автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Исследование и разработка информационно-измерительной системы для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций

003449332

На правах руишиси

КРАЯЧИЧ Александр Валерьевич

Исследование и разработка информационно-измерительной системы для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций

Специальность 05 11 16-Информационно-измерительные и управляющие системы (технические науки) (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 Р ОКТ 2008

Москва -2008г

003449332

Работа выполнена в ФГУП ВЭИ «ВСЕРОССИЙСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени В И Ленина»

Научный руководитель доктор технических наук,

доцент

Подборонов Борис Петрович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор

Малиновский Виталий Николаевич

кандидат технических наук, доцент

Бельфор Георгий Ефимович

Ведущая организация ОАО «РСК «МИГ»

ИЦ «ОКБ им А И Микояна»

Защита состоится « 27 » октября 2008 года на заседании диссертационного совета Д 212 200 09 при Российском государственном университете нефти и газа имени И М Губкина, 119991, г Москва Ленинский проспект 65, аудитория 260

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И М.Губкина

Автореферат разослан » сентября 2008 года

Ученый секретарь

диссертационного совета, к т н

Великанов Д Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы С развитием информационных технологий и совершенствованием измерительной техники, появилась возможность создания систем непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций с целью обеспечения их безопасной эксплуатации К таким сложным механическим конструкциям можно отнести самолеты, продуктопроводы и резервуары в нефтегазовой и химической отраслях, трубопроводную обвязку атомных реакторов и газоперекачивающих станций, плотины, мостовые и современные строительные сооружения и многие другие

Наиболее известны следующие системы мониторинга сложных механических и строительных конструкций система мониторинга моста «Коммодор Джон Барри» (США), системы мониторинга мостов в Японии -мост «Акэси Кэйкаё», в Европе - мост «Синегаль» (Швейцария), в Южной Корее - мосты «Джиндо», «Хэмхэ», «Бангва», «Яньджань», в России - мост через р Мацеста близ г Сочи, мост «Краснолужский» через Москва-реку Большая работа по мониторингу строительных сооружений проводится в ЦНИИСК им В А Кучеренко В этой организации выполнены работы по научно-техническому сопровождению проектирования, строительства и реконструкции ряда уникальных сооружений в г Москве, таких как- Храм Христа Спасителя, памятник Петру Первому, большая спортивная арена «Лужники», здание Старого Гостиничного Двора, телебашня «Останкино», крытый конькобежный центр в Крылатском и др. В этих сооружениях используются системы инструментального мониторинга состояния прочности сооружения Ряд систем мониторинга разработан для объектов газовой промышленности В частности, в ЦАГИ разработаны две системы мониторинга прочности газотрубной обвязки для газоперекачивающих станций в г Тольятти и п Кунгур

Применение таких систем мониторинга актуально в авиации для систем измерения массы и центровки самолета (СИМЦ) Исследования по разработке и внедрению СИМЦ проводятся в ЦАГИ в рамках Программы Российского авиационно-космического агентства «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002- 2010 гг и на период до 2015г», раздел 4 - «Бортовое оборудование», пункт 14

Непрерывный мониторинг состояния (НМС) прочности позволяет в течение длительного времени получать информацию о напряженно-деформированном состоянии (НДС), о нагрузках, различных воздействиях и других показателях эксплуатации конструкции и принимать эффективные решения по управлению режимом эксплуатации

Традиционно оценка технического состояния сложной механической конструкции осуществлялась на основе осмотров, обследований (осмотров сооружения, сопровождаемых инструментальными измерениями) или испытаний

Осмотры сложных конструкций являются трудоемкими процессами из-за большого объема обследования и сложности доступа к контролируемым узлам конструкции. В результате осмотров могут быть

выявлены лишь те дефекты, которые очевидно нарушают внешние конструктивные параметры конструкции (трещины, недопустимые деформации и тп) При этом причины появления указанных дефектов не всегда могут быть точно установлены, что затрудняет принятие решений по их конструктивному устранению и предупреждению

Применение НМС позволяет фиксировать условия работы и реакцию конструкции непрерывно на внешние воздействия, поэтому внештатные или пиковые воздействия, такие как землетрясения, ураганные порывы ветра и т п вместе с соответствующими изменениями в условиях работы конструкции будут зарегистрированы

Важное преимущество НМС сложной механической конструкции это накопление экспериментальных данных о нагрузках и воздействиях, об условиях работы конструкции, которые могут быть эффективно использованы для повышения надежности и сроков безопасной эксплуатации других сооружений, в том числе при разработке нормативных документов и проектировании

Основные задачи при создании системы НМС прочности связаны с разработкой достаточно совершенной измерительной системы, с применением которой персонал получает надежную информацию о состоянии конструкции в реальном масштабе времени К этим задачам относятся

- выбор типа и количества регистрируемых параметров и аппаратных средств для сбора данных,

- разработка алгоритмов преобразования регистрируемых данных к виду, пригодному для контроля,

- сохранение данных и предоставление их по запросу,

- выбор средств и форм предоставления данных для пользователя (разработка интерфейса «Измерительная система-пользователь») Выявление состояния прочности и условий работы конструкций и

сооружений, при действии переменных нагрузок (в ограниченном диапазоне частот) должно выполнятся системой мониторинга в реальном масштабе времени с применением методов спектрального анализа и подсчета усталостного повреждения конструкции

Особо важным фактором надежности при длительной эксплуатации систем НМС прочности является наличие в ней встроенной подсистемы диагностики работоспособности и упрощенной оценки метрологических характеристик измерительных трактов Периодическое детальное определение метрологических параметров системы НМС должно проводится без демонтажа системы с объекта, что требует создания автоматизированных калибруемых мер, дистанционно управляемых по каналам беспроводной связи

Учитывая вышеперечисленное, можно отметить, что в настоящее время существует проблема создания информационно-измерительных систем (ИИС) непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций с целью обеспечения их безопасной эксплуатации

В представленной работе, в отличие от ряда выполненных работ по данной тематике, последовательно рассматриваются этапы исследований и разработки аппаратно-программных средств для создания информационно-измерительной системы и автоматизированной калибруемой меры (АКМ), обеспечивающей ее метрологические испытания Решение каждого этапа потребовало значительных интеллектуальных и материальных затрат при проектировании, создании и внедрении ИИС

Цель работы - разработка малогабаритной информационно-измерительной системы для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций Достижение цели включает разработку оригинальных способов реализации измерительных средств, сбора, преобразования и обработки измерительной информации, системного и прикладного программного обеспечения, разработку полностью автоматизированного процесса анализа основных метрологических характеристик ИИС, обеспечивающих единство измерений и сопоставимость результатов испытаний

Методы исследований Результаты разработок, изложенные в диссертации, базируются на системном подходе и получены путем теоретических и экспериментальных исследований В работе использованы методы функционального, спектрального, корреляционного анализа, линейной алгебры, и современные методы измерительной и вычислительной техники

Научная новнзна Сформулирована, обоснована и решена научно-техническая проблема создания малогабаритных ИИС для обеспечения непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций, имеющая важное народно-хозяйственное значение, связанная с созданием основ и практической реализацией специализированных средств измерения Предложен подход к решению этой проблемы, базирующийся на разработанных автором методах и алгоритмах построения средств измерения и информационного обеспечения, позволяющих автоматизировать процесс получения достоверной информации с многочисленной гаммы датчиков активного и пассивного типов, территориально рассредоточенных и расположенных в критических зонах объекта испытания

Этот подход потребовал создания новых аппаратно-программных средств введения встроенного аварийно-профилактического контроля, предварительной калибровки и последующей коррекции результатов измерения в процессе эксплуатации, построения и разработки алгоритмов работы многофункциональной структуры измерительной части ИИС Предложены:

- вариант построения и алгоритмы управления взвешенной измерительной частью переменной структуры ИИС,

- метод калибровки ИИС для функционирования в широком температурном диапазоне эксплуатации (-40- +60) °С и алгоритмы коррекции результатов измерения в этих условиях эксплуатации,

- метод построения автоматической калиброванной меры (АКМ) и алгоритмы полной автоматизации процесса метрологической аттестации многофункциональной многоканальной ИИС,

- алгоритмы и программное обеспечение для мониторинга состояния прочности объекта контроля

Практическая ценность и реализация результатов работы

Полученные результаты позволяют обоснованно разрабатывать ИИС для измерений разнообразных величин при проведении испытаний на прочность и определения расхода ресурса сложных механических конструкций, выполнять непрерывный мониторинг состояния прочности при эксплуатации, а также автоматически оценивать основные метрологические характеристики системы

Предложенные методы по реализации ИИС легли в основу создания ряда систем «ТЕНЗОР» используемых для системы измерения массы и центровки самолетов (СИМЦ) и непрерывного мониторинга прочности конструкции пешеходного моста из композитных материалов

На защиту выносятся предложенные методы построения, алгоритмы функционирования и программное обеспечение для разработанной малогабаритной информационно-измерительной системы

Апробация работы Доклад на научно-техническом семинаре (НТС) НИЦ «Комплекс» в ноябре 2007г во «Всероссийском электротехническом институте имени В И Ленина» Доклад в марте 2008г на НТС НИО-16 в «Центральном аэрогидродинамическом институте имени профессора Н Е Жуковского» Доклад на межкафедральном семинаре в июне 2008г в «Российском государственном университете нефти и газа имени И М Губкина»

