CZ36945U1 - Kombinovaný senzor pro monitoring předpětí tažených ocelových prvků - Google Patents

Description

Kombinovaný senzor pro monitoring předpětí tažených ocelových prvků

Oblast techniky

Technické řešení se týká nového bezdrátového senzoru využitelného jak pro krátkodobý, tak pro dlouhodobý monitoring ocelových konstrukcí. Senzor umožňuje sledovat mechanické chování ocelových konstrukcí v průběhu výstavby i během jejich životnosti. Konfigurace senzoru je zaměřena jak na krátkodobá dynamická měření umožňující přenos velkého množství dat, tak na dlouhodobý monitoring kontrolující stav konstrukce s nižší měřicí frekvencí, která je dostačující pro monitorování statického chování konstrukce.

Dosavadní stav techniky

V současné době existuje na trhu několik řešení příložných senzorů pro monitorování poměrného přetvoření tažených ocelových prvků. Většina těchto řešení vyžaduje pro správné ukotvení snímače nevhodný zásah do ocelové konstrukce, např. vytvoření otvorů, přivaření kotevních spojovacích prostředků na monitorované ocelové prvky a podobně.

Například senzory s otvory pro uchycení 2-Hole Bolt-On Strain Gauge Sensor vyráběný firmou Datum Electronics a zahrnutý v dokumentu US 2019/0265016 A1, který má jádro senzoru z jednoho kusu a k němu připevněn tenzometrický můstek. Dále ST350 Strain Transducer od firmy BDI, jehož základem jsou 4 aktivní tenzometry nebo Strain Transducers and Strain Sensors od firmy HBM. Všechny tyto komerčně dostupné senzory mají na svém těle otvory pro šroubové uchycení k měřeným předmětům.

Další řešení umožňují přichycení snímačů k monitorovanému prvku pomocí magnetů. Jako ukázka mohou posloužit komerčně dostupné senzory QE1008-W od firmy Gefran nebo Magnet holder the strain gauge od firmy Octogon.

Další možnosti magneticky fixovaných senzorů jsou pak popsány v patentech CZ 303678 B6 Samopřídržný příložný strunový tenzometr pro experimentální aplikace na stavebních konstrukcích a CZ 302834 B6 Univerzální příložný strunový tenzometr. Tyto však využívají zcela jiný princip měření mechanického napětí.

Výše zmiňované snímače jsou však velké a těžké a znemožňují přesné měření dynamických vlastností monitorovaných ocelových prvků.

V současné době existuje na trhu několik podobných bezdrátových řešení pro měření stavu ocelových konstrukcí pomocí tenzometrů a akcelerometrů. Vždy se jedná o samostatné senzory, buď tenzometry nebo akcelerometry, které neumožňují sledovat jak statické, tak i dynamické vlastnosti kontrolované konstrukce. Současná řešení využívají pro datové přenosy vysokofrekvenční pásma s omezeným dosahem řádově stovky metrů s využitím koncentrátorů, které zasílají data do cloudového úložiště.

Bezkontaktní měření sil a napětí v předpjatých ocelových konstrukcích umožňuje systém DYNAMAG používaný společností INSET s.r.o. Metoda využívá magnetoelastický jev. Při změně mechanického napětí ve feromagnetických materiálech dochází ke změně magnetoelastických vlastností. DYNAMAG provádí impulsní magnetizaci materiálu a zjišťuje následnou změnu relativní permeability, která odpovídá příslušné změně mechanického napětí. Pokud se metoda nezkalibruje na uvolněném prvku bez napětí, lze jen velmi obtížně určit skutečnou napjatost v prvku. Podobnou metodu používá pro diagnostiku ocelových konstrukcí i společnost PREDITEST s.r.o. Metoda MMM, Metal Magnetic Memory, je založena na měření a analýze rozložení zbytkových magnetických polí v kovových materiálech zachycující technologickou

- 1 CZ 36945 U1 historii materiálu. Pomocí této metody nelze určit aktuální napětí v prvku, ale maximálně lze identifikovat případnou anomálii ve struktuře. Další nevýhodou této metody je fakt, že pokud se poškození odehraje na zakryté části ocelové konstrukce, není možné odfiltrovat rušení signálem z nepoškozených částí ocelové konstrukce.

