Способ и устройство извлечения информации о напряженно-деформированном состоянии гидротехнических сооружений

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) гидротехнических сооружений, например плотин гидроэлектростанций, а также контроля напряженно-деформированного состояния других сооружений, зданий и конструкций. Предложен способ и устройство извлечения информации о напряженно-деформированном состоянии (НДС) гидротехнических сооружений. Предложенный способ отличает введение операций запоминания формы кривой переходного процесса струнного датчика (СД), выделение путем спектрального анализа мод собственных колебаний струны, далее возбуждение СД на его характерных модах и получение действующей силы НДС из решения уравнения невязки. Устройство для осуществления способа включает струнный датчик, коммутатор, генератор видеоимпульсов, регистратор и схему управления генератором. Регистратор дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, а схема управления дополнительно содержит генератор радиоимпульсов с синтезатором частот. Технический результат: повышение точности измерения силы напряженно-деформированного состояния. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) гидротехнических сооружений, например плотин гидроэлектростанций, а также контроля напряженно-деформированного состояния других сооружений, зданий и конструкций.

Известен способ для измерения деформаций вибрационных элементов, например, струны силоизмерительных струнных датчиков (СД), по которому струну магнитного материала помещают в переменное магнитное поле, возбуждают незатухающие колебания на частоте ее механического резонанса, измеряют эту частоту и по ней судят о величине натяжения струны. Так работают СД, замурованные в тело плотин во время строительства практически всех гидроэлектростанций. Однако по статистическим данным, около 1% в год СД выходит из строя, дают заниженный уровень сигнала, сопоставимый с помехами, и расширенный спектр колебаний (АС №351100, М. кл. G 01 L 1/10, 1972, С.О.Бритвин, O.K.Коновалов. Исследование и анализ показателей надежности технических средств для диагностики сооружений. Гидротехническое строительство, №10. М., - 2000, с.23÷28).

Таким образом, за десятки лет эксплуатации от 30 до 50% СД от их общего числа (2÷3 тыс.) могут оказаться неработоспособными или отнесены к классу стареющих.

В связи со старением СД, появлением на струне ржавчины, усталости металла, нарушением герметичности, электрических утечек в цепи возбуждения измеряемая собственная частота колебаний уже не дает однозначного результата об измеряемой силе НДС. Полезный сигнал в десятки раз ослабевает по амплитуде, а в его спектре появляются дополнительные моды колебаний, отличные от основной частоты.

Для увеличения отношения сигнал/помеха делаются попытки управления генератором возбуждающих импульсов путем обратной связи по форме затухающего переходного сигнала струны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ возбуждения непрерывных колебаний струны путем управления генератором импульсов возбуждения струны по форме спада огибающей затухающих колебаний на выходе усилителя сигнала, реализованный в АС №1154561, М. кл. G 01 L 1/10, 1983.

Наиболее близким устройством является устройство, которое содержит струнный преобразователь с одной катушкой возбуждения, генератор импульсов, коммутатор и регистратор (АС №1154561, М.кл. G 01 L 1/10, 1983).

Подобное устройство позволяет поднять уровень полезного сигнала лишь для исправных СД, дающих одну колебательную моду. Однако для стареющих СД такой способ повышения уровня сигнала не может дать эффекта по причине немонотонно затухающего колебательного процесса струны.

Из-за наличия нескольких колебательных мод огибающая переходного сигнала носит осциллирующий характер, поэтому компаратор схемы управления генератором не может однозначно определить порог срабатывания и тем самым максимизировать уровень полезного сигнала.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности извлечения информации о НДС гидротехнических сооружений со стареющих СД.

Поставленная задача для способа решается тем, что в способе извлечения информации о напряженно-деформированном состоянии гидротехнических сооружений, заключающемся в возбуждении струнных датчиков последовательностью коротких видеоимпульсных сигналов и измерении частоты собственных колебаний струны с помощью приемника, согласно изобретению, путем спектрального анализа выбирают наиболее характерную моду собственных колебаний СД, снова возбуждают СД последовательностью радиоимпульсов не менее чем в 10 раз большей длительности видеоимпульса и несущей на характерной моде СД, перестраивают по этим модам приемник и далее измеряют частоту собственных колебаний, возбужденных последовательностью радиоимпульсов, по которой судят о силе давления НДС.