Публикации По материалам диссертации опубликовано четыре статьи в журналах «Датчики и системы» [1 - 4] за 2006г Поданы 4 заявки на изобретения, к настоящему моменту получено 3 положительных решения

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений и содержит основной текст (161 страниц), в том числе иллюстрации к работе (22 таблицы, 84 рисунка), перечень литературы (49 наименований)

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе рассматриваются методические вопросы и структура построения информационно-измерительной системы для непрерывного мониторинга состояния (НМС) прочности сложных механических конструкций Проводится анализ требований к системе НМС прочности конструкций, определение необходимых типов первичных преобразователей Так же приводится основные характеристики ИИС и требования к составу сервисного и специального программного обеспечения

В настоящее время развитие измерительной техники и информационных технологий позволяет создать систему непрерывного мониторинга состояния прочности как строящихся, так и уже эксплуатируемых конструкций

Главными вопросами, которые решаются при выборе системы, с технической точки зрения, это а) исследуемые нагрузки, б) способ мониторинга, в) тип(ы) используемых датчиков, г) источник электропитания

Основными требованиями на начальном этапе создания систем мониторинга являются нахождение критических в прочностном отношении мест обследуемой конструкции и определение внешних факторов, оказывающих на конструкцию главные силовые воздействия После выбора мест контроля прочностного состояния конструкции определяются типы используемых первичных преобразователей (датчиков), фиксирующих реакцию конструкции на внешние воздействия К ним относятся одиночные тензорезисторы, розетки из 2-х, 3-х и 4-х тензорезисторов, термометры сопротивления, датчики давления, перемещения и других типов имеющие потенциальный или токовый выходные сигналы

Источник электропитания измерительной системы должен иметь возможность подключения к электросети и иметь возможность обеспечивать автономное питание от встроенного аккумулятора При этом необходимо учитывать накладываемые ограничения по потребляемой мощности и обеспечить контроль функционирования встроенных аккумуляторов

Современные системы мониторинга предполагают использование разветвленной системы большого количества датчиков (до нескольких сотен штук), расположенных на значительном расстоянии (более 100м) от средств сбора и обработки данных, что при использовании проводных линий связи является источником появления помех на длинных линиях Дальнейшее увеличение расстояний приводит к существенному удорожанию систем, так как требует использования сложной аппаратуры, способной подавлять помехи на длинных линиях При современном развитии электронной техники наиболее оптимальным выходом из этого положения является применение систем с беспроводной связью

Использование ИИС для определения сопротивления усталости до возникновения макротрещины и момента возникновения повреждения накладывает ряд требований на его характеристики и взаимодействие с вычислительной системой

- Регистрация показаний отдельных датчиков розетки или датчиков, используемых для определения силовых факторов (давления, изгибающего и крутящего момента, осевой и перерезывающей силы), должно производиться в один и тот же момент времени Приближенно максимальный интервал времени <57 между последовательными регистрациями можно определить исходя из относительной точности определения напряжений За, задаваемой заказчиком, по следующей формуле

5<т = псга 31)1а1

где п - число используемых датчиков, 7г - константа, равная 3,14, сга - амплитуда динамических напряжений, f- частота динамических напряжений, а, - величина измеряемых напряжений

- Для проведения гармонического анализа и сбора данных для определения экстремумов, необходимых для определения усталостной

повреждаемости и построения таблицы полных циклов, необходима организация регистрации через равномерные интервалы времени от аппаратного таймера С точки зрения анализируемых сигналов диапазон частот импульсов, выдаваемых таймером, должен лежать в диапазоне от 20 кГц до 0,3 Гц, что позволит анализировать сигналы до 10 кГц

Предлагается вариант реализации информационно-измерительной системы, которая в процессе эксплуатации периодически производит функциональную калибровку измерительного тракта и автоматически вносит поправки в получаемые результаты измерения на каждом этапе эксплуатации Измерительно-вычислительный модуль (ИВМ) является основным (базовым) устройством ИИС, обеспечивающим сбор и измерение показаний датчиков В качестве внешней ПЭВМ используется стационарная типа PC AT или портативная типа «NOTEBOOK» Структурная схема ИИС представлена на рисунке 1

Рисунок 1 - Структурная схема ИИС

Алгоритм работы ИИС заключается в следующем В процессе измерения датчики (Д) через выносные коммутаторы (КВ) и мультиплексор

входных каналов (МКВ) питаются током от взвешенного (на момент измерения), программируемого источника тока (ПИТ) Узел коммутации измерительной части (УКИ) обеспечивает переключение аналоговых цепей в зависимости о г типа обслуживаемых датчиков В момент измерения потенциальные выводы датчиков подключаются к инструментальным усилителям (УИУ), на второй вход которых поступает напряжение с узла номинальных напряжений (УНН), компенсирующее номинальные значения сигналов с выходов датчиков УИУ формирует нормализованное напряжение, которое поступает на вход 14-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), через программируемый фильтр (ПФ) и узел выборки и хранения (УВХ) Постоянная времени ПФ устанавливается в зависимости от времени преобразования, заданного пользователем УВХ обеспечивает одновременную регистрацию сигналов преобразования и вычитание сигналов, формируемых при положительном и отрицательном тактах преобразования, с целью уменьшения влияния смещения и дрейфа операционных усилителей ИВМ Цифровой код с него поступает в микроконтроллер (МК) ИВМ, который обеспечивает регистрацию, частичную обработку, беспроводную передачу (через адаптер беспроводной связи - АБС) во внешний компьютер и т д

Узел контрольных датчиков (УКД) служит для получения контрольных измерений при калибровке и коррекции в процессе эксплуатации ИИС УКД содержит набор образцовых резисторов и прецизионный стабилизатор напряжения, оттарированные в диапазоне рабочих температур эксплуатации ИИС

Узел управления (УУ) обеспечивает управление и синхронизацию работы узлов измерительной части ИВМ Узел питания (УП) вырабатывает соответствующее стабилизированное напряжение питания ИВМ и формирует режимы питания ИВМ в активном режиме и режиме микропотребления

Обслуживаемые датчики - это многокомпонентные измерительные преобразователи (МИП) Типы обслуживаемых МИП и их краткие характеристики приведены в таблице 1

Специальное программное обеспечение (ПО) ИИС должно выполнять следующие функции сбор и первичную обработку информации, необходимой для определения статической прочности, ресурса элементов конструкций, дефектоскопии и других задач, обработку первичной информации по различным методикам обеспечения статической прочности, живучести, ресурса элементов конструкций и других задач, реализацию комплекса программ для диагностики и метрологических испытаний системы

Сервисное программное обеспечение ИИС должно обеспечивать полный комплекс средств разработки ПО ИВМ, его записи в микроконтроллер и отладки, а так же средства для получения информации от ИИС и ее обработки Сервисное ПО должно включать в себя отладочный программный комплекс для разработки программ для микроконтроллера, комплекс программ для записи и чтение программ в памяти микроконтроллера, программный комплекс для настройки беспроводного

модуля обеспечения сопряжения микроконтроллера с персональной ЭВМ, среда программирования и отладки для разработки ПО персональной ЭВМ

Таблица 1 - Типы датчиков МИП, обслуживаемых ИИС

Тип МИП Измеряемый информативный параметр Краткая характеристика Примечание

Одиночные тензорезисторы ЛК=К-К„ R„=100,120, 200,400, 800 0м

Тензорезисторы полумостовые индивидуальные

Тензорезисторы полумостовые с общим компенсационным тензорезистором

Тензорезисторные полные мосты ли R„=100,120, 200, 400, 800 Ом, ±0,016 V, ±0,64 V

3-х, 4-х компонентаая тензорезисторная розетка ЛКо+оо, ля*., ДЯ41, . 1 ^ R„=100,120,200, Ом

Термопреобразовател и сопротивления Яте ЯТС£П, 100,1000 0м

Термоэлектрические преобразователи и ±0,016 V, ±0,064 V Датчики напряжения

Датчики унифицированного сигнала напряжения ±0,016 V, ±0,064 V ±0,1 V,±1,0 V, ±10,0 V

Датчики тока I | ±0,016 А, ±0,1 А

Ян - номинальное значение сопротивтения тензорезистора,

Я - значение сопротивления рабочего -тензорезистора,

Р.* - значение сопротивления компенсационного тензорезистора

ARo+AR.»=(R<.+R*>b2 R» Д Rijo=R90—R н

R<), Яуо, Яш - значение сопротивлений тегаорезисторов розетки соответственно ТР0, ТР^ ТР*о ТР^

Чгс ~значение сопротивления термо преобразователя сопротивления, А1) - выходное напряжение мостового датчика II - выходное напряжение датчика напряжения I - выходной ток датчика тока

Пример разработанной информационно-измерительной системы «ТЕНЗОР» показан на рисунке 2

Рисунок 2 - ИИС «ТЕНЗОР».

Во второй главе предложена методика и средства для получения метрологических характеристик измерительных (МХ) каналов ИИС, разработка автоматизированной калиброванной меры (АКМ), имитирующей первичные преобразователи. Предложен алгоритм автоматизированного получения метрологических характеристик ИИС на основе АКМ, Описываются разработанные алгоритмы и особенности программ для автоматизированного снятия метрологических характеристик ИИС.