Pokud se jedná o zahraničí, jsou známá dále uvedená řešení.

Wireless Strain Gauge Transmitter od firmy Sensor Technology - Bezdrátová jednotka pro použití s tenzometrickým senzorem využívající pásma 2,4 GHz. Dosah cca 100 m.

Rychlost vzorkování 10x za sekundu. Bateriově napájená s možností dobíjení a výdrží až 50 hodin.

G-Link-200 od firmy LORD Microstrain Sensing - Bateriově napájený bezdrátový tříosý akcelerometr. Pro komunikaci využívá síť LORD ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz. Teoretický maximální dosah je až 2 km při komunikační rychlosti 250 kbps.

SG-Link-200 - Bezdrátová jednotka od stejného výrobce jako předchozí. Jedná se o tříkanálový tenzometrický senzor. Komunikační schopnosti viz výše.

T24-SA od firmy Mantracourt - Vysílací jednotka pro tenzometrické senzory využívající pásmo 2,4 GHz. Dosah komunikace až 800 m s externí anténou. Jednotka je vhodná pro zabudování do složitějšího celku. Pro přenos dat využívá radiové sítě krátkého dosahu dle standardu IEEE 802.15.4.

Wireless Strain SenSpot Sensor od firmy Resesys - Bezdrátová jednotka s tenzometrickým senzorem pro krátkodobý i dlouhodobý monitoring konstrukce. Minimální výdrž baterie 10 let. Dosah 1 km. Vzorkovací frekvence může být nastavena mezi 10 ms a 200 ms. Pro přenos dat využívá radiové sítě krátkého dosahu dle standardu IEEE 802.15.4.

Wireless Vibration/Acceleration SenSpot Sensor od stejné firmy - Bezdrátová jednotka s možností monitoringu jednoosé nebo tříosé akcelerace. Minimální výdrž baterie 10 let. Dosah 1 km. Pro přenos dat využívá radiové sítě krátkého dosahu dle standardu IEEE 802.15.4.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje kombinovaný senzor pro monitoring předpětí tažených ocelových prvků podle předkládaného řešení. Tento kombinovaný senzor obsahuje tenzometrický můstek, jehož měřicí tenzometry jsou upevněny na jádře vytvořeném z jednoho kusu materiálu. Konce jádra sloužící pro uchycení k monitorované konstrukci jsou propojeny propojovací částí. Součástí je elektronická část obsahující blok napájení propojený s výstupem bloku nabíjení, obvod proudového buzení a mikrokontrolér propojený s transceiverem a opatřený pamětí. Podstatou nového řešení je, že konce jádra ve tvaru kvádru a jsou opatřeny z horní strany ve středové ose zářezy pro vložení stahovacího prvku pro přitlačení konců k monitorované konstrukci. Ze spodní strany jsou v koncích jádra, symetricky vzhledem k podélné i příčné ose jádra a mimo zářez, vytvořeny kolmo na tuto podélnou osu jádra výstupky pro lepší soudržnost s ocelovou konstrukcí. Tyto výstupky mají příčný průřez ve tvaru trojúhelníka s vrcholovými s ostrými hranami. Spodní části konců s výstupky mají plochy skloněny směrem k podélné ose kovového jádra. Úhel sklonu je odvozen v závislosti na tvaru monitorované konstrukce v místě pro uchycení jádra senzoru. Tyto konce jsou navzájem spojeny dvěma propojovacími částmi symetrickými podle středu os jádra, jejichž středová část vedená ve směru podélné osy jádra je z vnější strany v příčné ose symetrie opatřena proti sobě ležícími měřicími fóliovými tenzometry. Měřicí fóliové tenzometry mající osu rovnoběžnou s podélnou osou jádra a jsou doplněny dvěma kompenzačními fóliovými tenzometry umístěnými svou osou kolmo na osu měřicích fóliových tenzometrů nebo dvěma pasivními odpory na tenzometrický můstek. Tyto středové části přecházejí na obou koncích tvarově v dvakrát