Для увеличения точности измерений для данного типа СД, путем планового эксперимента, на стенде заранее получают многофакторную математическую модель связи собственных частот колебаний струны (мод) с действующими возмущениями в период старения СД (массой струны, ее длиной, утечками и т.п.), путем статистической обработки результатов определяют коэффициенты регрессии модели, затем полученную модель используют при натурных измерениях НДС путем получения характерных мод собственных колебаний СД, далее через решение уравнений неувязки между математической моделью струны и полученными модами собственных колебаний СД выделяют действующую НДС для каждой из мод и путем усреднения результатов получают оценку эффективного значения действующей силы НДС.

Принципиальным отличием предлагаемого способа является введение операций запоминания формы кривой переходного процесса СД, выделения путем спектрального анализа мод собственных колебаний струны, далее возбуждение СД на его характерных модах и получение действующей силы НДС из решения уравнения невязки.

Вновь введенные признаки разрешают техническое противоречие между необходимой точностью измерений силы НДС и ухудшающимися из-за старения СД параметрами их сигналов.

Поставленная задача для устройства решается тем, что в устройстве для извлечения информации о напряженно-деформированном состоянии гидротехнических сооружений, содержащем струнный преобразователь - струнный датчик (СД) с одной электромагнитной катушкой возбуждения, коммутатор, генератор видеоимпульсов, регистратор и схему управления генератором, согласно изобретению регистратор дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, соединенный с микроЭВМ, реализующей программу цифрового спектрального анализа, а схема управления дополнительно содержит генератор радиоимпульсов с синтезатором частот, подсоединенным к микроЭВМ.

По данным экспериментальных наблюдений стареющие СД при возбуждении короткими видеоимпульсами дают сигналы отклика в десятки раз меньшие по сравнению с нормальными СД, и их сигналы по существу теряются в помехах. Кроме того, расширяется спектр мод собственных колебаний струны.

Для улучшения отношения сигнал/шум настоящее изобретение предлагает возбуждать СД более широкими радиоимпульсами на характерных модах собственных колебаний струны, что существенно увеличивает спектральную плотность мощности возбуждения и, соответственно, поднимает амплитуду сигнала отклика струны.

Поскольку ширина спектра импульса Δf зависит от его длительности τ_u приблизительно как , то увеличение τ_u, например в 10 раз сужает спектр колебаний до в такое же число раз возрастает отношение сигнал/помеха на выходе СД. Дополнительный выигрыш дает настройка приемника на характерную моду СД.

Запишем связь измеряемой частоты колебаний струны f с действующими возмущающими факторами для всех наблюдаемых мод колебаний в виде многофакторной математической модели:

где

α_1i...α_mi - регрессионные коэффициенты линейной связи с действующими факторами х_i;

β_1i...β_mi - регрессионные коэффициенты квадратичной связи с х_i;

γ_1i...γ_mi - регрессионные коэффициенты межфакторной связи х_i и х_j;

х_i, х_j - действующие факторы модели, например масса струны, ее длина, сила натяжения, электрические утечки, искомая сила давления НДС.

Путем планового эксперимента на стенде для данного типа СД определяются все значимые коэффициенты регрессии α_i, β_i, γ_i.

После осуществления натурных измерений на штатном СД, заложенном в бетон, составляется система уравнений невязки следующего вида:

где

х₁, x₂,...x_m - искомая сила давления НДС;

f₁, f₂,...f_m - наблюдаемые моды собственных колебаний СД в спектре его отклика.

Решение системы (2) по искомому фактору, например x₁, т.е. действующей силе давления НДС, находится из системы уравнений для первых производных невязки по искомому фактору x₁:

Эффективная действующая сила НДС определяется как среднеарифметическое

Все измеренные данные персонально для каждого СД сохраняются в памяти базовой электронно-вычислительной машины, на которой производятся все вычисления.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для извлечения информации о напряженно-деформированном состоянии гидротехнических сооружений, реализующего заявленный способ.

На фиг.2 - формы возбуждающих и измеряемых сигналов и их спектров.

Устройство содержит (фиг.1) струнный датчик (струнный преобразователь) 1, соединенный с одной электромагнитной катушкой возбуждения 2, подключенной через коммутатор 3 к выходу генератора видеоимпульсов 4, а выход коммутатора 3 подключен к регистратору, состоящему из аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 5, подсоединенного к сигнальному входу микроЭВМ 6, выход микроЭВМ 6 - к схеме управления 7, подключенной к синтезатору частот 8, выход которого подсоединен к генератору радиоимпульсов 9, а выход генератора радиоимпульсов 9 соединен через коммутатор 3 с катушкой возбуждения 2.