На основе алгоритмов предложенной методики было разработано программное обеспечение для существующих образцовых мер и автоматической калиброванной меры. Установлены метрологические характеристики (ГОСТ 8.009-84; ГОСТ 8.326-89 и ГОСТ 8.401-80) необходимые для определения и оценки результатов измерений при метрологическом контроле и в процессе эксплуатации ИИС.

Метрологические характеристики делятся на индивидуальные и типовые. Индивидуальные характеризуют свойства конкретного измерительного канала ИИС. Типовые характеризуют свойства группы однотипных измерительных каналов ИИС.

Индивидуальные МХ измерительного канала: - индивидуальная функция преобразования измерительного канала -

- систематическая составляющая погрешности - 4;

- среднее квадратическое отклонений случайной составляющей

- вариация выходного сигнала измерительного канала - Н;

- допускаемая погрешность измерительного канала - 4.

Типовые метрологические характеристики группы однотипных измерительных каналов:

погрешности а

11

- номинальная функция преобразования - Ги(х);

- математическое ожидание систематической составляющей погрешности - м[4],

- среднее квадратическое отклонение систематической составляющей погрешности - >т[а],

- среднее арифметическое значение среднего квадратического

<-о|А ,

отклонения случайной составляющей погрешности -

- среднее квадратическое отклонение случайной составляющей - о

- предел допускаемого среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности - ат

- среднее арифметическое значение вариации выходного сигнала - Н,

- среднее квадратическое отклонение вариации выходного сигнала -с[н]

- предел допускаемой вариации выходного сигнала - Нр

- предел допускаемой погрешности группы однотипных измерительных каналов - 4

Предложенная методика подразумевает подачу на вход ИИС сигнала с необходимой точностью, измерение этого сигнала, регистрацию выходного сигнала и обработку по определенному алгоритму значений входного и выходного сигналов Входной сигнал может задаваться от образцового средства измерений или контролироваться образцовым средством измерений Измерение входного сигнала следует производить в 5 - 11 сечениях диапазона измерений, включая сечения, соответствующие нулевому и конечному (конечным) значениям диапазона измерений Количество каналов, необходимое для определения типовых метрологических характеристик, должно составлять (10- 20) % от общего числа однотипных каналов, но не менее пяти каналов Затем приводится полный алгоритм обработки экспериментальных данных, включающий в себя определение индивидуальных и типовых метрологических характеристик ИИС Структурная схема алгоритма программы метрологических испытаний приведена на рисунке 3

Так как проведение метрологических испытаний информационно-измерительных систем является задачей, постоянно присутствующей в практической работе при эксплуатации ИИС, то возникает необходимость в создании удобных программно-инструментальных средств, обеспечивающих быстрое решение этой задачи и интерпретацию получаемых результатов

Разработка многофункционального автоматического калибратора мер, формирующего в автоматическом режиме соответствующие образцовые значения сопротивлений резисторов и напряжений, предназначена для получения метрологических характеристик и диагностики

многофункциональной проблемно-ориентированной информационно-измерительной системы

Начало

Рисунок 3 - Структурная схема алгоритма программы метротогических испытаний

Необходимость выполнения этой разработки определяется требованиями полного исключения влияния субъективного фактора от действий оператора на этапе метрологических испытаний ИИС (в частности, подключение и изменение пределов образцовых средств, исключение временного фактора и т д)

Ориентировочная оценка времени проведения метрологических испытаний многофункциональной многоканальной ИИС с помощью программно-инструментальных средств показала, что применение АКМ позволит в десятки раз сократить этот этап

Учитывая уникальность разработки, а также большое число (>50) измерительных программ в рассматриваемой ИИС, имеющий широкий температурный диапазон эксплуатации (-40°С - +60) "С, с целью обеспечения точности измерений ИИС, предусмотрена ее калибровка с помощью внутренних контрольных каналов

Калибровка выполняется с целью определения значений внутренних контрольных датчиков ИИС в диапазоне рабочих температур эксплуатации Температурный диапазон разбивается на соответствующее число точек, для которых выполняются операции калибровки Значения контрольных датчиков соответствующие типам датчиков сохраняются в памяти ИИС и используются в дальнейшем для коррекции результатов измерений ИИС в процессе эксплуатации Калибровка выполняется в автоматическом режиме также с помощью АКМ

На основе анализа схемотехнических решений и режимов работы измерительной части многофункциональной многоканальной проблемно-ориентированной информационно-измерительной системы выбрана структура, и состав реализуемых функций автоматического калибратора мер В данной разработке АКМ предусмотрена установка 11 калибровочных значений в диапазонах формируемых шкал согласно выше представленной методики обработки данных Основная расчетная погрешность АКМ составляет 0,05 % при температуре окружающей среды 20±2°С Время установления калибровочных значений не более 20 мкс АКМ может обеспечить контроль метрологических характеристик одновременно для нескольких измерительных каналов ИИС, в зависимости от построения устройства сопряжения, в частности, которое разработано и апробировано для подключения 32 полнофункциональных измерительных каналов На рисунке 4 представлена структурная схема АКМ иК1 (узел 1 номинальных резисторов) - служит для формирования набора резисторов соответствующего номинального значения для основных схем тензорезисторных МИП (одиночные, полумостовые и мостовые тензорезисторы)

1Ж2 (узел 1 диапазонных резисторов) - обеспечивает формирование набора резисторов для соответствующего диапазона измерения тензорезисторных МИП

Цифровые входы управления (Вход)

f NT-DO NT-DI NT-D2 NT-D3 NT-D4 NP-DO NP-Dl NP-D2 N1 DI

NKT-DO NKT-Dl NKT-D2

NKT-D3

Рисунок 4 - структурная схема АКМ

UR3 (узел 2 номинальных резисторов) - служит для формирования дополнительного набора резисторов при обслуживании МИП типа ЗТР, ЗТР+ТС, 4ТР, 4ТР+ТС

UR4 (узел 2 диапазонных резисторов) - обеспечивает формирование набора резисторов для соответствующего диапазона измерения термопреобразователей сопротивления

UR5 (узел 3 номинальных резисторов) - служит для формирования набора резисторов соответствующего номинального значения дополнительно к набору резисторов, формируемых для МИП типа 1ТР Используется при обслуживании МИП типа 2ТР 1 (одиночные тензорезисторы с общим компенсационным тензорезистором)

UN (узел напряжений) - служит для формирования образцовых напряжений для соответствующего диапазона измерения генераторных датчиков напряжения

UU (узел управления) - обеспечивает управление всеми узлами АКМ Выполнен в виде дешифратора кодов управления от ИИС в позиционные коды управления

Коды NT-DO NT-D4 определяют тип МИП С помощью кода NT в АКМ формируется схема, являющаяся аналогом рабочего датчика из списка датчиков, обслуживаемых ИИС В зависимости от типа МИП в UR1, UR3, UR5 формируется набор резисторов соответствующего номинального значения Выбор набора резисторов по необходимому номинальному значению определяется кодом NP

Коды NP-DO NP-D2 определяют номер параметра С помощью кодов N1 и DI для тензорезисторных МИП в UR2 выбирается набор резисторов для соответствующего диапазона измерения

(±1 Ом, ±2 Ом, ±4 Ом).

Коды NKT-D0 ... NKT-D3 определяют номер контрольной точки. С помощью кода NKT в UR2, UR4, UN задается соответствующая точка выходной характеристики преобразования АКМ.

Совокупность кодов управления NT, NP, N1, Dl образует программу измерения (ПИ), записываемую в регистр данных ИИС 2-мя байтами. С помощью ПИ и NKT на выходе АКМ формируется характеристика преобразования, соответствующая данному типу МИП, его параметру (Я//) и диапазону измерения.

Реализация АКМ для ИИС «ТЕНЗОР» представлен на рисунке 5. Определение характеристик погрешности АКМ выполняются путем измерения значений калибровочных параметров АКМ.

Автоматизированное получение метрологических характеристик ИИС осуществляется с помощью специального программного комплекса Metrologie (рис. 6), осуществляющего чтение, расшифровку, сохранение, печать и другую обработку данных с целью получения канальных метрологических характеристик ИИС.

Метрологические испытания выполняются с целью определения изменений выходных характеристик ИИС в диапазоне рабочих температур эксплуатации. Температурный диапазон разбивается в соответствии с приведенной выше методикой на 11 точек, для которых выполняются операции определения метрологических характеристик. Значения контрольных датчиков при прямом и обратном ходе для всех каналов ИИС записываются в файл и используются в дальнейшем для коррекции результатов измерений в процессе эксплуатации. Метрологические испытания могут выполняться в автоматическом режиме с помощью автоматического калибратора мер.

Рисунок 5 - АКМ для ИИС «ТЕНЗОР»

I '¿I JJWWHjlM IMHII'I * «¡ВУ '

sfwnsow 57ia:i3goo

. »tJ.Ь'ла" tbi-.'swoc

¡Ce»«7 ]*75S-«M 35i76Wiai

ЛЛ 55Ш1 7432 «MM

Nj ЛШ5 Ш7 17ЧЭД

Ä3 775mD ,11 iMWi

Krw 7 859 ?JWX! 851MW70

;xucsmu -Hi^'.-rjj

>™< 11 VB >?•!> '.'H МЛЮП

6510C 987ШЫ

Рисунок 6 - Программа Metrologie

В третьей главе описываются разработанные алгоритмы калибровки каналов ИИС и коррекции результатов измерений ИИС.

