RU2471161C1 - Method for remote control and diagnosis of state of structures and engineering structures and device for realising said method - Google Patents

Method for remote control and diagnosis of state of structures and engineering structures and device for realising said method Download PDF

Info

Publication number
RU2471161C1
RU2471161C1 RU2011138428/28A RU2011138428A RU2471161C1 RU 2471161 C1 RU2471161 C1 RU 2471161C1 RU 2011138428/28 A RU2011138428/28 A RU 2011138428/28A RU 2011138428 A RU2011138428 A RU 2011138428A RU 2471161 C1 RU2471161 C1 RU 2471161C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
structures
controller
measurement units
Prior art date
Application number
RU2011138428/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Анатольевич Калинин
Александр Николаевич Михайлов
Валерий Антонович Шубарев
Виктор Иванович Дикарев
Владимир Александрович Мельников
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Авангард"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Авангард" filed Critical Открытое акционерное общество "Авангард"
Priority to RU2011138428/28A priority Critical patent/RU2471161C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2471161C1 publication Critical patent/RU2471161C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: device which realises the disclosed method has a structural component 1, units for measuring: deformation 2, mechanical stress 3, vibration 4, pressure 5, flow 6, temperature 7 of the transported product, temperature 8 of the soil, electric current 9, electric potential 10 with a comparison electrode, transducers 11-19, a controller 20, a modem 21, a communication line 22 and a control station 23. The controller 20 has a reader and a microprocessor 30 with memory. The measuring units and transducers are in form of delay lines operating on surface acoustic waves. Each delay line has a piezoelectric crystal.
EFFECT: high efficiency of the method and device for remote control and diagnosis of the state of structures and engineering structures by reducing power consumption and increasing reliability of measuring units and transducers.
2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемые технические решения относятся к контрольно-измерительной технике и могут быть использованы для непрерывного неразрушающего контроля, оценки и прогнозирования технического состояния конструкций и инженерных сооружений, например потенциально-опасных участков трубопроводов, в течение всего периода их эксплуатации.The proposed technical solutions relate to test equipment and can be used for continuous non-destructive testing, assessment and prediction of the technical condition of structures and engineering structures, for example, potentially dangerous sections of pipelines, during the entire period of their operation.

Известны способы и устройства дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений (авт.свид. СССР №№934.269, 1.458.647, 1.695.161, 1.733.837, 1.781.564, 1.781.577, 1.812.386; патенты РФ №№2.037.797, 2.046.311, 2.079.829, 2.135.887, 2.146.810, 2.190.152, 2.194.919, 2.206.817, 2.229.703, 2.230.978, 2.247.958, 2.276.304; патенты США №№3.170.152, 3.851.521, 4.206.402, 5.894.092; патент Франции №2.294.389; Лапшин Б.М. и др. Автоматизированная система непрерывного контроля герметичности подводных нефтепроводов. - Нефтяное хозяйство, 1989, №10, с.63, рис.1; Кармазинов Ф.В., Заренков Д.В., Дикарев В.И., Койнаш Б.В. Вода, нефть, газ и трубы в нашей жизни. СПб, 2005, «Техническая книга», с.179-214 и другие).Known methods and devices for remote monitoring and diagnostics of the state of structures and engineering structures (Autosvid. USSR No. 934.269, 1.458.647, 1.695.161, 1.733.837, 1.781.564, 1.781.577, 1.812.386; RF patents No. No. 2.037.797, 2.046.311, 2.079.829, 2.135.887, 2.146.810, 2.190.152, 2.194.919, 2.206.817, 2.229.703, 2.230.978, 2.247.958, 2.276.304; patents USA No. 3.170.152, 3.851.521, 4.206.402, 5.894.092; French patent No. 2.294.389; BM Lapshin et al. Automated system for continuous monitoring of the integrity of underwater pipelines. - Oil industry, 1989, No. 10 , p. 63, fig. 1; Karmazinov F.V., Zarenkov D.V., Dikarev V.I., Koinash B.V. Water, oil, gas and pipes in our life. St. Petersburg, 2005, “Technical Book”, pp. 179-214 and others).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений и устройство для его осуществления» (патент РФ №2.247.958, G01M 5/00, 2003), которые и выбраны в качестве прототипов.Of the known methods and devices closest to the proposed are the "Method of remote monitoring and diagnostics of the state of structures and engineering structures and a device for its implementation" (RF patent No. 2.247.958, G01M 5/00, 2003), which are selected as prototypes.

Известный способ заключается в том, что на пункте контроля регистрируют сигналы с блоков измерения, установленных в местах диагностирования конструкций, и сравнивают их с заранее зафиксированными значениями. При этом блоки измерения устанавливают на элемент конструкции, изготовленный из того же материала, что и вся конструкция. Проводят метрологическую аттестацию элемента конструкции путем установления зависимостей между сигналами с блоков измерения и калиброванными внешними воздействиями, регистрируют их на пункте контроля и используют в качестве заранее зафиксированных сигналов. Врезают элемент с установленными на нем блоками измерения в места диагностирования конструкции, и по отклонению поступивших сигналов с блоков измерения от заранее зарегистрированных сигналов судят о состоянии конструкции. Устройство содержит пункт контроля, блоки измерения, размещенные в местах диагностирования конструкции, преобразователи, линию связи, контроллер. Причем блоки измерения размещены на метрологически аттестованном элементе конструкции, изготовленном из того же материала, что и вся конструкция, и врезанном в места диагностирования конструкции. Элемент конструкции соединен с соответствующими преобразователями, связанными своими выходами с входом контроллера, подключенного к модему, который через линию связи своим выходом соединен с пунктом контроля.The known method consists in the fact that at the control point register signals from the measurement units installed in the places of diagnosis of structures, and compare them with pre-fixed values. In this case, the measurement units are mounted on a structural element made of the same material as the entire structure. Metrological certification of the structural element is carried out by establishing dependencies between the signals from the measurement units and the calibrated external influences, register them at the control point and use them as pre-recorded signals. An element with measuring units mounted on it is cut into the places of diagnosis of the structure, and the state of the structure is judged by the deviation of the received signals from the measurement units from pre-registered signals. The device contains a control point, measurement units located in the places of diagnosis of the structure, converters, communication line, controller. Moreover, the measurement units are placed on a metrologically certified structural element, made of the same material as the entire structure, and embedded in the diagnostic places of the structure. The structural element is connected to the corresponding converters connected by their outputs to the input of the controller connected to the modem, which is connected via the output line to the control point via a communication line.