Устройство работает следующим образом (фиг.2): по команде микроЭВМ 6 коммутатор 3 подключает генератор видеоимпульсов (ГВИ) 4 к катушке возбуждения 2, магнитным полем которой возбуждается струнный преобразователь 1, создающий в катушке 2 затухающий переходной процесс на частотах (модах) собственных колебаний струны (фиг.2а). После окончания видеоимпульса возбуждения длительностью τ_u1, коммутатор 3 подключает катушку 2, с выхода которой сигнал поступает на АЦП 5 и далее на микроЭВМ 6. МикроЭВМ 6 производит быстрый Фурье-анализ сигнала, выделяет и запоминает наиболее характерные моды колебаний струны (фиг.2б).

Далее сигнал управления с микроЭВМ 6 поступает на синтезатор частот 8, который генерирует непрерывный гармонический или импульсный сигнал с несущей частотой выбранной моды и синхронизирует на этой частоте генератор радиоимпульсов 9, формирующий на частоте выбранной моды радиоимпульс длительностью τ_u2, не менее чем в 10 раз превышающей длительность видеоимпульса возбуждения τ_u1, задаваемого ГВИ 4 и амплитудой в несколько раз меньше (фиг.2в). Частота повторения радиоимпульсов определяется микроЭВМ 6. С целью снижения влияния помех микроЭВМ, реализующая цифровой фильтр, перестраивается на частоту выбранной колебательной моды.

Аналогично случаю возбуждения видеоимпульсом микроЭВМ производит Фурье-анализ всех откликов для всех возбуждаемых мод, а результат запоминается в памяти ЭВМ (фиг.2г).

Предложенный режим возбуждения, в отличие от прототипа, обеспечивает повышение спектральной плотности мощности возбуждающего сигнала на частотах выбранной моды. Поскольку стареющие струнные датчики плохо возбуждаются видеоимпульсом и дают в десятки и сотни раз меньший уровень сигнала, чем исправные СД, то описанный режим избирательного возбуждения позволяет поднять отношение сигнал/шум и тем самым обеспечить более точное измерение периода собственных колебаний струны.

Далее программным путем решается система уравнений невязки (3) и определяется эффективная действующая сила НДС. При этом используется многофакторная математическая модель СД вида (1), заложенная в память микроЭВМ 6 по результатам планового эксперимента над данным типом СД.

Поскольку программа измерений работает автоматически, то предложенный способ извлечения информации о действующей силе НДС по каждому датчику позволяет постоянно накапливать информацию в памяти ЭВМ, сформировать портреты всех используемых СД и обеспечивает получение более точной информации, в том числе со стареющих СД.

Возбуждение СД радиоимпульсом с несущей, соответствующей выявленной моде колебаний, дает возможность существенно увеличить энергию возбуждения на частоте моды, и, соответственно, поднять отношение сигнал/помеха для стареющих датчиков. Устройство реализовано в виде изделия "Струна-4М", прошедшего в апреле 2003 г. натурные испытания на Саяно-Шушенской ГЭС и подтвердившее работоспособность заложенного данной заявкой способа измерений параметров стареющих СД. При этом реабилитируется до 90% СД, ранее считавшихся непригодными к работе из-за старения.

1. Способ извлечения информации о напряженно-деформированном состоянии (НДС) гидротехнических сооружений, заключающийся в возбуждении струнных датчиков (СД) последовательностью коротких видеоимпульсных сигналов и измерении частоты собственных колебаний струны, отличающийся тем, что путем спектрального анализа выбирают наиболее характерную моду собственных колебаний СД и возбуждают снова СД последовательностью радиоимпульсов длительностью, не менее чем в 10 раз большей длительности видеоимпульса и несущей на характерной моде СД, перестраивают по этим модам приемник и далее измеряют частоту собственных колебаний, возбужденных последовательностью радиоимпульсов, по которой судят о силе давления НДС.

2. Устройство для извлечения информации о напряженно-деформированном состоянии гидротехнических сооружений, содержащее струнный датчик (СД), соединенный с одной электромагнитной катушкой возбуждения, подключенной через коммутатор к выходу генератора видеоимпульсов, а выход коммутатора подключен к регистратору, отличающееся тем, что регистратор дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, подсоединенный к сигнальному входу микроЭВМ, реализующей программу цифрового спектрального анализа, выход микроЭВМ подключен к схеме управления, подключенной к синтезатору частот, выход которого подсоединен к генератору радиоимпульсов, а выход генератора радиоимпульсов соединен через коммутатор с катушкой возбуждения.