Для обеспечения заданных метрологических характеристик ИИС при эксплуатации при температурах (-40-^+60) °С в системе предусмотрено выполнение ряда процедур: контрольные измерения, калибровка и коррекция результатов измерения.

Процесс калибровки осуществляется однократно или периодически производителем ИИС, а экспериментально-расчётные результаты поверки фиксируются в энергонезависимой памяти микроконтроллера ИВМ для использования при проведении автоматической коррекции результатов измерения в заданном температурном диапазоне эксплуатации ИИС.

Для этого в ИВМ предусматриваются контрольные измерения (КИ) 3-х видов:

- КИ1 - измерение напряжений (Е+, Е.) с целью контроля допустимого падения напряжения питания автономных источников;

- КИ2 -определение температурь! в месте расположения контрольных датчиков ИВМ;

- КИЗ - определение контрольных значений измерительных программ ИИС.

КИ1 и КИ2 выполняются на минимальной частоте преобразования (800мкс), КИЗ- на частоте преобразования рабочих МИП. КИ2 используются для определения температуры (/) ИВМ и выполняются по ниже приведенным выражениям;

= --(3.1)

ct., -R,„

N -К » |к 17,2-10,04

ге.^'"" ,--(3 2)

3,94 -Ю*' -10,04 4

где Як - значение сопротивления контрольного резистора,

Я10 - значение сопротивления термометра сопротивления (ТС) I = 0 С,

а0 - температурный коэффициент ТС

Для параметров Як и ТС, используемых в ИВМ, /?, =17,25 Од» (данное значение обеспечивается параллельным включением 4-х резисторов Я =69Ом, точность резисторов Я -0,01%, Л<0 =10,040.«, а0 =3,94-10~3 у )

КИЗ используются для определения коэффициентов преобразования (А, В) метрологических характеристик ИИС КИЗ выполняются только для выбранных типов рабочих датчиков с целью сокращения общего времени проведения КИ и объема формируемых данных

Калибровка ИИС выполняется с целью определения значений контрольных датчиков ИВМ в диапазоне рабочих температур эксплуатации системы При проведении калибровки учтены характеристики прецизионных резисторов, используемых в ИВМ в качестве контрольных датчиков, в соответствии с которыми температурный диапазон для ТКС резисторов разбивается на 2 диапазона 1£ +20* С, I £ +20* С В каждом из температурных диапазонов обеспечивается линейность изменения сопротивления контрольных резисторов с изменением температуры

При проведении калибровки измерительно-вычислительный модуль ИИС помещается в камеру тепла (холода) Калибровка осуществляется для 3-х температурных точек -10 °С, +20 °С, +40 °С и выполняется в зависимости от типа датчиков по приведенным схемам

Учитывая большое число измерительных программ, в ИИС калибровка выполняется в автоматическом режиме с помощью специально разработанного автоматического калибратора мер В АКМ использованы точные резисторы (типа Р2-67, С2-29С) класса (0,02-0,05)% Так как паспортная точность резисторов гарантируема в узких пределах относительно нормальной температуры (20 °С), поэтому при калибровке ИИС должны быть обеспечены соответствующие температурные условия эксплуатации АКМ (к20±2) °С

Далее на примере рассмотрен алгоритм калибровки ИИС в соответствии со структурной схемой (рис 7) и выражения для получения коэффициентов преобразования и калибровочных значений На основе метрологических испытаний, при выводе расчетных выражений предполагается линейная в диапазоне измерения функция преобразования измерительных трактов ИИС

Л'=Ах+В,

где А - угол наклона характеристики, В - начальное смещение Чтобы исключить температурную погрешность АКМ и повысить удобство его использования независимо от температурных условий, после

калибровки ИИС может быть выполнена калибровка АКМ При этом АКМ помещают в камеру тепла (холода), а его показания измеряют с помощью откалиброванной ИИС Температуру внутри АКМ измеряют с помощью ИИС по показанию датчика температуры АКМ Результаты измерений записываются в специальный файл, который является градуировочной характеристикой используемой АКМ

/" ...... ........ N /" -"Ч S N

Нагрев или Определение Формирование отсчетов Вычисление калибровочных

охлаждение ИВМ внутренней и определение коэффициентов и

до заданной темпера-п/ры ИВМ контрольных значении сохранение их в памяти

температуры (КИ2) для всех программ ИВМ

измерении (КИЗ) „

Рисунок 7 - Алгоритм выполнения калибровки ИИС

Режим коррекции используется для обеспечения точности измерений ИИС в диапазоне рабочих температур эксплуатации системы С этой целью перед сбором показаний рабочих датчиков проводятся контрольные измерения

Периодичность выполнения КИ определяется температурными условиями использования ИИС и устанавливается в процессе эксплуатации ИИС

Сбор данных с использованием режима коррекции применяется и в программе мониторинга для работы с ИИС Алгоритм программы включает в себя последовательное выполнение следующих основных операций

- ввод данных,

- контрольные измерения КИ2, используются для определения температуры ИИС и выполняются по методике, приведенной в приложении к работе,

- контрольные измерения КИЗ, используются для определения коэффициентов функции преобразования (А, В) ИИС,

- рабочие измерения РИ (сбор показаний рабочих датчиков),

- коррекция и статистическая обработка результатов измерений Формирование отсчетов при выполнении соответствующих измерений

и расчетные выражения для коррекции результатов измерений приведены в таблицах в приложении к работе

В работе приведен пример коррекции результатов измерений ИИС в соответствии со структурной схемой (рис 8) с использованием полученных выражений для трех типов датчиков «2ТР 2», «ITC» и «ДН»

Основной режим ^ работы ИИС

Определение внутренней температуры ИВМ (КИ2)

Формирование отсчетов

и определение контрольных значений для заданной программы измерении (КИЗ РИ)

Вычисление корректирующих кодов и сохранение в памяти ИВМ

Рисунок 8 - Алгоритм выполнения коррекции измерений ИИС

В четвертой главе описывается разработка алгоритма и особенности применения программ сбора и обработки тензометрической информации, тензометрия и спектральный анализ в мониторинге состояния прочности конструкций и их программная реализация, алгоритмы и программы представления данных мониторинга состояния прочности конструкций, применяемое специальное и сервисное программное обеспечение Так же анализ опыта применения ИИС для мониторинга состояния прочности мостовых конструкций и моделирование с помощью ИИС сил, действующих на макет стойки шасси и определение по однотипным деформациям вертикальных нагрузок (вес)

В соответствии со структурной схемой ИИС (рис 1) программное обеспечение делится на следующие части

- программное обеспечение ИВМ (программа управляющего микроконтроллера), обеспечивающее сбор, передачу и частичную первичную обработку полученной информации,

- программное обеспечение персональной ЭВМ, обеспечивающее прием, хранение и полную первичную обработку полученной от ИВМ информации, а так же реализующее сервисные функции

Общий алгоритм функционирования ИВМ (рис 9) состоит из следующих основных режимов

- режим ожидания команды, основной режим работы ИВМ, он запускается после включения питания, в этом режиме осуществляется управление микроконтроллером и вызов остальных режимов работы,

- режим задания конфигурации, в этом режиме осуществляется задание конфигурации подключенных к ИИС датчиков (МИП) с помощью персонального или портативного (типа «NOTEBOOK») компьютера,

- режим проведения тензометрии, одиночный режим снятия данных тензометрии, в соответствии с заданной на предыдущем этапе конфигурацией подключенных МИП,

- режим проведения спектрального анализа, одиночный режим снятия данных для спектрального анализа, в соответствии с заданной конфигурацией подключенных МИП,

- режим настройки начальных параметров для мониторинга, в этом режиме осуществляется задание рабочих параметров для перехода в режим мониторинга,

Рисунок 9 - Обший алгоритм работы ПО микроконтроллера

- режим мониторинга, обеспечивает непрерывную регистрацию значений с подключенных МИП (в соответствии с заданной конфигурацией), с частичной обработкой полученных данных Далее приведены алгоритмы функционирования аналоговой части ИВМ подготовки к сбору данных, сбора данных, контроль подключения

датчиков, считывание цифровых данных, алгоритмы контрольных, рабочих (рис 10) и метрологических измерений

Тензометрия (рис 11) представляет собой один полный цикл опроса датчиков ИИС, конфигурация которых обуславливается заданным набором МИП В данном случае наибольший интерес представляют тензорезисторы, однако МИП могут быть самых различных типов Для тензорезисторов измерения осуществляются последовательно по уровням нагрузки, количество которых задается оператором Для получения наиболее точных результатов и отброса случайных воздействий, с каждого датчика снимается подряд N измерений, где N<255