В известных технических решениях одними из основных элементов являются блоки измерения и преобразователи, в качестве которых используются датчики деформации, линейных сдвигов, давления, вибраций, температуры, влажности, расхода и т.д. При этом преобразователи основаны на различных физических принципах. Широко известны индуктивные, потенциометрические и тензорезистивные преобразователи.In the known technical solutions, one of the main elements is the measurement units and transducers, which are used as deformation, linear shear, pressure, vibration, temperature, humidity, flow sensors, etc. In this case, the converters are based on various physical principles. Inductive, potentiometric, and strain gauge converters are widely known.

Достоинством индуктивных датчиков и преобразователей являются:The advantage of inductive sensors and converters are:

- точность (0,1%) измерений в большом диапазоне перемещений (±20 мм) в широком диапазоне температур от -55 до +85°C;- accuracy (0.1%) of measurements in a wide range of displacements (± 20 mm) in a wide temperature range from -55 to + 85 ° C;

- разрешающая способность (10-3 мм);- resolution (10 -3 mm);

- высокая линейность (0,1%);- high linearity (0.1%);

- надежность (10-6);- reliability (10 -6 );

- технологичность;- manufacturability;

- практически не зависят от атмосферных условий;- practically independent of atmospheric conditions;

- пригодны к использованию в условиях чрезвычайно агрессивной среды.- suitable for use in extremely aggressive environments.

Основными недостатками являются:The main disadvantages are:

- высокая потребляемая мощность от 100 до 500 Вт;- high power consumption from 100 to 500 W;

- сложность в обработке снимаемых сигналов;- difficulty in processing the recorded signals;

- требуют питания стабильным синусоидальным напряжением.- require a stable sinusoidal voltage supply.

Достоинством потенциометрических датчиков и преобразователей являются:The advantage of potentiometric sensors and transducers are:

- точность измерений (0,5%) в большом диапазоне перемещений, в широком диапазоне температур от -40 до +65°C;- measurement accuracy (0.5%) in a wide range of movements, in a wide temperature range from -40 to + 65 ° C;

- разрешающая способность (10-2 мм);- resolution (10 -2 mm);

- надежность (10-6);- reliability (10 -6 );

- высокая линейность (0,5%);- high linearity (0.5%);

- малая потребляемая мощность от 2 до 10 мВт.- low power consumption from 2 to 10 mW.

Основными недостатками являются:The main disadvantages are:

- малая эффективность в диапазоне перемещений менее ±1 мм;- low efficiency in the range of movements less than ± 1 mm;

- износ потенциометрического элемента;- wear of the potentiometric element;

- высокая цена.- high price.

Достоинством тензометрических датчиков и преобразователей являются:The advantage of strain gauges and transducers are:

- точность измерений (1%) в диапазоне перемещений (±0,2; ±2,0; ±5,0 мм) в широком диапазоне температур от -40 до +65°C;- measurement accuracy (1%) in the range of movement (± 0.2; ± 2.0; ± 5.0 mm) in a wide temperature range from -40 to + 65 ° C;

- разрешающая способность (10-3 мм);- resolution (10 -3 mm);

- малая потребляемая мощность от 1 до 5 мВт, что очень важно для беспроводных систем мониторинга.- low power consumption from 1 to 5 mW, which is very important for wireless monitoring systems.

Основными недостатками являются:The main disadvantages are:

- старение тензочувствительных элементов;- aging of strain-sensitive elements;

- наличие гистерезиса.- the presence of hysteresis.

Следовательно, основными недостатками известных датчиков и преобразователей являются высокое энергопотребление и низкая надежность.Therefore, the main disadvantages of the known sensors and converters are high power consumption and low reliability.

Высокое энергопотребление связано с наличием источников питания (батарей и аккумуляторов) и работой датчиков и преобразователей в непрерывном режиме. Поскольку процесс, например, деформации трубопровода очень медленный и только в экстренных ситуациях требуется непрерывный поток информации, алгоритм работы известных способа и устройства позволяет задавать интервалы опроса блоков измерения от 5 секунд до 1 месяца. В большинстве случаев для мониторинга трубопроводов достаточно 1-2 измерений в сутки.High energy consumption is associated with the presence of power sources (batteries and accumulators) and the operation of sensors and converters in continuous mode. Since the process, for example, pipeline deformation is very slow and only in emergency situations requires a continuous flow of information, the algorithm of the known method and device allows you to set the polling intervals of the measurement units from 5 seconds to 1 month. In most cases, 1-2 measurements per day are enough to monitor pipelines.

Низкая надежность известных блоков измерений и преобразователей связана с надежностью источников питания и с необходимостью их регулярной замены. Как правило, продолжительность работы любого источника питания не превышает нескольких дней.The low reliability of known measurement units and transducers is associated with the reliability of power supplies and the need for their regular replacement. As a rule, the duration of any power source does not exceed several days.

