Акселерометрите

Приложение в инфраструктурни обекти

Терминът „акселерометър“ дава първона чалната представа - това е уред, който измерва ускорение. Идеята за използванена акселерометъра е проста - той може да осигури данни за определяне на движението и вибрациите на конструкция, която е подложена на динамични въздействия. Така се осъществява контрол на показателите, свързани с надеждността на сградата или съоръжението, за да се предотвратят ситуации, при които стойностите на регистрираните параметри превишават граничните. Използването на акселерометри налага създаване на цялостна система. Тя включва, най-общо казано, определен брой акселерометри, комуникационен център и софтуер за запис и анализ на данните.

Текст: списание Инфрабилд

снимка: rst Instruments

Системата може да използва три акселерометъра, всеки от които е комплект от сензор, рекордер, защита от пренапрежение и оптична връзка, които са взаимно свързани в мрежа, или три акселерометъра в общ блок, окомплектован по същия начин. И при двата подхода е необходимо наличието на GPS антена за синхронизация - интеграцията на GPS и акселерометър може да се използва като надежден инструмент за характеризиране на динамичното поведение на големи конструкции, подложени на натоварвания от околната среда. Данните от софтуера за запис и анализ се подават в комуникационния център. Записаната информация се обновява и показва на монитор от софтуер за визуализация, за да се следи от оператора. Задължително е осигуряването на всички системи да става през уред за непрекъсваемо захранване - UPS, който се избира според конкретните необходими мощности.
 

Няколко думи за акселерометрите

Тези „датчици“ могат да измерват ускорение в една, две или три равнини. Най-често използвани са триосовите апарати, състоящи се от три едноосови, всеки един от които измерва ускорението в три различни направления - Х, Y и Z. Ако върху акселерометъра не действа външно ускорение, датчикът ще измерва само гравитационното ускорение. Ако приемем, че датчикът по оста Z е насочен надолу, уредът ще покаже нулеви стойности по X и Y, и понеже мерната единица е g, показаната стойност по Z ще бъде 1[g]. Аналогично, при отклонение в някоя от другите посоки, ще бъдат отчетени съответните стойности. Подразбира се, че ако ускорението е в посоката, в която е насочен сензорът, то ще бъде отчетено с положителна стойност, и обратно - ще има отрицателна стойност, ако е действало в противоположната посока. Тези положения при измерване на ускорението се използват от алгоритмите на системите, основани на работата на акселерометрите.

Видове акселерометри

Има три основни вида електромеханични акселерометри - капацитивни, пиезорезистивни и пиезоелектрични. Може би трябва да добавим и микроелектромеханични. Тук няма да се спираме на други разновидности, макар че има такива. Капацитивните, при които се закрепва тежест върху единия край на пружини, са най-евтините и най-малките. Другият край на пружините се прикрепва към кондензатор, тип „гребен“. Когато възникне наблюдаваното явление и датчикът го регистрира, тежестта се движи върху пружините, разстоянието между масата и кондензатора се променя и това влияе на промяната на капацитета. Този вид акселерометри се използват предимно в потребителската електроника. Пиезорезистивните са оборудвани с пиезорезистивен материал, който се деформира под въздействието на външна сила и предизвиква промяна в съпротивлението.
Приемник, интегриран с акселерометъра, преобразува тази промяна в електрически сигнал. Този вид уреди имат широк честотен диапазон, но ниска чувствителност.

Те могат да регистрират вибрации с големи амплитуди и честоти, затова са много използвани при краш-тестове. Пиезоелектричните акселерометри генерират електрически заряд при механично натоварване и са едни от най-използваните за измерване нивото на вибрации. При ускорение те генерират електрическо напрежение, но без да променят съпротивлението си. Това се дължи на използването на специален елемент за датчиците, който генерира електрически заряд при деформиране. Такъв е например оловният цирконат титанат PZL (Plumbum Zirconate-Titanate) - пиезоелектричен керамичен материал с кристална структура. Този вид акселерометри са с висока чувствителност и точност. Изходният сигнал обикновено се усилва. Използват се за прецизни сеизмични изследвания, при краш-тестове и дори при разрушителни изпитвания. Именно уредите от този вид са залегнали в системите за мониторинг на отговорни инженерни съоръжения.