к * 1,2 3, 4,5 в мвисимостн от типа МИД_

I • выполняемый цикл опрос*___

а - «данное число циклов опроса___

А - задам« «лр«а МИП_ _

Рисунок 10 - Алгоритм управления аналоговой частью при рабочих измерениях

Спектральный анализ- это один из методов оценки механических воздействий, который позволяет охарактеризовать их частотный состав В нашем случае исходным источником информации являются измерения, полученные с помощью МИП (тензорезисторы) с заданным интервалом времени Зная интервал времени между измерениями каждого канала, с помощью преобразования Фурье, можно получить частотную картину механических воздействий Кроме того, наибольший интерес представляет определение собственной частоты колебания конструкции

Регистрация значений для спектрального анализа (рис 12) представляет собой последовательный опрос тензорезисторов ИИС, конфигурация которых задается в режиме настройки конфигурации

Иннцналипировать [lash память

Прочитать рабоч\ ю конфнг\р<щик>

Прочитать конфигурацию датчиков (кочичсство канатов

Цикл по ко1ичсств\ канатов () =0 пКап)

Задать кочичсство измерений для К И

I

Команда старт и сбое системы команда потучить номер мод\ чя

Т

Команда задать параметры КИ (номер канала тип датчика)

Г

Прочитать данные КИ и выдать

_по ЦАЙ Г лорт>_

Т

Задать количество измерении

для заданного типа датчика -$-

Команда старт и сбос системы команда пот\чить номер мод\ тя

I

Команда задать параметры (номер канал^тип датчика)

Прочитать данные и выдать по UART порп

Рисунок 11 - Ал1 оритм программы микроконтроллера для проведения тензометрии

Рисунок 12 - Алгоритм программы микроконтроллера для сбора данных спектрального анализа

В процессе измерений оператор задает общее количество измерений на каждый датчик или общее время измерений Регистрация значений начинается по команде оператора Снятие измерений производится с

переключением каналов, то есть на каждом канале проводиться по одному измерению, затем происходит переключение на другой канал

Спектральный анализ имеет важное значение в мониторинге сложных механических конструкций, так как он позволяет определить собственную частоту колебаний конструкции, оценить частотный спектр механических воздействий на элементы конструкций, определить их амплитуду (косвенно по напряжениям в материале), и выделить наиболее опасные воздействия для данной конструкции

Алгоритм ПО заложенного в микроконтроллер ИВМ для проведения тензометрии по-блочно согласован с алгоритмом функционирования аналоговой части ИВМ

- команда старт и сброс системы, команда получить номер модуля,

- команда задать параметры (номер канала, тип датчика),

- команда прочитать данные КИ,

- команда прочитать рабочие данные

Основные отличия алгоритма для получения данных для спектрального анализа от алгоритма тензометрии

- на каждом канале проводится только одно измерение,

- измерения регистрируются с переключением каналов,

- отсутствует возможность КИ

Для мониторинга состояния прочности конструкций разработан отдельный алгоритм функционирования ИВМ (рис 13), обеспечивающий непрерывную регистрацию контролируемых параметров с их частичной обработкой Алгоритм был разработан с учетом некоторых особенностей, в связи с практической реализацией ИИС

Основные особенности работы ИИС в режиме мониторинга

- режима мониторинга включается с персонального компьютера, при помощи специального ПО,

- для выхода из режима мониторинга проверяется наличие команды «остановить мониторинг»,

- для прекращения режима мониторинга, установки признаков регистрации измерений «медленных» датчиков (датчиков температуры или позиционных датчиков) и проведения коррекции ИВМ используется внутренний таймер управляющего микроконтроллера,

- измерения «медленных» датчиков (температурных и герконов) проводятся один раз в минуту,

- один раз в час проводится коррекция показаний ИВМ по его внутренней температуре и показаниям контрольных каналов,

- в режиме мониторинга частичная обработка информации представляет собой определение повторяемости максимумов и минимумов деформации в материале для тензодатчиков определение повторяемости максимумов и минимумов температур для датчиков температуры и регистрацию момента срабатывания и номера для позиционных датчиков,

в режиме мониторинга осуществляется регистрации сбоев питания ИИС

Начало

Прочитать уровень срабатывания герконов, уровень шума датчиков температуры и тензорезисторов

Записать в буфер 1 ПаБЬ-памяти конфигурацию датчиков системы Прочитать количество каналов

Конец ^^^

Рисунок 13 - Алгоритм работы м икро контро 1 л ера в режиме мониторинга

Далее приводятся разработанные алгоритмы, программы (рис. 14) и подробное описание их работы: алгоритм работы таймера микроконтроллера, алгоритм опроса тензоризисторов в режиме мониторинга, датчиков температуры и герконов с частичной первичной обработки полученной информации.

Им<цй$тиаш*1 Ш*й*ртв] Темэомприч | Спект(М1**<ьЛаиа'»« Зрен»*«лй1*о«<гориг • ¿»««сшаймйп .

Тел^вдлвиврвьч 11210.2005170543

Зжвтъ к!»«рмт*мимю)» «аал» | Пош'отоеитьрлжм], |

ПадгоОраэа) Оигзть . •

□

Звдстнп, моингаате

*сСОЖю(>т» Отойоп Г^РЛИПЛ^СШ'П^ТЛ: »МП» Ш^псрТЗ" 1, Скдмггв-ПКСО

Рисунок 14 - Закладка «Временной мониторинг»

Для полной обработки полученной ИВМ информации необходимо дополнительное ПО. Оно реализуется на персональной ЭВМ и включает в себя следующие основные части:

- программа создания и хранения конфигураций датчиков ИИС в соответствии с его возможностями;

- основная программа для работы с ИВМ: записи конфигурации и дополнительных параметров датчиков в микроконтроллер, сбора и сохранения полученных данных (в том числе мониторинга), управление режимами ИВМ;

- программы первичной обработки полученной информации.

Затем описывается специальное и сервисное ПО, используемое при разработке практической части:

- средства разработки и отладки ПО для микроконтроллера;

- средства чтения, записи и верификации ПО для микроконтроллера, а так же средства настройки битов конфигурации МК;

- драйвера и программы настройки модуля беспроводной связи;

- среда разработки ПО для персонального компьютера.

Анализ опыта применения ИИС для мониторинга состояния прочности мостовых конструкций показал, что в соответствии с техническим заданием система обеспечивает регистрацию данных в режиме мониторинга и двух вспомогательных режимах тензометрии и спектрального анализа Кроме основного режима мониторинга, наиболее полезным оказался сбор данных для спектрального анализа, которые запоминались в двоичном файле, с помощью разработанного ПО переводились в текстовый формат и затем анализировались с помощью программы MS Excel В работе приводятся результаты спектрального анализа ненагруженного моста и при различных ситуациях прохождения электрички под мостом, большое количество пешеходов и тд ИИС показал хорошую точность и повторяемость результатов

Исследование ИИС с методическим объектом проводились на примере деформации трубчатой конструкции, соответствующей деформации в элементах шасси самолета Были проведены разработка метода калибровки измерительного тракта ИИС путем решения обратной задачи определения внешней нагрузки по результатам измеренных деформаций, а так же исследование влияния мешающих факторов (боковая сила, крутящий момент и т д) и определение способов их исключения

В заключении суммируются основные результаты работы, которые сводятся к следующему

1 На основе анализа требований, предъявляемых к системам непрерывного мониторинга прочности сложных механических конструкций, поставлена и решена задача исследования и разработки малогабаритной информационно-измерительной системы, обеспечивающих длительную, а также автономную работу ИИС для непрерывного мониторинга прочности в сложных климатических условиях

2 В результате проведенных исследований приведен ряд решений и созданы следующие аппаратные средства для построения измерительно-вычислительного модуля ИИС

-разработана новая модификация программно-управляемой измерительной части ИВМ с переменной структурой, обеспечивающая работу системы с первичными преобразователями различных видов как активного, так и пассивного типов,

-применена беспроводная связь с вычислительным модулем, позволяющая передавать информацию с измерительно-вычислительных модулей, находящихся в труднодоступных местах конструкции: -на основании ГОСТ 8 009-84, ГОСТ 8 326-89 и ГОСТ 8 401-80 предложена методика получения метрологических характеристик многофункциональной многоканальной ИИС и предложено стандартное образцовое оборудование, и его использование (схемы подключения) при метрологических испытаниях ИИС,

-разработан и реализован автоматический калибратор мер, базирующийся на использовании последовательного низкоомного резистивного делителя, имитирующего приращения сопротивлений образца (датчика) любого номинала, а также напряжения, с погрешностью не более 0.05%, что

позволяет использовать АКМ в качестве автоматической быстродействующей рабочей меры всех Видов датчиков и схем их включения для ИВМ,

- с помощью АКМ на основании предложенной методики и созданной системы обеспечена возможность определения основных метрологических характеристик ИИС непосредственно на объекте для поверки всех измерительных трактов ИИС,, без первичных преобразователей,

- разработана и реализована методика калибровки и коррекции результатов измерения ИИС в зависимости от температуры окружающей среды, обеспечивающая погрешность не хуже ±0 2% и надежность процесса непрерывного мониторинга прочности конструкции Для этого в состав ИВМ была дополнительно введена встроенная подсистема всех видов образцов датчиков, фиксирующая начало и конец заданного диапазона измерения любого вида датчика По показаниям датчика температуры ИВМ, измерениям образцов датчиков и калибровочных кодов производится коррекция результатов измерения в процессе эксплуатации.