- 2 CZ 36945 U1 lomenou křivku, jejíž průřezový profil je větší než průřezový profil středové části. Velikost průřezového profilu je závislá na použitém materiálu a rozměrech jádra. Propojovací části jsou svými konci zaústěny do konců symetricky vzhledem k podélné ose jádra. Výstup tenzometrického můstku je v elektronické části připojen přes A/D převodník k mikrokontroléru pro zpracování dat a jejich následnou analýzu. K mikrokontroléru je zároveň připojen výstup alespoň jednoho akcelerometru a dále výstup číslicového senzoru teploty a/nebo přes A/D převodník výstup odporového senzoru teploty.

Výhodou nového řešení je, že spojuje dvě měřicí metody sledování jak statických, tak i dynamických vlastností kontrolované konstrukce. Při aplikaci nového senzoru odpadá nutnost kabeláže, úpravy povrchu zkoumané konstrukce či lepení samotného senzoru.

Výhodou nového řešení je také využití komunikačních standardů umožňujících přenos dat na větší vzdálenosti, desítky km, bez nutnosti vybudování vlastní infrastruktury se zachováním dlouhodobé výdrže napájení z baterií. Dalším významným rozdílem je způsob uchycení vlastního senzoru na měřený objekt. Oproti předchozím řešením je rozdíl, že se na monitorovanou konstrukci nemusí přivařit žádné dodatečné kotevní šrouby nebo vytvářet v této konstrukci otvory pro uchycení senzoru. Nalepení tenzometrů na konstrukci zbavenou nátěru se provádí při přímém použití fóliového tenzometru na konstrukci.

Objasnění výkresů

Nové řešení senzoru pro monitoring ocelových konstrukcí bude dále blíže popsáno pomocí přiložených výkresů. Obr. 1A představuje horní pohled, Obr. 1B přední pohled a Obr. 1C boční pohled na kovové jádro snímače s nalepenými tenzometry. Na obr. 1D je detail středové části senzoru s možným řešením s kompenzačními tenzometry pro teplotní kompenzaci. Na Obr. 2 je detailněji rozkreslena elektrická část senzoru zahrnující jak jednotlivé senzory, tak vyhodnocovací a komunikační část. Obr. 3 zachycuje kompletní řešení, tedy propojení mechanické a elektrické části senzorického systému.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad řešení senzoru bude dále popsán pomocí přiložených výkresů. Na Obr. 1 je znázorněno kovové jádro 1 senzoru. Jádro 1 je strojně vyfrézováno z jediného kusu a je tvořeno dvěma konci 2 ve tvaru kvádru pro uchycení senzoru k monitorované konstrukci 22. Tyto konce jsou opatřeny zářezy 3 pro vložení například stahovací objímky 21 nebo přítlačné svěrky pro přitlačení konců 2 k monitorované konstrukci 22. Ze spodní strany jsou konce 2 senzoru opatřeny výstupky 4 majícími příčný průřez ve tvaru trojúhelníka s vrcholovými s ostrými hranami 5 pro vhodnější spolupůsobení senzoru a ocelové konstrukce 22. Spodní části konců 2 senzoru s výstupky 4 mají plochy skloněny směrem k podélné ose kovového jádra 1, kde úhel sklonu je odvozen v závislosti na tvaru monitorované konstrukce 22 v místě pro uchycení jádra 1 senzoru .

