для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, связанные посредством беспроводной связи с блоком управления и сбора данных с возможностью передачи и сохранения зарегистрированных данных, обеспечивает возможность получения точных измерений, необходимых для исследования нестационарного воздействия на конкретное здание любой геометрии и расположения, и возможность контролирования процессом измерений удаленно, с рабочего места (блок управления и сбора данных). Кроме того, описанная структура системы характеризуется простотой в установке измерительных устройств согласно плану измерительных точек, в зависимости от целей исследования и формы здания. Заявленная система позволяет, при необходимости, менять местоположения измерительных устройств, отслеживать их работу, корректность измерений, исправность электронных компонентов за счет их беспроводной связи с центральным блоком управления и сбора данных. При этом, наличие в системе натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание устройств для регистрации давления воздуха на поверхности здания, для регистрации статического давления на уровне земли и для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, обеспечивает возможность получения исчерпывающего количества данных для оценки ветрового воздействия.

Выполнение микроконтроллера устройства для регистрации давления воздуха на поверхности здания с возможностью периодической синхронизации по времени с устройством для регистрации статического давления на уровне земли и устройством для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий в единой временной шкале посредством беспроводного модуля передачи данных обеспечивает получение блоком управления и сбора данных корректных и точных показателей, соответствующих действительному временному отрезку, что является важным в условиях длительного мониторинга, поскольку измерительные устройства системы имеют свойство рассинхронизации по времени.

Выполнение устройства для регистрации давления воздуха на поверхности здания с возможностью измерения с заданной периодичностью, при выполнении микроконтроллера устройства с возможностью получения команды на начало и окончание измерений от блока управления и сбора данных посредством беспроводного модуля приема и передачи данных, позволяет осуществить спящий режим устройства для экономии заряда батареи в период ожидания, повышая его надежность. В это время устройство может включаться с заданной периодичностью (например, 1 раз в 5 минут) для получения команды на начало измерений по беспроводному каналу.

Выполнение микроконтроллера устройства для регистрации давления воздуха на поверхности здания с возможностью беспроводной передачи данных на блок управления и сбора данных с частотой, меньшей периодичности записи данных, измеренных устройством для регистрации давления воздуха на поверхности здания на модуль памяти, дополнительно обеспечивает экономию заряда аккумуляторной батареи, снижение количества отправленных пакетов по беспроводному каналу, повышая надежность и удобство использования заявленной системы.

Заявляемое техническое решение далее поясняется с помощью фигур, на которых представлен предпочтительный вариант исполнения заявленной группы изобретений.

На фиг. 1 условно представлена функциональная блок-схема системы натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание.

На фиг. 2 условно представлен вид размещения устройств для регистрации давления воздуха на поверхности здания и устройств для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий (V- направление векторов скорости ветра; H- высота точки измерения здания).

На фиг. 3 условно представлен вертикальный разрез устройства для регистрации давления воздуха на поверхности здания сбоку.

На фиг. 4 условно представлен вертикальный разрез устройства для регистрации давления воздуха на поверхности здания спереди.

Цифрами обозначены следующие элементы:

- устройство (1) для регистрации давления воздуха на поверхности здания;

- устройство (2) для регистрации статического давления на уровне земли;

- устройство (3) для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий;

- блок (4) управления и сбора данных;

- БПЛА (5) с расположенной на борту системой измерения направления и скорости ветра;

- корпус (6);

- фасад (7) здания;

- микроконтроллер (8);

- аккумуляторная батарея (9);

- внешняя антенна (10);

- цифровой датчик (11) абсолютного давления;

- модуль (12) памяти;

- элемент (13) крепления корпуса (6) к поверхности здания;

- элемент (14) крепления корпуса (6) к поверхности здания системы парашюта (15);

- тумблер (16) включения/выключения питания;

- разъем (17) для заряда аккумуляторной батареи (9);

- разъем (18) для программирования микроконтроллера (8).

Далее со ссылками на фигуры описан предпочтительный вариант осуществления системы натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание и устройства (1) для регистрации давления воздуха на поверхности здания.

Система натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание включает по меньшей мере одно (в частности, 1-200 шт.) беспроводное устройство (1) для регистрации давления воздуха на поверхности здания, по меньшей мере одно устройство (2) для регистрации статического давления на уровне земли, по меньшей мере одно устройство (3) для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, связанные посредством беспроводной связи с блоком (4) управления и сбора данных с возможностью передачи и сохранения зарегистрированных данных.