3 Для реализации работы технических средств, перечисленных в п 2, потребовалось применение микроконтроллеров, встроенных в измерительно-вычислительный модуль, что определило разработку новых алгоритмических решений и развитого программного обеспечения ИВМ, а именно

- алгоритмов и программ управления изменением конфигурации измерительной части системы,

- алгоритмов и программ сбора данных для тензометрирования механической конструкции,

- алгоритмов и программ контрольных измерений,

- алгоритмов и программ коррекции результатов измерений,

- алгоритмов и программ сбора данных для спектрального анализа нагруженности конструкции,

- алгоритмов и программ сбора и обработки данных для мониторинга прочности механических конструкций,

- программ управления каналом беспроводкой передачи данных от измерительно-вычислительного модуля к внешней ЭВМ

- алгоритмов и программы сбора и обработки и данных для метрологической поверки измерительных трактов,

4 Кроме программ управления и сбора данных, обеспечивающих работу микроконтроллеров измерительной части системы разработаны алгоритмы и программы обработки и представления информации на внешней ЭВМ К ним относятся.

-алгоритм и программа подготовки исходных данных для настройки конфигурации ИВМ и выбора параметров проведения процессов измерения, -алгоритм и программа представления результатов мониторинга, -алгоритм и программа представления результатов тензометрирования конструкции,

-алгоритм и программа представления результатов спектрального анализа, -алгоритм и программа обработки результатов метрологических испытаний

5 На основании разработанных алгоритмических и схемотехнических решений созданы опытные образцы ИИС «ТЕНЗОР», которые прошли практическую апробацию при непрерывном мониторинге состояния прочности пешеходного моста из композиционных материалов, расположенного в г Москва, район Чертаново, а также для определения напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов шасси самолетов при определении их массы и центровки в процессе загрузки

6 ИИС «ТЕНЗОР» проработал на композиционном мосту более одного года и подтвердил свои эксплуатационные характеристики при всесезонном использовании

7 Система измерения массы и центровки (СИМЦ) подготовлена для сертификации (в 2008 году) в рабочем температурном диапазоне температур (-40 - +60) °С

8 На основании проведенных исследований и опытных проверок схемотехнических решений в ИИС «ТЕНЗОР» рекомендуется при эксплуатации ИИС в эксплуатационных температурных условиях (-40 -+60) °С использовать схемотехнические решения (встроенный блок контрольных образцовых датчиков, фиксирующих начало и конец диапазона измерения для выбранной схемы их подключения, по показаниям встроенного в него датчика температур), алгоритмы калибровки и коррекции результатов измерения

9 На основании проведенных исследований и опытной эксплуатации автоматического калибратора мер рекомендуется для автоматизации метрологических исследований проблемно-ориентированных ИИС разрабатывать и применять АКМ, что позволит существенно сократить время их проведения в десятки раз, исключит субъективный фактор и не потребует гамму образцовых средств При этом открываются, учитывая малое время переключения в АКМ - 20 мкс, возможности исследования динамических метрологических характеристик проблемно-ориентированных ИИС

В приложениях приведены структурные схемы формирования калибровочных значений АКМ для отдельных эквивалентов датчиков и схем их включения, а так же результаты автоматизированных метрологических испытаний ИИС «ТЕНЗОР» при подключении эквивалентов всех типов обслуживаемых датчиков при различных схемах их включения

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях

1 Бодров В Е, Краячич А В, Подборонов Б П, Свирский Ю А «Контрольные измерения, калибровка и коррекция результатов измерений ИВК "ТЕНЗОР" - Датчики и системы -2006 -№6 с 5-9

2 Бодров В Е, Краячич А В, Подборонов Б П, Свирский Ю А «Малогабаритный измерительно-вычислительный комплекс "ТЕНЗОР" для мониторинга прочности сложных механических конструкций» -Датчики и системы - 2006 - №5 с 2-7

3 Бодров В Е, Краячич А В, Подборонов Б П, Свирский Ю А «Обеспечение метрологических испытаний измерительно-вычислительного комплекса "ТЕНЗОР"» - Датчики и системы - 2006 -№8

4 Бодров В Е, Краячич А В, Подборонов Б П, Свирский Ю А «Программное обеспечение ИВК "Тензор" для прочностного анализа конструкций» - Датчики и системы -2006 -№10

Подписано в печать ЫсШц Зак. № Тир. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Список условных сокращений.

Введение.

Глава 1 Структура построения ИИС для непрерывного мониторинга состояния сложных механических конструкций.

1.1 Анализ требований к системе непрерывного мониторинга состояния прочности конструкций и определение необходимых типов первичных преобразователей.

1.2 Определение сил для контроля массы и центровки самолета.

1.3 Структура и основные характеристики ИИС.

1.4 Требования к составу сервисного и специального программного обеспечения ИИС.

Выводы к главе 1.

Глава 2 Разработка методики и средств получения метрологических характеристик ИИС

2.1 Методика и средства получения метрологических характеристик измерительных каналов ИИС.

2.2 Разработка автоматизированной калиброванной меры, имитирующей первичные преобразователи.

2.3 Определение характеристик погрешности автоматического калибратора мер.

2.4 Автоматизация процесса получения метрологических характеристик ИИС с программно-управляемой структурой измерительной части.

Выводы к главе 2.

Глава 3 Алгоритмы калибровки и коррекции результатов измерения ИИС.

3.1 Организация контроля измерительных каналов.

3.2 Алгоритмы н программы калибровки измерительных каналов.

3.3 Алгоритмы и программы коррекции результатов измерения.

Выводы к главе 3.

Глава 4 Обработка данных непрерывного мониторинга состояния прочности конструкций. Опыт применения.

4.1 Разработка алгоритма и особенности применения программ сбора и обработки тензометрической информации.

4.2 Тензометрия и спектральный анализ в мониторинге состояния прочности конструкций и их программная реализация.

4.3 Алгоритмы и программы представления данных мониторинга состояния прочности конструкций.

4.4 Специальное и сервисное программное обеспечение.

4.5 Анализ опыта применения ИИС для мониторинга состояния прочности мостовых конструкций.

4.6 Исследования измерительного модуля с методическим объектом, имитатора полуоси шасси.

Выводы к главе 4.

Актуальность проблемы. С развитием информационных технологий и совершенствованием измерительной техники, появилась возможность создания систем непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций с целью обеспечения их безопасной эксплуатации. К таким сложным механическим конструкциям можно отнести самолёты, продуктопроводы и резервуары в нефтегазовой и химической отраслях, трубопроводную обвязку атомных реакторов и газоперекачивающих станций, плотины, мостовые и современные строительные сооружения и многие другие.

Непрерывный мониторинг состояния прочности позволяет в течение длительного времени получать информацию о напряженно-деформированном состоянии (НДС), о нагрузках, различных воздействиях и других показателях эксплуатации конструкции и принимать эффективные решения по управлению режимом эксплуатации. Средства непрерывного мониторинга состояния (НМС) прочности конструкции это система наблюдения за условиями работы и поведением конструкции, направленная на обеспечение сохранения её функциональных потребительских свойств в заданных пределах с использованием измерительной аппаратуры, обеспечивающей предоставление информации о состоянии конструкции в реальном масштабе времени.

Традиционно оценка технического состояния сложной механической конструкции осуществлялась на основе осмотров, обследований (осмотров сооружения, сопровождаемых инструментальными измерениями) или испытаний [1, 2, 3, 35, 36].

Осмотры сложных конструкций являются трудоемкими процессами из-за большого объема обследования и сложности доступа к контролируемым узлам конструкции. В результате осмотров могут быть выявлены лишь те дефекты, которые очевидно нарушают внешние конструктивные параметры конструкции (трещины, недопустимые деформации и т.п.). При этом причины появления указанных дефектов не всегда могут быть точно установлены, что затрудняет принятие решений по их конструктивному устранению и предупреждению.

Применение НМС позволяет фиксировать условия работы и реакцию конструкции непрерывно на внешние воздействия, поэтому внештатные или пиковые воздействия, такие как землетрясения, ураганные порывы ветра и т.п. вместе с соответствующими изменениями в условиях работы конструкции будут зарегистрированы.

Важное преимущество НМС сложной механической конструкции это накопление экспериментальных данных о нагрузках и воздействиях, об условиях работы конструкции, которые могут быть эффективно использованы для повышения надежности и сроков безопасной эксплуатации других сооружений, в том числе при разработке нормативных документов и проектировании.

Основные задачи [20, 23, 30, 39] при создании системы НМС прочности связаны с разработкой достаточно совершенной измерительной системы, с применением которой персонал получает надёжную информацию о состоянии конструкции в реальном масштабе времени.

К этим задачам относятся:

- выбор типа и количества регистрируемых параметров и аппаратных средств для сбора данных;

- разработка алгоритмов преобразования регистрируемых данных к виду, пригодному для контроля;

- сохранение данных и предоставление их по запросу;

- выбор средств и форм предоставления данных для пользователя (разработка интерфейса «Измерительная система-пользователь»).