Примерно описание на акселерометър

Уредът може да е електромеханичен, триаксиален, конструиран като пакет сензори и проектиран за наблюдение на земетресения и явления, изискващи високочувствителни и здрави сензори, но поддръжката да е минимална, а периодичното тестване да се извършва по прост и лесен метод. Масата на движещата се бобина с окачване подобрява съотношението сигнал/шум. Магнитната система и капацитивните датчици за положение осигуряват симетрични контроли за точното електронно центриране на масата. В покой механизмът е в равновесие и не се генерира електрическа мощност. Ако възникне движение в земната кора или в изследваната строителна конструкция, тогава се създава електрическа мощност, пропорционална на тока, който е използван за поддържане на масата центрирана. Това е изходният сигнал, който е калибриран така, че да осигурява максимална точност при възможно най-ниско ниво на шум.

Дори при тежки условия мащабирането и калибрирането се запазват, благодарение на интегрирането на системата за симетрично позициониране с принципа за баланс на силата. Поведението/реакцията на правия ток (DC response) позволява сензорът лесно да се тества, калибрира и поправя, и то на място. Много удобно за потребителя е наличието на електронни функции за регулиране на преместването, защото с тях инсталирането е улеснено, не е нужно механично регулиране и прецизно нивелиране. Захранването може да става от източник за прав ток от 9,5 до 18V. Входната мощност е изолирана от електронните сензори. Така се избягва необходимостта от заземителни контури и се намалява шума, индуциран през захранването. Аналоговият акселерометър става още по-удобен, ако е с цифров интерфейс, съвместим с подходящите записващи устройства.

Къде и защо се поставят акселерометрите?

Инсталират се директно върху наблюдаваните обекти, което им позволява да преобразуват енергията от вибрациите в електрически сигнал, пропорционален на моментното ускорение на обекта. Местата трябва да бъдат указани в проектната документация. Избират се особено отговорни части или възли от конструкцията. Наблюдението и анализът в такива точки трябва да осигурят данни за цялостното поведение на структурата. Ще разгледаме последователно някои съоръжения, изискващи мониторинг.

Големи язовирни стени

Мониторингът на язовирите, поради огромното им значение за безопасността на хората, е задължително изискване. Големи язовирни стени са тези, които отговарят поне на едно от следните условия: височината на стената, мерена от повърхността на фундиране до короната, да е по-голяма от 15m; ако височината на стената е между 10m и 15m, тогава или обемът да е над 1000000m³, или пропускателната способност на облекчителните съоръжения да е по-голяма от 2000m³/sec. Експлоатационната годност на язовирите може да бъде значително намалена от природни явления, човешка дейност, земетресения и други влияния. Деформацията на язовирната стена, температурата, вибрациите и редица други параметри изискват наблюдение, за да се открият промени в експлоатационните характеристики на язовира.

Системите за мониторинг могат да открият сеизмични и микросеизмични вибрации, от експлоатация, от поддръжка, от строителни дейности, които биха причинили повреди - от пукнатини в конструкцията до втечняване на основата на язовира. Случаи в миналото са показали колко уязвими са язовирите на земни трусове, деформации на земната основа или претоварване. Въпреки напредъка в динамичния анализ, все още не е възможно да се предскаже поведението на язовирите при много силно движение на земните пластове. Именно тук системите за мониторинг демонстрират своята полезност - те наблюдават и измерват факторите, които водят до отказ на структурата, и същевременно могат да насочват към проблемни възли и да предупреждават за бедствие. Тези системи, както по-горе изяснихме, са съвкупност от висококачествени сензори за измерване на ускорение, скорост и деформация, записващи устройства и софтуерни решения с много персонализирани опции.

Макар че всеки язовир е уникален, има установен минимум от наблюдавани точки.
Акселерометри се поставят на короната на язовирната стена, на дъното на стената, на петата на стената, както от въздушната страна, така и откъм водната, в края на стената и надолу по течението - за проследяване на изменения и процеси в земната основа, на разстояние около 3÷4 пъти височината на язовирната стена. Могат да се използват инжекционни галерии или специални бетонови фундаменти. Освен в задължителните точки, датчици могат да бъдат поставени и на други места - например на избрани точки по тялото на стената, в междинни точки по короната, в галериите. Поставените акселерометри в точките за измерване са с високодинамичен баланс, събират данни за ускоренията в точките и ги прехвърлят към системата за събиране на данни. Масивът от данни подлежи на автоматична обработка.