Высокое энергопотребление и низкая надежность блоков измерения и преобразователей снижают эффективность способа и устройства дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений.High energy consumption and low reliability of measurement units and converters reduce the effectiveness of the method and device for remote monitoring and diagnostics of the state of structures and engineering structures.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности способа и устройства дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений путем снижения энергопотребления и повышения надежности блоков измерения и преобразователей.An object of the invention is to increase the efficiency of the method and device for remote monitoring and diagnostics of the state of structures and engineering structures by reducing energy consumption and improving the reliability of measurement units and converters.

Поставленная задача решается тем, что способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции и инженерных сооружений, заключающийся, в соответствии с ближайшим аналогом, в том, что на пункте контроля регистрируют сигналы с блоков измерения, установленных в местах диагностирования конструкции, сравнивают их с заранее зафиксированными значениями и по отклонению поступивших сигналов от заранее зафиксированных судят о наличии изменений контролируемых параметров, при этом изготавливают элемент конструкции из того же материала, что и вся конструкция, размещают на нем блоки измерения, проводят метрологическую аттестацию элемента с размещенными на нем блоками измерения путем установления зависимостей между сигналами с блоков измерения и калиброванными внешними воздействиями, регистрируют эти зависимости на пункте контроля и используют их в качестве заранее зафиксированных сигналов, врезают элемент с установленными на нем блоками измерения в места диагностирования конструкции и по отклонению поступивших сигналов с блоков измерения от заранее зарегистрированных сигналов судят о состоянии конструкции, отличается от ближайшего аналога тем, что блоки измерения и преобразователи выполняют в виде линий задержки на поверхностных акустических волнах, на контроллере последовательно формируют m гармонических колебаний на разных несущих частотах, облучают ими линии задержки, настроенные на m несущие частоты, на каждой линии задержки электромагнитное гармоническое колебание преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн, которая отражает порядковый номер линии задержки и величину контролируемого параметра, сложный сигнал с фазовой манипуляцией излучают в эфир, принимают на контроллере, осуществляют синхронное детектирование, выделяют низкочастотное напряжение, соответствующее порядковому номеру линии задержки и фазовому сдвигу, соответствующему внешнему воздействию, и направляют его в микропроцессор с запоминающим устройством, в котором производят расчет и преобразование поступившей информации.The problem is solved in that the method of remote monitoring and diagnostics of the state of the structure and engineering structures, consisting, in accordance with the closest analogue, in that the control point records signals from the measurement units installed in the places of diagnosis of the structure, compares them with pre-fixed values and judging by the deviation of the received signals from pre-recorded signals about the presence of changes in the controlled parameters, the structural element is made of the same material and, as the whole structure, place measurement units on it, carry out metrological certification of the element with the measurement units placed on it by establishing the dependencies between the signals from the measurement units and calibrated external influences, register these dependencies at the control point and use them as pre-recorded signals , insert the element with the measurement units mounted on it to the places of diagnosis of the structure and the deviation of the received signals from the measurement units from pre-registered of the measured signals is judged on the state of the structure, differs from the closest analogue in that the measurement units and transducers are performed as delay lines on surface acoustic waves, m harmonic oscillations are generated sequentially on the controller at different carrier frequencies, they are irradiated with delay lines tuned to m carrier frequencies , on each delay line, electromagnetic harmonic vibration is converted into an acoustic wave, ensure its propagation over the surface of the piezocrystal and back reflection, pr form a reflected acoustic wave into an electromagnetic signal with phase shift keying, the internal structure of which corresponds to the structure of interdigital transducers of surface acoustic waves, which reflects the serial number of the delay line and the magnitude of the parameter being monitored, a complex signal with phase shift keying is radiated into the air, received on the controller, synchronized detection, emit a low-frequency voltage corresponding to the serial number of the delay line and the phase shift, respectively Enikeev external impact, and is sent to the microprocessor with a memory in which calculate and transform the information received.

Поставленная задача решается тем, что устройство дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, пункт контроля, блоки измерения, размещенные в местах диагностирования конструкции, преобразователи, линию связи, контроллер, при этом блоки измерения размещены на метрологически аттестованном элементе конструкции, изготовленном из того же материала, что и вся конструкция, и врезанном в места диагностирования конструкции, элемент конструкции, с размещенными на нем блоками измерения, соединен с соответствующими преобразователями, связанными своими выходами с входом контроллера, подключенного к модему, который через линию связи своим выходом соединен с пунктом контроля, отличается от ближайшего аналога тем, что контроллер снабжен считывателем, а каждый блок измерения и преобразователь выполнены в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах, причем считыватель содержит последовательно включенные синхронизатор, синтезатор несущих частот, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилитель высокой частоты и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом синтезатора несущих частот, а выход подключен к входу микропроцессора с запоминающим устройством, выход которого соединен с входом модема, каждая линия задержки содержит пьезокристалл, на поверхность которого нанесены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, входной и выходной поглотители, при этом входной встречно-штыревой преобразователь соединен с микрополосковой приемопередающей антенной, а выходной встречно-штыревой преобразователь соединен с согласованной нагрузкой, импеданс которой зависит от внешнего воздействия.The problem is solved in that the device for remote monitoring and diagnostics of the state of structures and engineering structures, containing, in accordance with the closest analogue, a control point, measurement units located in the places of diagnosis of the structure, converters, communication line, controller, while the measurement units are located on metrologically certified structural element, made of the same material as the whole structure, and embedded in the diagnostic places of the structure, structural element, with the measuring units on it, connected to the corresponding transducers, connected by their outputs to the input of the controller connected to the modem, which is connected via the output line to the control point, differs from the closest analogue in that the controller is equipped with a reader, and each measurement unit and converter made in the form of a delay line on surface acoustic waves, and the reader contains sequentially connected synchronizer, carrier frequency synthesizer, duplexer, the input-output of which is connected an antenna with a transceiver antenna, a high-frequency amplifier and a phase detector, the second input of which is connected to the output of the carrier frequency synthesizer, and the output is connected to the input of the microprocessor with a storage device, the output of which is connected to the modem input, each delay line contains a piezocrystal, on whose surface an input and output interdigital transducers, input and output absorbers, wherein the input interdigital transducer is connected to a microstrip transceiver antenna, and the output the interdigital transducer connected to a matched load, the impedance of which depends on external influences.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений, представлена на фиг.1. Структурная схема контроллера 20 изображена на фиг.2. Функциональные схемы блоков измерения и преобразователей на основе линий задержки показаны на фиг.3.The structural diagram of a device that implements the proposed method for remote monitoring and diagnostics of the state of structures and engineering structures is presented in figure 1. The block diagram of the controller 20 is shown in figure 2. Functional diagrams of measurement units and converters based on delay lines are shown in FIG.