Jádro 1 je dále tvořeno dvěma propojovacími částmi 6, které spojují konce 2 senzoru. Propojovací části 6 mají specifický tvar a jsou symetrické podle středových os jádra 1. Tvarově se jedná o čtyřikrát lomenou křivku, na každém konci dvakrát, kdy středová část propojovací části 6 je vedena ve směru podélné osy jádra 1. Tato středová část má oproti zbylým částem propojovací části 6 menší průřezový profil, kde velikost průřezového profilu je závislá na použitém materiálu a rozměrech jádra 1. Středová část vedená ve směru podélné osy jádra 1 je z vnější strany v příčné ose symetrie opatřena proti sobě ležícími měřicími fóliovými tenzometry 7.1, 7.2 majícími osu rovnoběžnou s podélnou osou jádra 1. Měřicí fóliové tenzometry 7.1, 7.2 jsou doplněny buď dvěma kompenzačními fóliovými tenzometry 7.3, 7.4, Obr. 1D, umístěnými svou osou kolmo na osu měřicích fóliových tenzometrů 7.1, 7.2, nebo dvěma pasivními odpory na tenzometrický můstek 54.

- 3 CZ 36945 U1

Blokové schéma elektronické části 23 senzoru pro monitoring předpětí tažených ocelových prvků je rozkreslena na Obr. 2. Jádrem celé elektronické části je mikrokontrolér 50, který obsahuje rozhraní a k nim připojené sběrnice 64, 65, 66, 67 a 68 nezbytné pro komunikaci s okolními periferiemi. Mikrokontrolér 50 je vybírán s ohledem na malý odběr z akumulátoru 60 tak, aby celé zařízení bylo schopno fungovat několik let. Jako hlavní senzor pro měření předpětí je použit jeden nebo více tenzometrických můstků 54 skládajících se ze dvou měřicích fóliových tenzometrů 7.1, 7.2 doplněných dvěma kompenzačními fóliovými tenzometry 7.3 a 7.4 nebo dvěma pasivními odpory na plný můstek, jejichž výstupní napětí je přivedeno prvním kabelem 69 na vstup/y AD převodníku 58. Zde je napětí převedeno na digitální data, která jsou pomocí sběrnice 67, například SPI, zaslána do mikrokontroléru 50. Dalším senzorem je jeden nebo více akcelerometrů 52 vybavených komunikační sběrnicí 65, například I2C, pro přímé měření vlastních kmitů ocelové monitorované konstrukce 22. Pro měření teploty je využit číslicový senzor teploty 53 s rozhraním I2C připojeným na sběrnici 66 a/nebo odporový platinový, či jiný kovový, senzor 51 s analogovým výstupem, který je přiveden druhým kabelem 70 do stejného a využívá další multiplexovaný vstupní kanál. Protože odporový senzor 51 teploty a tenzometrický můstek 54 vyžadují pro správnou funkci budicí proud, je zde implementován obvod 57 pro proudové buzení s výstupem 71 budicího proudu. Data získaná ze všech dostupných senzorů jsou v mikrokontroléru 50 zpracována a vybraná data jsou zaslána do nadřazeného systému. Podle aktuálních požadavků na množství dat je využit jeden nebo více transceiverů 56, označených na Obr. 2 jako Tx/Rx. V případě většího množství dat je využíván modul WiFi, který může být integrován v mikrokontroléru 50, v případě datově nenáročné aplikace modul LoRa. Každý z těchto modulů musí mít připojenou anténu 62. Komunikace s moduly používá běžně dostupné sběrnice 64, typicky UART. Zpracovaná data se dle nastavení ukládají do paměti 55, například na SD kartu, připojenou pomocí sběrnice 68. Celé zařízení je optimalizováno na co nejnižší spotřebu z akumulátoru 60, ze kterého se v bloku napájení 59 vytváří napájecí napětí, které je napájecími vodiči 63 rozvedeno do všech periferií. V případě připojení externího zdroje se akumulátor začne automaticky dobíjet z bloku 61 nabíjení.