Дистанционното наблюдение елиминира необходимостта от посещения на място. Абстрактните сигнали се превръщат в полезна информация за състоянието на конструкцията, благодарение на иновативен софтуер. Мониторингът на язовирни стени по този метод позволява да се следят състоянието на конструкцията и експлоатационните характеристики, без да се засяга самата конструкция. Целта е да се следи поведението на конструкцията, за да се установи своевременно превишаване на критериите за безопасност. Показателите за конструктивна и технологична сигурност са определени в проектната документация и в проекта за техническа експлоатация.

Контролираните в периода на експлоатация параметри се сравняват с проектните и прогнозираните стойности. Данните от сензорите се преобразуват в значима информация в реално време, така че решенията дали нормалната експлоатация да продължи, или да се премине към обстойно обследване, могат да се вземат с увереност. Така се избягват бедствия и се създава рационална стратегия за поддръжка, основана на натрупаната база данни и правилния анализ. Нещо повече вече е възможно да се използват системи за автоматично уведомяване или изключване на определени функции, за навременно предупреждение на населението по долната част на долината, под язовира.

Мостове

Основната концепция и тук е да се открият проблемите, преди да е станало твърде късно. Спецификата на мостовото строителство е наложила изучаване на опита, натрупан при проектирането, строителството и последващите наблюдения на поведението на конструкцията по време на експлоатацията й. Именно на база опит се създават най-добрите системи за мониторинг и оценка на безопасността при действащите мостове. Би могло да се каже, че това са системи, управлявани от събитията. Акселерометрите в системата бдят за вибрациите и преместванията, породени от различните въздействия. Броят на разположените сензори в знакови точки може да е огромен.

При мостовете трябва да се наблюдава в реално време глобалното поведение на съоръжението и неговата среда. Ако разгледаме един вантов мост, триаксиални пиезоелектрически акселерометри се очаква да бъдат поставени на устоите, на главните носещи греди, при основата на пилоните, при ставните връзки, на върховете на пилоните, на кабелите и на централните опори. На вантите обикновено се монтират нископрофилни триосни акселерометри с висока експозиция. Много е важно да се следи реакцията на земната основа в зоната, която може да повлияе на поведението на моста. За целта се разполагат триосни акселерометри, разработени за експлоатация в сондажни кладенци в почвата.

Данните са обвързани с последваща обработка, която може да включва модален анализ, хистерезисен анализ, забелязване на повреди, анализ по метода на крайните елементи и обновяване на модела от крайни елементи, и помагат да се разбере поведението на конструкцията при различни въздействия, като изменение на температурата, ежедневните експлоатационни натоварвания, природни стихии и др. Един пример - ако има вятър с голяма скорост, системата ще изчисли къде е най-вероятно да се появи неблагоприятно последствие и ще посочи какво трябва да се провери. При едни от най-съвременните системи за мониторинг всички данни се съхраняват в „облак“, за да улеснят анализа и идентифицирането на тенденции в поведението на конструкцията.

Операторът може да реагира бързо при екстремно събитие, да изисква инспектиране и да извършва превантивни дейности, за да бъдат избегнати потенциални повреди. И още нещо - анализът на базата данни, натрупана във времето, гарантира по-добри инвестиционни решения при ремонт и поддръжка на моста. Най-вероятно комбинацията от „The Internet of Things“ (IoT - така е позната мрежата от физически обекти, които са обхванати от сензори, софтуер и други технологии с цел обмяна на данни с други уреди и системи в Интернет) и анализ на данни в облак е бъдещето при поддръжката на мостове, за да се предскажат проблемите, преди да са се случили. Няма голям мост по света, който да не се нуждае от такава система.

Тунели

Концепцията за мониторинг на тунели е като при вече описаните съоръжения. Основното предназначение и принципната конфигурация на такава система също не са по-различни. Интересно е мястото, където се поставят акселерометрите - в основата на тръбата, но в много точки по нейната дължина, като ще направим уговорка, че всеки тунел е отделно предизвикателство, и точки за събиране на данни се избират според типа на тунела, метода на изграждане, дължината, сеизмичната зона, в която е разположен, и др. Да, акселерометрите са много интересни уреди, но истински ценни стават, когато са интегрирани в системи за наблюдение, анализ и оценка на големи структури.