Устройство состоит из элемента 1 конструкции, изготовленного из того же материала, что и контролируемый участок конструкции, на котором расположены блоки измерения:The device consists of a structural element 1 made of the same material as the controlled section of the structure on which the measurement units are located:

- деформации 2, механического напряжения 3, вибрации 4, давления 5, расхода 6, температуры 7 транспортируемого продукта, температуры 8 грунта, электрического тока 9, электрического потенциала 10 с электродом сравнения.- deformation 2, mechanical stress 3, vibration 4, pressure 5, flow 6, temperature 7 of the transported product, temperature 8 of the soil, electric current 9, electric potential 10 with a reference electrode.

Выходы блоков 2-9 и 10 измерения соединены с входами соответствующих преобразователей 11-19, выходы которых, в свою очередь, соединены с входом контроллера 20. Выход контроллера 20 подключен к модему 21, который своим выходом соединен через линию связи 22 с входом удаленного пункта 23 контроля.The outputs of measurement units 2–9 and 10 are connected to the inputs of the corresponding transducers 11–19, the outputs of which, in turn, are connected to the input of the controller 20. The output of the controller 20 is connected to a modem 21, which is connected via a communication line 22 to the input of a remote point 23 controls.

Контроллер 20 содержит последовательно включенные синхронизатор 24, синтезатор 25 несущих частот, дуплексер 26, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 27, усилитель 28 высокой частоты, фазовый детектор 29, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 25 несущих частоты, и микропроцессор 30 с запоминающим устройством, выход которого подключен к входу модема 21. Все блоки, кроме микропроцессора 30 с запоминающим устройством, образуют считыватель.The controller 20 comprises serially connected synchronizer 24, a carrier frequency synthesizer 25, a duplexer 26, the input-output of which is connected to the transceiver antenna 27, a high-frequency amplifier 28, a phase detector 29, the second input of which is connected to the output of the carrier frequency synthesizer 25, and a microprocessor 30 s a storage device, the output of which is connected to the input of the modem 21. All blocks, except for the microprocessor 30 with a storage device, form a reader.

Каждый блок измерения и преобразователь выполнен в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и содержит пьезокристалл 31.j, на поверхности которого нанесены входной 33.j и выходной 34.j встречно-штыревые преобразователи (ВШП), входной 35.j и выходной 36.j поглотители. При этом входной ВШП 33.j соединен с микрополосковой приемопередающей антенной 32.j, а выходной ВШП 34.j соединен с согласованной нагрузкой 37.j, импеданс которой зависит от внешнего воздействия (деформации, механического напряжения, вибрации, давления, расхода, температуры, электрического тока) (j=1, 2, …, m).Each measurement unit and transducer is made in the form of a surface acoustic wave (SAW) delay line and contains a piezocrystal 31.j, on the surface of which are input 33.j and output 34.j interdigital transducers (IDT), input 35.j and output 36.j absorbers. At the same time, the input IDT 33.j is connected to the microstrip transceiver antenna 32.j, and the output IDT 34.j is connected to the matched load 37.j, the impedance of which depends on the external influence (deformation, mechanical stress, vibration, pressure, flow, temperature, electric current) (j = 1, 2, ..., m).

Предлагаемый способ осуществляется описанным устройством следующим образом (на примере трубопровода).The proposed method is carried out by the described device as follows (for example, a pipeline).

В процессе эксплуатации трубопровода происходит изменение его технологических параметров, обусловленное старением и дефектами конструкции. Поскольку процесс деформации трубопровода очень медленный и только в экстренных ситуациях требуется непрерывный поток информации, алгоритм работы устройства позволяет задавать интервалы опроса блоков измерения от десятков секунд до 1 месяца. В большинстве случаев для мониторинга трубопровода достаточно 1-2 измерений в сутки. При этом в качестве блоков измерений и преобразователей используются линии задержки на ПАВ, основной особенностью которых являются малые габариты и отсутствие источников питания (батарей, аккумуляторов). Каждая линия задержки настроена на определенную частоту, которая зависит от количества электродов ВШП и расстояния между ними.During operation of the pipeline, its technological parameters change due to aging and structural defects. Since the process of pipeline deformation is very slow and only in emergency situations a continuous flow of information is required, the algorithm of the device allows you to set the polling intervals of measurement units from tens of seconds to 1 month. In most cases, 1-2 measurements per day are enough to monitor the pipeline. At the same time, delay lines for surfactants are used as measurement units and converters, the main feature of which are small dimensions and the absence of power sources (batteries, accumulators). Each delay line is tuned to a specific frequency, which depends on the number of IDT electrodes and the distance between them.