Устройство (1) для регистрации давления воздуха на поверхности здания содержит корпус (6), выполненный с возможностью крепления к фасаду (7) здания, внутри которого размещена плата с микроконтроллером (8), аккумуляторная батарея (9), связанные с микроконтроллером (8) беспроводной модуль приема и передачи данных, с подключенной к нему внешней антенной (10), цифровой датчик (11) абсолютного давления, модуль (12) памяти для сохранения данных, зарегистрированных цифровым датчиком (11). Устройство (2) для регистрации статического давления на уровне земли и устройство (3) для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий могут иметь аналогичную конструкцию и состав электронных компонентов.

Предпочтительно микроконтроллер (8) устройства (1) для регистрации давления воздуха на поверхности здания выполнен с возможностью периодической синхронизации по времени с устройством (2) для регистрации статического давления на уровне земли и устройством (3) для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий в единой временной шкале посредством беспроводного модуля передачи данных.

Устройство (1) для регистрации давления воздуха на поверхности здания предпочтительно выполнено с возможностью измерения с заданной периодичностью, при этом микроконтроллер (8) устройства (1) выполнен с возможностью получения команды на начало и окончание измерений от блока (4) управления и сбора данных посредством беспроводного модуля приема и передачи данных.

Микроконтроллер (8) устройства (1) для регистрации давления воздуха на поверхности здания может быть выполнен с возможностью беспроводной передачи данных на блок (4) управления и сбора данных с частотой, меньшей периодичности записи данных, измеренных устройством (1) для регистрации давления воздуха на поверхности здания (цифровым датчиком (11)) на модуль (12) памяти.

В предпочтительном варианте блок (4) управления и сбора данных выполнен с возможностью получения и обработки данных от устройства (1) для регистрации давления воздуха на поверхности здания, устройства (2) для регистрации статического давления на уровне земли, и устройства (3) для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, и отображения обработанных данных в единых шкалах времени и давления.

Корпус (6) устройства (1) для регистрации давления на поверхности здания в предпочтительном варианте включает измерительный отсек для размещения в нем цифрового датчика (11) абсолютного давления, и отсек для размещения в нем платы с микроконтроллером (8), аккумуляторной батареи (9). Предпочтительно измерительный отсек имеет не менее шести приемных отверстий диаметром 2 мм.

Цифровой датчик (11) абсолютного давления устройства (1) для регистрации давления на поверхности здания может быть соединен с трубкой Пито для измерения скоростного напора. Устройство (1) для регистрации давления на поверхности здания может включать температурный датчик, связанный с микроконтроллером (8).

Корпус (6) устройства (1) для регистрации давления на поверхности здания предпочтительно выполнен прозрачным или полупрозрачным, из гибкого пластика методом 3D печати.

Устройство (1) для регистрации давления на поверхности здания в предпочтительном варианте включает унифицированные элементы (13) крепления корпуса (6) к поверхности здания, а также элементы (14) крепления корпуса (6) к поверхности здания системы парашюта (15), выполненные в виде присоски, магнита или двусторонней клейкой ленты, позволяющие располагать и прикреплять удобным способом устройства (1) в любом месте фасада (7) здания.

В предпочтительном варианте корпус (6) устройства (1) для регистрации давления на поверхности здания соединен с парашютом (15), выполненным с возможностью раскрывания при падении корпуса (6) с поверхности здания.

Корпус (6) устройства (1) для регистрации давления на поверхности здания предпочтительно выполнен с максимальной длиной до 120 мм и высотой до 45 мм.

Корпус (6) устройства (1) для регистрации давления на поверхности здания предпочтительно может быть оснащен тумблером (16) включения/выключения питания, разъемом (17) для заряда аккумуляторной батареи (9), разъемом (18) для программирования микроконтроллера (8).

Цифровой датчик (11) абсолютного давления устройства (1) для регистрации давления на поверхности здания может представлять собой датчик серии BME280. Микроконтроллер (8) устройства для регистрации давления на поверхности здания может быть выполнен на базе микропроцессора серии ESP32.

Пример реализации способа натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание с использованием системы натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание и устройства (1) для регистрации давления на поверхности здания представлен далее.

На поверхности здания в заданных точках (в зависимости от геометрии здания) измеряют давление посредством по меньшей мере одного беспроводного устройства (1) для регистрации давления воздуха на поверхности здания.

Синхронно измеряют статическое давление на уровне земли, в частности, посредством устройства (2) для регистрации статического давления на уровне земли, и направление и скорость ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, в частности, посредством устройства (3) для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий.

Зарегистрированные данные давления на поверхностях здания, статического давления воздуха на поверхности земли, направление и скорость ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, передаются в блок (4) управления и сбора данных для последующей обработки, анализа и использования в зависимости от целей проведения исследований.