Основное отличие систем НМС прочности эксплуатируемых конструкций от измерительных систем для стендовых или лабораторных испытаний конструкций, или других испытаний это разнообразие измеряемых параметров и непрерывный режим работы, сопоставимый со сроками службы конструкции. Во многих случаях существует большая линейная протяженность объекта измерения, при которой использование одного измерительного прибора или нескольких локально расположенных приборов не возможно из-за ограничений в длине кабелей, присоединяющих датчики и средства вычислительной техники. В этих случаях, как по соображениям экономичности, так и по техническим характеристикам, целесообразно применение средств беспроводной связи.

Измерительные системы для НМС прочности должны иметь небольшие массогабаритные параметры, работать на открытом воздухе в условиях больших перепадов температур, высокой влажности, атмосферных осадков. Кроме того, эти системы должны обладать низким энергопотреблением, что позволяет обеспечивать бесперебойность их питания на довольно длительном промежутке времени от внутреннего источника электроэнергии.

Основными исходными данными о состоянии прочности конструкции являются общие перемещения и деформации конструкции или сооружения и его частей; напряжения (относительные деформации) в сечениях элементов; местные деформации (раскрытие трещин и швов, смещений в соединениях), а также угловые деформации, взаимные перемещения частей сооружения, усилий в элементах и т.п.

Выявление состояния прочности и условий работы конструкций и сооружений, при действии переменных нагрузок (в ограниченном диапазоне частот) должно выполнятся системой мониторинга в реальном масштабе времени с применением методов спектрального анализа и подсчёта усталостного повреждения конструкции.

Особо важным фактором надёжности при длительной эксплуатации систем НМС прочности является наличие в ней встроенной подсистемы диагностики работоспособности и упрощённой оценки метрологических характеристик измерительных трактов. Периодическое детальное определение метрологических параметров системы НМС должно проводиться без демонтажа системы с объекта, что требует создания автоматизированных калибруемых мер, дистанционно управляемых по каналам беспроводной связи.

Учитывая вышеперечисленное, можно отметить, что в настоящее время существует проблема создания информационно-измерительных систем (ИИС) для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций с целью обеспечения их безопасной эксплуатации.

В представленной работе, в отличие от ряда выполненных работ [6, 7, 20, 23, 30, 38, 41] по данной тематике, последовательно рассматриваются этапы исследований и разработки аппаратно-программных средств для создания информационно-измерительной системы и автоматизированной калибруемой меры (АКМ), обеспечивающей ее метрологические испытания. Решение каждого этапа потребовало значительных интеллектуальных и материальных затрат при проектировании, создании и внедрении ИИС.

Цель работы - разработка малогабаритной информационно-измерительной системы для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций. Достижение цели включает разработку оригинальных способов реализации измерительных средств, сбора, преобразования и обработки измерительной информации, системного и прикладного программного обеспечения, разработку полностью автоматизированного процесса анализа основных метрологических характеристик ИИС, обеспечивающих единство измерений и сопоставимость результатов испытаний.

Методы исследований. Результаты разработок, изложенные в диссертации, базируются на системном подходе и получены путем теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы методы функционального, спектрального, корреляционного анализа, линейной алгебры, и современные методы измерительной и вычислительной техники.

Научная новизна. Сформулирована, обоснована и решена научно-техническая проблема создания малогабаритных ИИС для обеспечения непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций, имеющая важное народно-хозяйственное значение, связанная с созданием основ и практической реализацией специализированных средств измерения. Предложен подход к решению этой проблемы, базирующийся на разработанных автором методах и алгоритмах построения средств измерения, позволяющих автоматизировать процесс получения достоверной информации с многочисленной гаммы датчиков активного и пассивного типов, территориально рассредоточенных и расположенных в критических зонах объекта испытания.

Этот подход потребовал создания новых аппаратно-программных средств: введения встроенного аварийно-профилактического контроля, предварительной калибровки и последующей коррекции результатов измерения в процессе эксплуатации, построения и разработки алгоритмов работы многофункциональной структуры измерительной части ИИС. Предложены:

- Вариант построения и алгоритмы управления измерительной частью переменной структуры ИИС;

- метод калибровки ИИС для функционирования в широком температурном диапазоне эксплуатации (-40 — +60) °С и алгоритмы коррекции результатов измерения в этих условиях эксплуатации;

- метод построения автоматической калиброванной меры (АКМ) и алгоритмы полной автоматизации процесса получения метрологических характеристик многофункциональной многоканальной ИИС;

- алгоритмы и программное обеспечение для мониторинга состояния прочности объекта контроля.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные результаты позволяют обоснованно разрабатывать ИИС для измерений разнообразных величин при проведении испытаний на прочность и определения расхода ресурса сложных механических конструкций, выполнять непрерывный мониторинг состояния прочности при эксплуатации, а также автоматически оценивать основные метрологические характеристики системы.

Предложенные методы по реализации ИИС легли в основу создания ряда систем «ТЕНЗОР» [27, 28], используемых для системы измерения массы и центровки самолётов (СИМЦ) и непрерывного мониторинга прочности конструкции пешеходного моста из композитных материалов.

На защиту выносятся предложенные методы построения, алгоритмы функционирования и программное обеспечение для вновь разработанной информационно-измерительной системы.

Апробация работы. Доклад на научно-техническом симинаре (НТС) НИЦ «Комплекс» в ноябре 2007г. во «Всероссийском электротехническом институте имени В.И. Ленина». Доклад в марте 2008г. на НТС НИО-16 в «Центральном аэрогидродинамическом институте имени профессора Н.Е.Жуковского». Доклад на межкафедральном семинаре в июне 2008г. в «Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина».

Публикации. Цикл статей в журнале издательства ИПУ РАН «Датчики и системы» №№ 5, 6, 8 и 10 за 2006 г [13, 14, 15, 16], разрешённый ВАК РФ для публикации материалов докторских и кандитатских диссертаций.

1. На основе анализа требований, предъявляемых к системам непрерывного мониторинга прочности сложных механических конструкций, поставлена и решена задача исследования и разработки малогабаритной информационно-измерительной системы, обеспечивающей длительную, а также автономную работу для непрерывного мониторинга прочности в сложных климатических условиях.2. В результате проведенных исследований разработаны следующие решения и аппаратные средства для построения измерительно-вычислительного модуля ИИС: • разработана новая модификация программно-управляемой измерительной части ИВМ с переменной структурой, обеспечивающая работу системы с первичными преобразователями различных видов как активного, так и пассивного типов; • применена беспроводная связь с вычислительным модулем, позволяющая передавать информацию с измерительно-вычислительных модулей, находящихся в труднодоступных местах конструкции; • на основании ГОСТ 8.009-84; ГОСТ 8.326-89 и ГОСТ 8.401-80 предложена методика получения метрологических характеристик многофункциональной многоканальной ИИС и предложено стандартное образцовое оборудование, и его использование (схемы подключения) при метрологических испытаниях ИИС; • разработан и реализован автоматический калибратор мер (АКМ), базирующийся на использовании последовательного низкоомного резистивного делителя, имитирующего приращения сопротивлений образца (датчика) любого номинала, а также напряжения, с погрешностью не более 0.05%, что позволяет использовать АКМ в качестве автоматической быстродействующей рабочей меры всех видов датчиков и схем их включения для ИВМ; • с помощью АКМ на основании предложенной методики и созданной системы обеспечена возможность определения основных метрологических характеристик ИИС непосредственно на объекте для поверки всех измерительных трактов ИИС, без первичных преобразователей; • разработана и реализована методика калибровки и коррекции результатов измерения ИИС в зависимости от температуры окружающей среды, обеспечивающая погрешность не хуже ±0.2% и надежность процесса непрерывного мониторинга прочности конструкции. Для этого в состав ИВМ была дополнительно введена встроенная подсистема всех видов образцов датчиков, фиксирующая начало и конец заданного диапазона измерения любого вида датчика. По показаниям датчика температуры ИВМ, измерениям образцов датчиков и калибровочных кодов производится коррекция результатов измерения в процессе эксплуатации.3. Для реализации работы технических средств, перечисленных в п.2, потребовалось применение микроконтроллеров, встроенных в измерительно-вычислительный модуль, что определило разработку новых алгоритмических решений и развитого программного обеспечения ИВМ, а именно: • алгоритмов и программ управления изменением конфигурации измерительной части системы; • алгоритмов и программ сбора данных для тензометрирования механической конструкции; • алгоритмов и программ контрольных измерений; • алгоритмов и программ коррекции результатов измерений; • алгоритмов и программ сбора данных для спектрального анализа нагруженности конструкции; • алгоритмов и программ сбора и обработки данных для мониторинга прочности механических конструкций; • программ управления каналом беспроводной передачи данных от измерительно вычислительного модуля к внешней ЭВМ. • алгоритмов и программы сбора и обработки и данных для метрологической поверки измерительных трактов;

4. Кроме программ управления и сбора данных, обеспечивающих работу микроконтроллеров измерительной части системы разработаны алгоритмы и программы обработки и представления информации на внешней ЭВМ. К ним относятся: • алгоритм и программа подготовки исходных данных для настройки конфигурации ИВМ и выбора параметров проведения процессов измерения; • алгоритм и программа представления результатов мониторинга; • алгоритм и программа представления результатов тензометрирования конструкции; • алгоритм и программа представления результатов спектрального анализа; • алгоритм и программа обработки результатов метрологических испытаний.5. На основании разработанных алгоритмических и схемотехнических решений созданы опытные образцы ИИС «ТЕНЗОР», которые прошли практическую апробацию при непрерывном мониторинге состояния прочности пешеходного моста из композиционных материалов, расположенного в г. Москва, район Чертаново, а также для определения напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов шасси самолетов при определении их массы и центровки в процессе загрузки.6. ИИС «ТЕНЗОР» проработала на композиционном мосту более одного года и подтвердила свои эксплуатационные характеристики при всесезонном использовании.7. Система измерения массы и центровки (СИМЦ) подготовлена для сертификации (в

8. На основании проведенных исследований и опытных проверок схемотехнических решений в ИИС «ТЕНЗОР» рекомендуется при эксплуатации ИИС в эксплуатационных блок контрольных образцовых датчиков, фиксирующих начало и конец диапазона измерения для выбранной схемы их подключения, по показаниям встроенного в него датчика температур), алгоритмы калибровки и коррекции результатов измерения.9. На основании проведенных исследований и опытной эксплуатации автоматического калибратора мер рекомендуется для автоматизации метрологических исследований проблемно ориентированных ИИС разрабатывать и применять АКМ, что позволит существенно сократить время их проведения в десятки раз, исключит субъективный фактор и не потребует гамму образцовых средств. При этом открываются, учитывая малое время переключения в АКМ-20 мкс, возможности исследования динамических метрологических характеристик проблемно ориентированных ИИС.