Кодированный командный сигнал с кодом, соответствующим заданному измерительному трубопроводному патрубку, подается с удаленного пункта 23 контроля по линии 22 связи через модем 21 на контроллер 20 и переводит его из ждущего режима в режим измерения. При этом синхронизатор 24 включает синтезатор 25 несущих частот, который последовательно формирует гармонические колебания:An encoded command signal with a code corresponding to a given measuring pipe, is supplied from a remote control point 23 via a communication line 22 through a modem 21 to the controller 20 and switches it from standby to measurement mode. In this case, the synchronizer 24 includes a synthesizer 25 carrier frequencies, which sequentially generates harmonic oscillations:

u1(t)=U1·Cos(w1t+φ1),u 1 (t) = U 1 Cos (w 1 t + φ 1 ),

u2(t)=U2·Cos(w2t+φ2),u 2 (t) = U 2 Cos (w 2 t + φ 2 ),

……………………………………………………………………………………………………

uj(t)=Uj·Cos(wjt+φj),u j (t) = U j Cos (w j t + φ j ),

……………………………………………………………………………………………………

um(t)=Um·Cos(wmt+φm), 0≤t≤T,u m (t) = U m Cos (w m t + φ m ), 0≤t≤T,

которые через дуплексер 26 последовательно во времени поступают в приемопередающую антенну 23 и излучаются ею в эфир, обеспечивая облучение соответствующих линий задержки на ПАВ.which through the duplexer 26 sequentially in time enter the transceiver antenna 23 and are radiated by it, providing irradiation of the corresponding delay lines to the SAW.

Энергия высокочастотного электромагнитного колебания, принимаемого микрополосковой приемопередающей антенной 32.j, поступает на электроды входного ВШП 33.j, вызывая механическое гармоническое колебание в пьезоэлектрической подложке линии задержки за счет явления обратного пьезоэффекта. Механические колебания порождают поверхностную акустическую волну (ПАВ), которая распространяется как в направлении выходного ВШП 34.j, так и в направлении входного поглотителя 35.j. Механические колебания приводят к изменению разности потенциалов между электродами ВШП 34.j (явление прямого пьезоэффекта), что вызывает появление высокочастотного тока, протекающего через цепь нагрузки 37.j. Отраженная от ВШП 34.j в сторону выходного поглотителя 36.j и в сторону ВШП 33.j ПАВ, ослабленная по амплитуде за счет вносимых звукопроводом линии задержки потерь, приводит к изменению разности потенциалов между электродами ВШП 33.j, вызывая в нагрузке (микрополосковой приемопередающей антенне 32.j) высокочастотный ток (j=1, 2, …, m). Антенна 32.j излучает сложные ФМн-сигналы:The energy of the high-frequency electromagnetic oscillation received by the microstrip transceiver antenna 32.j is supplied to the electrodes of the input IDT 33.j, causing mechanical harmonic oscillation in the piezoelectric delay line substrate due to the inverse piezoelectric effect. Mechanical vibrations generate a surface acoustic wave (SAW), which propagates both in the direction of the output IDT 34.j and in the direction of the input absorber 35.j. Mechanical vibrations lead to a change in the potential difference between the IDT 34.j electrodes (the phenomenon of direct piezoelectric effect), which causes the appearance of a high-frequency current flowing through the load circuit 37.j. Reflected from the IDT 34.j towards the output absorber 36.j and the IDT 33.j, the SAW, weakened in amplitude due to the loss delay line introduced by the sound pipe, leads to a change in the potential difference between the IDT electrodes 33.j, causing a load (microstrip transceiver antenna 32.j) high-frequency current (j = 1, 2, ..., m). Antenna 32.j emits complex PSK signals:

uc1(t)=Uc1·Cos[w1t+φк1(t)+φ1+Δφ1],u c1 (t) = U c1 · Cos [w 1 t + φ к1 (t) + φ 1 + Δφ 1 ],

uc2(t)=Uc2·Cos[w2t+φк2(t)+φ2+Δφ2],u c2 (t) = U c2 · Cos [w 2 t + φ к2 (t) + φ 2 + Δφ 2 ],

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

ucj(t)=Ucj·Cos[wjt+φкj(t)+φj+Δφj],u cj (t) = U cj · Cos [w j t + φ кj (t) + φ j + Δφ j ],

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

ucm(t)=Ucm·Cos[wmt+φкm(t)+φm+Δφm], 0≤t≤T,u cm (t) = U cm · Cos [w m t + φ кm (t) + φ m + Δφ m ], 0≤t≤T,

где φкj(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с внутренней структурой ВШП, отражающей порядковый номер j линии задержки;where φ кj (t) = {0, π} is the manipulated component of the phase, which displays the law of phase manipulation in accordance with the internal structure of the IDT, which reflects the serial number j of the delay line;

Δφj - фазовый сдвиг, соответствующий внешним воздействиям (деформации, механическое напряжение, вибрации, давление и т.п), под влиянием которых изменяется импеданс нагрузки 37.j и коэффициент отражения.Δφ j is the phase shift corresponding to external influences (deformations, mechanical stress, vibrations, pressure, etc.), under the influence of which the load impedance 37.j and the reflection coefficient change.

Поглотители 35.j и 36.j обеспечивают режим бегущих акустических волн.Absorbers 35.j and 36.j provide a regime of traveling acoustic waves.