Obr. 3 zachycuje kompletní řešení, tedy propojení mechanické a elektrické části senzorického systému. K monitorované konstrukci 22 je přichyceno tělo 1 senzoru s nalepenými měřicími fóliovými tenzometry 7.1, 7.2 pomocí stahovacích objímek 21. K tenzometrickému můstku 54 tvořenému měřicími fóliovými tenzometry 7.1, 7.2 je pak pomocí budicího kabelu 71 přiveden budicí proud z výstupu obvodu 57 proudového buzení a vyvedeno prvním kabelem 69 výstupní napětí. Obdobně je pak budicí proud z obvodu 57 pro proudové buzení přiveden budicím kabelem 71 k senzoru teploty 51 připevněnému ke konstrukci 22. Výstupní napětí je pak druhým kabelem 70 přivedeno do elektronické části 23 senzoru stejně jako výstupní napětí z tenzometrického můstku 54 přiváděné prvním kabelem 69.

Nové řešení implementuje datové přenosy v sítích loT, které mají dosah několik kilometrů a využívají dostupnou stávající fungující infrastrukturu, takže není potřeba budovat speciální sítě, ale je možné využít sítě již provozované. Další výhodou je pak implementace algoritmu pro zpracování dat a jejich následnou analýzu již v mikrokontroléru 50, například Fourierovu transformaci a detekci vlastních kmitů konstrukce, čímž se výrazně sníží přenášené množství dat a tím také dojde ke snížení energetické náročnosti a prodloužení výdrže baterie.

Průmyslová využitelnost

Nový senzor je určen pro monitorování tažených ocelových prvků občanských, administrativních, průmyslových i dopravních staveb jako jsou mosty a lávky.

Claims (1)

1. Kombinovaný senzor pro monitoring předpětí tažených ocelových prvků obsahující tenzometrický můstek (54), jehož fóliové tenzometry (7.1, 7.2) jsou upevněny na jádře (1) vytvořeném z jednoho kusu materiálu, jehož konce (2) pro uchycení k monitorované konstrukci (22) jsou propojeny propojovací částí (6) a mající elektronickou část obsahující blok (59) napájení propojený s výstupem bloku (61) nabíjení, obvod (57) proudového buzení a mikrokontrolér propojený s transceiverem (56) a opatřený pamětí (55), vyznačující se tím, že konce (2) jádra (1) jsou ve tvaru kvádru a jsou opatřeny z horní strany ve středové ose zářezy (3) pro vložení stahovacího prvku pro přitlačení konců (2) k monitorované konstrukci (22) a ze spodní strany jsou symetricky vzhledem k podélné i příčné ose jádra (1) mimo zářez (3) vytvořeny kolmo na tuto podélnou osu jádra (1) výstupky (4) mající příčný průřez ve tvaru trojúhelníka s vrcholovými s ostrými hranami (5), kde tyto spodní části konců (2) s výstupky (4) mají plochy skloněny směrem k podélné ose kovového jádra (1) a kde tyto konce (2) jsou navzájem spojeny dvěma propojovacími částmi (6) symetrickými podle středu os jádra (1), jejichž středová část vedená ve směru podélné osy jádra (1) je z vnější strany v příčné ose symetrie opatřena proti sobě ležícími měřicími fóliovými tenzometry (7.1, 7.2) majícími osu rovnoběžnou s podélnou osou jádra (1) a doplněnými dvěma kompenzačními fóliovými tenzometry (7.3, 7.4) umístěnými svou osou kolmo na osu měřicích fóliových tenzometrů (7.1, 7.2) nebo dvěma pasivními odpory na tenzometrický můstek (54) a tyto propojovací části (6) přecházejí na obou koncích tvarově v dvakrát lomenou křivku, jejíž průřezový profil je větší než průřezový profil propojovací části (6), a kde tyto propojovací části (6) jsou svými konci zaústěny do konců (2) symetricky vzhledem k podélné ose jádra (1), přičemž výstup tenzometrického můstku (54) v elektronické části (23) připojen přes A/D převodník (58) k mikrokontroléru (50) pro zpracování dat a jejich následnou analýzu, ke kterému je zároveň připojen výstup alespoň jednoho akcelerometru (52), a dále výstup číslicového senzoru (53) teploty a/nebo přes A/D převodník (58) výstup odporového senzoru (52) teploty.