1. A. Del Grosso, D. Inaudi, L. Pardi .Overview of European activities in the health monitoring of bridges. Proc. First Int. Conf. on Bridge Maintenance, Safety and Management, IABMAS 2002, Barcelona, 14 .17 July, 2002.

2. A.E. Aktan, F. N. Catbas, K. Grimmelsman, M. Pervizpour, J. Curtis, K. Shen and X. Qin .A theory of health monitoring for highway bridges., Proc. First Int. Conf. On Bridge Maintenance, Safety and Management, IABMAS 2002, Barcelona, 14 .17 July, 2002.

3. H.-M. Koh, S.P. Chang, S.-K. Kim, C.-Y. Kim, W.J. Kim .Development and application of health monitoring system for bridges in Korea., Proc. First Int. Conf. On Bridge Maintenance, Safety and Management, IABMAS 2002, Barcelona, 14 .17 July, 2002.

4. S. Sumitro, Y. Matsui, M. Kono, T. Okamoto, and K. Fujiib «Long span bridge health monitoring system in Japan», Proc. SPIE Vol. 4337, 2001, P 517-524.

5. SDCC — С-компилятор для микроконтроллеров. Интернет - адрес: http://sdcc.sourceforge.net/

6. Адаптер порта OSA-104 - http://vvvvw.altonika.ru

7. Архангельский А.Я. «Приемы программирования в C++ Builder 6 и 2006», - М: Бином, 2006г.

8. Архангельский А.Я. «Программирование в C++ Builder 6» - М.: Бином, 2003г.

9. Блохин В.К., Крутиков О.В., Марасанов А.И. Опыт контроля напряженно- деформированного состояния арочного пролетного строения Андреевского моста при перевозке его на новое место.- Транспортное строительство.- 2000.- №9. 11-15.

10. Бодров В.Е., Краячич А.В., Подборонов Б.П., Свирский Ю.А. «Контрольные измерения, калибровка и коррекция результатов измерений ИВК "ТЕНЗОР". - Датчики и системы. -2006. - №6. с. 5-9. 11. Бодров В.Е., Краячич А.В., Подборонов Б.П., Свирский Ю.А. «Малогабаритный измерительно-вычислительный комплекс "ТЕНЗОР" для мониторинга прочности сложных механических конструкций». — Датчики и системы. - 2006. - №5. с. 2-7.

12. Бодров В.Е., Краячич А.В., Подборонов Б.П., Свирский Ю.А. «Обеспечение метрологических испытаний измерительно-вычислительного комплекса "ТЕНЗОР"». — Датчики и системы. - 2006. - №8.

13. Бодров В.Е., Краячич А.В., Подборонов Б.П., Свирский Ю.А. «Программное обеспечение ИВК "Тензор"' для прочностного анализа конструкций». — Датчики и системы. — 2006. -№10.

14. Гальченко Е.В. Методика определения собственных частот и декрементов колебаний. НПП «АпАТэК» инв. №523тд, 2004г.

15. Гоноровский И. С, Демин М. П. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Радио и связь, 1994г.

16. ГОСТ 17624-87 (с попр. 1989) Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.

17. Егоров М.И., Баранов Д.С. Мониторинг напряженно-деформированного состояния несущих конструкций уникальных сооружений Москвы. Интернет - адрес: http://www.gvozdik.ru/aiialil/225.html. 2002.

18. Коршунов Ю. М. Математические основы кибернетики. М. Энергоатомиздат, 1987г.

19. Крутиков О.В. «Экспериментальное определение прогибов моста при измерении деформаций и оценка временной подвижной нагрузки». - Вестник МИИТа// вып.9.-М.: МИИТ, 2003. 98-101.

20. Крутиков О.В. и др. Разработка проекта длительного приборного мониторинга эксплуатируемых мостов. Отчет о НИР. МИИТ, 2004.

21. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М. Мир, 1983г.

22. Переселенков Г.С., Звягинцев А.Н., Павлов Е.И., Матвеев И.К. «Динамика и ресурс малых автодорожных мостов». - Транспортное строительство.- 2001.- №11. 17-21.

23. Подборонов Б.П. и др. Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «Тензор», Техническое описание, НПП «АпАТэК» №38то, 2004г.

24. Подборонов Б.П. и др. Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «Тензор», Технические условия, НПП «АпАТэК» №38ту, 2004г.

25. Самолинов Н.А. Использование неразрушающих методов контроля прочности конструкций при определении остаточного ресурса зданий и сооружений. Интернет — адрес: http://\v\vw.gosstrov.ru:8080/seism?doc&nd=91500054 l&nh=0. 2002.

26. Свирский Ю.А. и др. «Анализ работы встроенной системы мониторинга пролётных строений пешеходного перехода (моста) у о.п. «Чертаново» Московской ж.д.». Отчет НПП «АпАТэК» № 274о, 2005г.

27. Свирский Ю.А. Программа первичной обработки результатов мониторинга LSM и сервисная программа. (Инструкция пользователя). Отчет НПП «АпАТэК» №273о, 2005г.

28. Свирский Ю.А. Программа первичной обработки результатов спектрального анализа SSM. (Инструкция пользователя). Отчет НПП «АпАТэК» №272о, 2004г.

29. Свирский Ю.А. Программа первичной обработки результатов тензометрии TSM и сервисные программы. (Инструкция пользователя). Отчет НПП «АпАТэК» № 271 о, 2004г.

30. СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы», Москва. Госстрой СССР, 1991 г.

31. СНиП 3.06.07-86 «Мосты и трубы. Правила обследования и испытаний», Москва, Госстрой СССР, 1987.

32. Стандарт предприятия. «Методика, алгоритмы и требования к программному обеспечению при метрологической аттестации ИВК и ИИС», М, ЦАГИ, 1986.

33. Шапиро Л.Б., Шишкина Д.В., Николаев В.Е., Галахов В.А., Тимофеев В.П., Богданов А.А. Сооружение арочного пролетного строения нового Краснолужского моста через р. Москву в Москве.- Вестник мостостроения.- 2002.- №1-2. 25-27.

34. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М. Иностранная литература, 1963г.

35. Шестоперов Г.С. «Уточнение сейсмичности пункта строительства объекта при проектировании транспортных сооружений». - Транспортное строительство.- 2001.- №12. 12-14.

36. Бодров В.Е, Краячич А.В.,Подборонов Б.П. «Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «ТЕНЗОР» - Годовой научно-технический отчёт ФГУП ЦАГИ 2004 г. стр.357-359.

37. Бодров В.Е., Краячич А.В.,Подборонов Б.П., Стерлин А.Я. .«Обеспечение метрологических испытаний ИВК «СИМЦ» для измерения массы и центровки самолётов» - Годовой научно-технический отчёт ФГУП ЦАГИ 2005 гетр. 297-301.

38. Краячич А.В., Сидоров Г.И. с группой соавторов. «Разработка макета мобильной системы измерения массы и центровки самолётов». - Тех. отчёт ЦАГИ НИО-16 №5418 октябрь 2004г.

39. Краячич А.В., Сидоров Г.И. с группой соавторов. «Исследования по разработке мобильного ИВК «Тензор» для мониторинга НДС конструкций шасси». - Тех. отчёт ЦАГИ НИО-16 №5375 ноябрь 2003г.

40. Краячич А.В. с группой соавторов. «Разработка специального аппаратно-программного обеспечения системы предполетного измерения массы и центровки самолетов».- Тех. отчёт ЦАГИ НИО-16 №5448 май 2005г.

41. Краячич А.В. с группой соавторов. «Разработка методики и проведение испытаний опытного образца системы предстартового измерения массы и центровки самолета». - Тех. отчёт ЦАГИ НИО-16 №5467 декабрь 2005г.

42. Подборонов Б.П., Фурман А.В., Шевчук В.В. А.с. №417905 (СССР). Компенсированный ключ. - опубл. 28.02.74, бюлл. №8.