Сложные ФМн-сигналы ucj(t) (j=1, 2, …, m) последовательно принимаются приемопередающей антенной 27 контроллера 20 и через дуплексер 26 и усилитель 28 высокой частоты поступают на первый вход фазового детектора 29, на второй вход которого подаются гармонические колебания uj(t) с выхода синтезатора 25 несущих частот в качестве опорных напряжений. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 29 последовательно выделяются низкочастотные напряженияComplex QPSK signals u cj (t) (j = 1, 2, ..., m) are sequentially received by the transceiver antenna 27 of the controller 20 and fed through the duplexer 26 and the high-frequency amplifier 28 to the first input of the phase detector 29, to the second input of which harmonic oscillations u j (t) from the output of the synthesizer 25 carrier frequencies as reference voltages. As a result of synchronous detection at the output of the phase detector 29, low-frequency voltages are sequentially released

Uнj(t)=Uнj·Cos[φкj(t)+Δφj],U нj (t) = U нj · Cos [φ кj (t) + Δφ j ],

где

Figure 00000001
;Where
Figure 00000001
;

пропорциональные порядковому номеру линии задержки и контролируемому параметру (деформации, механическому напряжению, вибрации, давлению и т.п).proportional to the serial number of the delay line and the controlled parameter (deformation, mechanical stress, vibration, pressure, etc.).

Опрос и контроль линий задержки, характеризующих расход, температуру транспортируемого продукта, температуру грунта, величину электрического тока и электрического потенциала производится аналогичным образом. Низкочастотные напряжения с выхода фазового детектора 29 последовательно поступают в микропроцессор 30 с запоминающим устройством, который производит расчет и преобразование фазовых сдвигов Δφi в цифровой вид. Результат вычислений последовательно подается на модем 21 и через линию 22 связи на удаленный пункт 23 контроля, где этот результат сравнивается с данными, полученными при метрологической аттестации, и проводится анализ технического состояния трубопровода.Interrogation and control of delay lines characterizing the flow rate, temperature of the transported product, soil temperature, electric current and electric potential are carried out in a similar way. The low-frequency voltages from the output of the phase detector 29 are sequentially supplied to the microprocessor 30 with a storage device that calculates and converts the phase shifts Δφ i into a digital form. The calculation result is sequentially fed to the modem 21 and through the communication line 22 to the remote control point 23, where this result is compared with the data obtained during metrological certification, and the technical condition of the pipeline is analyzed.

При метрологической аттестации устройства определение статических характеристик линий задержки и всего устройства в целом проводится по ГОСТ 8.508-84, по которому статические характеристики определяются с заданными уровнями точности и достоверности в виде полиномов от задаваемых внешних воздействий.During metrological certification of the device, the determination of the static characteristics of the delay lines and the entire device as a whole is carried out according to GOST 8.508-84, according to which the static characteristics are determined with the given levels of accuracy and reliability in the form of polynomials from the given external influences.

Метрологическая аттестация патрубка осуществляется до его врезки в трубопровод.Metrological certification of the pipe is carried out before its insertion into the pipeline.

Патрубок с установленными на нем датчиками, который после аттестации становится многоканальным измерительным устройством, устанавливают на потенциально-опасном участке трубопровода, предварительно определенном проектом, и регистрируют поступающие сигналы, которые сравнивают с начальными, полученными при аттестации, и по статическим характеристикам, установив отклонение, оценивают состояние эксплуатационных характеристик участка трубопровода.A pipe with sensors installed on it, which after certification becomes a multichannel measuring device, is installed on a potentially hazardous section of the pipeline, previously determined by the project, and incoming signals are recorded, which are compared with the initial ones obtained during certification, and they determine the deviation by the static characteristics, evaluate state of the operational characteristics of the pipeline section.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами, другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение эффективности дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции и инженерных сооружений, например потенциально-опасных участков трубопроводов, в течение всего периода их эксплуатации. Это достигается за счет снижения энергопотребления и повышения надежности датчиков, которые являются одним из основных элементов устройства, реализующего предлагаемый способ.Thus, the proposed method and device in comparison with prototypes and other technical solutions of a similar purpose provide an increase in the effectiveness of remote monitoring and diagnostics of the state of the structure and engineering structures, for example, potentially dangerous sections of pipelines, during the entire period of their operation. This is achieved by reducing energy consumption and improving the reliability of sensors, which are one of the main elements of the device that implements the proposed method.

Основной особенностью датчиков в виде линий задержки на ПАВ являются малые габариты и отсутствие источников питания (батарей, аккумуляторов).The main feature of the sensors in the form of delay lines for surfactants is the small size and lack of power sources (batteries, accumulators).

Claims (2)

1. Способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений, заключающийся в том, что на пункте контроля регистрируют сигналы с блоков измерения, установленных в местах диагностирования конструкции, сравнивают их с заранее зафиксированными значениями и по отклонению поступивших сигналов от заранее зафиксированных судят о наличии изменений контролируемых параметров, при этом изготавливают элемент конструкции из того же материала, что и вся конструкция, размещают на нем блоки измерения, проводят метрологическую аттестацию элемента с размещенными на нем блоками измерения путем установления зависимостей между сигналами с блоков измерения и калиброванными внешними воздействиями, регистрируют эти зависимости на пункте контроля и используют их в качестве заранее зафиксированных сигналов, врезают элемент с установленными на нем блоками измерения в места диагностирования конструкции и по отклонению поступивших сигналов с блоков измерения от заранее зарегистрированных сигналов судят о состоянии конструкции, отличающийся тем, что блоки измерения и преобразователи выполняют в виде линий задержки на поверхностных акустических волнах, на контроллере последовательно формируют m гармонических колебаний на разных несущих частотах, облучают ими линии задержки, настроенные на m несущие частоты, на каждой линии задержки электромагнитное гармоническое колебание преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн, которая отражает порядковый номер линии задержки и величину контролируемого параметра, сложный сигнал с фазовой манипуляцией излучают в эфир, принимают на контроллере, осуществляют синхронное детектирование, выделяют низкочастотное напряжение, соответствующее порядковому номеру линии задержки и фазовому сдвигу, соответствующему внешнему воздействию, и направляют его в микропроцессор с запоминающим устройством, в котором производят расчет и преобразование поступившей информации.1. The method of remote monitoring and diagnostics of the state of structures and engineering structures, which consists in the fact that the control point records signals from the measurement units installed in the places of diagnosis of the structure, compares them with pre-recorded values and judges the presence of received signals from pre-recorded ones changes in the controlled parameters, while making a structural element from the same material as the whole structure, place measurement blocks on it, conduct the metro Logical certification of the element with the measurement units placed on it by establishing dependencies between the signals from the measurement units and calibrated external influences, register these dependencies at the control point and use them as pre-recorded signals, insert the element with the measurement units installed on it into the diagnostic places of the structure and the deviation of the received signals from the measurement units from pre-registered signals is judged on the state of the structure, characterized in that the unit measurements and transducers are performed in the form of delay lines on surface acoustic waves, m harmonic oscillations at different carrier frequencies are sequentially generated on the controller, they are irradiated with delay lines tuned to m carrier frequencies, electromagnetic harmonic oscillation is converted into an acoustic wave on each delay line, provide it propagation along the surface of the piezocrystal and back reflection, convert the reflected acoustic wave into an electromagnetic signal with phase shift keying, extra the directional structure of which corresponds to the structure of the interdigital transducers of surface acoustic waves, which reflects the serial number of the delay line and the magnitude of the controlled parameter, the complex signal with phase shift keying is radiated into the air, received on the controller, synchronously detected, the low-frequency voltage corresponding to the serial number of the delay line is isolated and a phase shift corresponding to external influence, and direct it to the microprocessor with a storage device, in which the calculation and conversion of the information received. 2. Устройство дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений, содержащее пункт контроля, блоки измерения, размещенные в местах диагностирования конструкции, преобразователи, линию связи, контроллер, при этом блоки измерения размещены на метрологически аттестованном элементе конструкции, изготовленном из того же материала, что и вся конструкция, и врезанном в места диагностирования конструкции, элемент конструкции с размещенными на нем блоками измерения, соединен с соответствующими преобразователями, связанными своими выходами с входом контроллера, подключенного к модему, который через линию связи своим выходом соединен с пунктом контроля, отличающееся тем, что контроллер снабжен считывателем, а каждый блок измерения и преобразователь выполнены в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах, причем считыватель содержит последовательно включенные синхронизатор, синтезатор несущих частот, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилитель высокой частоты и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом синтезатора несущих частот, а выход подключен к входу микропроцессора с запоминающим устройством, выход которого соединен с входом модема, каждая линия задержки содержит пьезокристалл, на поверхность которого нанесены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, входной и выходной поглотители, при этом входной встречно-штыревой преобразователь соединен с микрополосковой приемопередающей антенной, а выходной встречно-штыревой преобразователь соединен с согласованной нагрузкой, импеданс которой зависит от внешнего воздействия. 2. A device for remote monitoring and diagnostics of the state of structures and engineering structures, containing a control point, measuring units located in the places of structural diagnosis, transducers, a communication line, a controller, while the measuring units are placed on a metrologically certified structural element made of the same material, as the whole structure, and embedded in the places of diagnosis of the structure, the structural element with the measurement units placed on it is connected to the corresponding transducer connected by their outputs to the input of the controller connected to the modem, which is connected through the output line to the control point, characterized in that the controller is equipped with a reader, and each measurement unit and converter are made in the form of a delay line on surface acoustic waves, moreover, the reader contains a synchronizer, a carrier frequency synthesizer, a duplexer, the input-output of which is connected to a transceiver antenna, a high-frequency amplifier and a phase detector, a second input It is connected to the output of the carrier frequency synthesizer, and the output is connected to the input of the microprocessor with a storage device, the output of which is connected to the modem input, each delay line contains a piezocrystal, on the surface of which are input and output interdigital transducers, input and output absorbers, while the input interdigital converter is connected to a microstrip transceiver antenna, and the output interdigital converter is connected to a matched load, the impedance of which depends sieve from external influences.
RU2011138428/28A 2011-09-19 2011-09-19 Method for remote control and diagnosis of state of structures and engineering structures and device for realising said method RU2471161C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011138428/28A RU2471161C1 (en) 2011-09-19 2011-09-19 Method for remote control and diagnosis of state of structures and engineering structures and device for realising said method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011138428/28A RU2471161C1 (en) 2011-09-19 2011-09-19 Method for remote control and diagnosis of state of structures and engineering structures and device for realising said method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2471161C1 true RU2471161C1 (en) 2012-12-27