Все устройства синхронизированы между собой по времени и способны регистрировать давление с частотой не менее 64 Гц. Показания передаются по беспроводному каналу на мобильный сервер (компьютер) - блок (4) управления и сбора данных, и регистрируются с помощью специального программного обеспечения в реальном времени и их отображения в единых шкалах времени и давления.

В частном случае направление и скорость ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, выбирают в радиусе, равном десяти высотам здания, и измеряют посредством соответствующего прибора (3) для измерения направления и скорости ветра на кровле здания или БПЛА (5) с расположенной на борту системой измерения направления и скорости ветра.

Представленные фигуры, описание системы и способа натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание и устройства для регистрации давления на поверхности здания не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.

Группа изобретений относится к средствам измерения нестационарного ветрового воздействия на здание. Сущность: система натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание включает устройство для регистрации давления воздуха на поверхности здания, устройство для регистрации статического давления на уровне земли, устройство для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, связанные посредством беспроводной связи с блоком управления и сбора данных, выполненным с возможностью передачи и сохранения зарегистрированных данных. При этом устройство для регистрации давления воздуха на поверхности здания содержит корпус (6), выполненный с возможностью крепления к фасаду (7) здания, внутри которого размещена плата с микроконтроллером (8), аккумуляторная батарея (9), беспроводной модуль приема и передачи данных с внешней антенной, цифровой датчик (11) абсолютного давления, модуль (12) памяти. Технический результат: повышение эффективности измерений за счет повышения точности и полноты полученных данных, а также за счет простоты измерений и сбора полученных данных. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание, включающая по меньшей мере одно устройство для регистрации давления воздуха на поверхности здания, содержащее корпус, выполненный с возможностью крепления к фасаду здания, внутри которого размещена плата с микроконтроллером, аккумуляторная батарея, связанные с микроконтроллером беспроводной модуль приема и передачи данных с подключенной к нему внешней антенной, цифровой датчик абсолютного давления, модуль памяти для сохранения данных, зарегистрированных цифровым датчиком, по меньшей мере одно устройство для регистрации статического давления на уровне земли, по меньшей мере одно устройство для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, связанные посредством беспроводной связи с блоком управления и сбора данных с возможностью передачи и сохранения зарегистрированных данных.

2. Система натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание по п. 1, отличающаяся тем, что микроконтроллер устройства для регистрации давления воздуха на поверхности здания выполнен с возможностью периодической синхронизации по времени с устройством для регистрации статического давления на уровне земли и устройством для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, посредством беспроводного модуля передачи данных.

3. Система натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание по п. 1, отличающаяся тем, что устройство для регистрации давления воздуха на поверхности здания выполнено с возможностью измерения с заданной периодичностью, при этом микроконтроллер устройства выполнен с возможностью получения команды на начало и окончание измерений от блока управления и сбора данных посредством беспроводного модуля приема и передачи данных.

4. Система натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание по п. 1, отличающаяся тем, что микроконтроллер устройства для регистрации давления воздуха на поверхности здания выполнен с возможностью беспроводной передачи данных на блок управления и сбора данных с частотой, меньшей периодичности записи данных, измеренных устройством для регистрации давления воздуха на поверхности здания, на модуль памяти.

5. Система натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание по п. 1, отличающаяся тем, что блок управления и сбора данных выполнен с возможностью получения и обработки данных от устройства для регистрации давления воздуха на поверхности здания, устройства для регистрации статического давления на уровне земли и устройства для определения направления и скорости ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, и отображения обработанных данных в единых шкалах времени и давления.

6. Способ натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание, при котором на поверхности здания в заданных точках измеряют давление посредством по меньшей мере одного беспроводного устройства для регистрации давления воздуха на поверхности здания, включающего корпус, выполненный с возможностью крепления к фасаду здания, внутри которого размещена плата с микроконтроллером, аккумуляторная батарея, связанные с микроконтроллером беспроводной модуль приема и передачи данных, подключенный к внешней антенне, цифровой датчик абсолютного давления, модуль памяти для сохранения данных, зарегистрированных цифровым датчиком, синхронно измеряют статическое давление на уровне земли и направление и скорость ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, с передачей и сохранением зарегистрированных данных в блок управления и сбора данных.

7. Способ натурных измерений нестационарного ветрового воздействия на здание по п. 6, отличающийся тем, что направление и скорость ветра на уровне, расположенном выше окружающих здание препятствий, в радиусе, равном десяти высот здания, измеряют посредством соответствующего прибора на кровле здания или на борту беспилотного летательного аппарата.