Family

ID=49257548

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011138428/28A RU2471161C1 (en) 2011-09-19 2011-09-19 Method for remote control and diagnosis of state of structures and engineering structures and device for realising said method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2471161C1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2527321C1 (en) * 2013-04-18 2014-08-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизическая служба Сибирского отделения Российской академии наук Configuration of vibration control system protection against misoperations and complex to this end
RU2626391C1 (en) * 2016-08-30 2017-07-26 Акционерное общество "Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения" (АО "ИркутскНИИхиммаш") Method for monitoring technical state of high threat objects
RU2636789C1 (en) * 2016-10-19 2017-11-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "КнАГТУ") Device for examination of construction state
RU2645903C1 (en) * 2016-11-08 2018-02-28 Публичное акционерное общество "Федеральная гидрогенерирующая компания - РусГидро" Method of control of the stress and strain state of structural components of massive concrete structures during long-term usage
RU2673367C2 (en) * 2014-04-18 2018-11-26 Эни С.П.А. Method and system for continuous remote control of deformations in pipelines under pressure
RU2685578C1 (en) * 2018-07-19 2019-04-22 Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева" Министерства обороны Российской Федерации Method for remote monitoring and diagnostics of condition of structures and engineering structures and device for its implementation
RU2728246C1 (en) * 2019-10-08 2020-07-28 Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева" Министерства обороны Российской Федерации Method of monitoring condition of buildings and structures and device for implementation thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU901828A1 (en) * 1980-01-23 1982-01-30 Государственный научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения Single-channel ultrasonic flowmeter
JPH022924A (en) * 1988-06-14 1990-01-08 Kawasaki Steel Corp Ultrasonic wave flaw detecting apparatus for seam welded pipe
RU2247958C2 (en) * 2003-03-28 2005-03-10 Дочернее открытое акционерное общество ДАО "Оргэнергогаз" Method and device for remote testing of structures
RU2291345C1 (en) * 2005-05-11 2007-01-10 Федеральное Государственное Учреждение "Самарский ЦСМ" Apparatus for determining location and time of occurring leakage in main pipelines
US20090043530A1 (en) * 2007-08-06 2009-02-12 Sittler Fred C Process variable transmitter with acceleration sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU901828A1 (en) * 1980-01-23 1982-01-30 Государственный научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения Single-channel ultrasonic flowmeter
JPH022924A (en) * 1988-06-14 1990-01-08 Kawasaki Steel Corp Ultrasonic wave flaw detecting apparatus for seam welded pipe
RU2247958C2 (en) * 2003-03-28 2005-03-10 Дочернее открытое акционерное общество ДАО "Оргэнергогаз" Method and device for remote testing of structures
RU2291345C1 (en) * 2005-05-11 2007-01-10 Федеральное Государственное Учреждение "Самарский ЦСМ" Apparatus for determining location and time of occurring leakage in main pipelines
US20090043530A1 (en) * 2007-08-06 2009-02-12 Sittler Fred C Process variable transmitter with acceleration sensor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Методы акустического контроля металлов/ Под ред. Н.П.Алешина. - М: Машиностроение, 1989, с.157. *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2527321C1 (en) * 2013-04-18 2014-08-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизическая служба Сибирского отделения Российской академии наук Configuration of vibration control system protection against misoperations and complex to this end
RU2673367C2 (en) * 2014-04-18 2018-11-26 Эни С.П.А. Method and system for continuous remote control of deformations in pipelines under pressure
RU2626391C1 (en) * 2016-08-30 2017-07-26 Акционерное общество "Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения" (АО "ИркутскНИИхиммаш") Method for monitoring technical state of high threat objects
RU2636789C1 (en) * 2016-10-19 2017-11-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "КнАГТУ") Device for examination of construction state
RU2645903C1 (en) * 2016-11-08 2018-02-28 Публичное акционерное общество "Федеральная гидрогенерирующая компания - РусГидро" Method of control of the stress and strain state of structural components of massive concrete structures during long-term usage
RU2685578C1 (en) * 2018-07-19 2019-04-22 Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева" Министерства обороны Российской Федерации Method for remote monitoring and diagnostics of condition of structures and engineering structures and device for its implementation
RU2728246C1 (en) * 2019-10-08 2020-07-28 Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева" Министерства обороны Российской Федерации Method of monitoring condition of buildings and structures and device for implementation thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2471161C1 (en) Method for remote control and diagnosis of state of structures and engineering structures and device for realising said method
Yuan et al. Percussion-based bolt looseness monitoring using intrinsic multiscale entropy analysis and BP neural network
Ng et al. A Lamb-wave-based technique for damage detection in composite laminates
Ren et al. Relationship between second-and third-order acoustic nonlinear parameters in relative measurement
RU2015113235A (en) Method and system for continuous remote control of deformations in a pressurized pipeline
CN111781276A (en) Steel rail ultrasonic guided wave defect identification and positioning method and device based on fractal dimension
Giurgiutiu et al. Omnidirectional piezo-optical ring sensor for enhanced guided wave structural health monitoring
Stepinski Novel instrument for inspecting rock bolt integrity using ultrasonic guided waves
CN105044216A (en) Transmissive guided wave detection novel method for non-metal pipeline damage
RU2685578C1 (en) Method for remote monitoring and diagnostics of condition of structures and engineering structures and device for its implementation
US20140028328A1 (en) Method And Device for Measuring Corrosion Metal Loss
Best et al. Modelling harmonic generation measurements in solids
KR102157903B1 (en) System and method for warning of fatigue crack failure based on nonlinear ultrasonic modulation, and system and method for estimating residual life of structure using the same
Soh et al. Electro-mechanical impedance technique
US11604127B2 (en) Methods for detecting pipeline weakening
Sreedharan et al. Temperature-compensated surface acoustic wave internal pressure sensor for nondestructive structural inspection of spent fuel canisters
Hu et al. Enhanced sensitivity of wireless and passive SAW-based strain sensor with a differential structure
KR102256047B1 (en) Strength signal measuring method and strength signal measuring device for monitoring strength of hydration reaction materials
KR101391140B1 (en) Ultrasonic probe for measuring nonlinear parameter, apparatus for measuring nonlinear parameter for comprising the same
CN104458913A (en) Nonlinear guide wave evaluation method and nonlinear guide wave evaluation device of material performance degradation
CN110658261A (en) Structural health monitoring frequency selection method based on ultrasonic guided waves
RU2345344C1 (en) Method of control and diagnostics of pipeline state and device for its realisation
Ou et al. Identification of de-bonding between steel bars and concrete using wavelet techniques: Comparative study
Maurya et al. Design analysis of wireless pressure measurement by integrating surface acoustic wave sensor with bourdon tube
Amjad et al. Determination of the stress dependence of the velocity of Lamb waves in aluminum plates

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170920

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20180809