ES2924361T3 - Sistema de medición y método para medir el desplazamiento de al menos un punto de un puente - Google Patents

Sistema de medición y método para medir el desplazamiento de al menos un punto de un puente Download PDF

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Abstract

Un sistema de medición (10) para medir el desplazamiento de al menos un punto de un puente, donde el puente tiene una frecuencia de resonancia comprendida en la banda de frecuencia [f1, fh] donde f1<fh, comprendiendo el sistema de medición: un geófono (11) adaptado para ser aplicado en al menos un punto del puente, teniendo el geófono (11) una frecuencia de resonancia fr mayor que fh y una respuesta en frecuencia para f<fh sustancialmente igual a la de un doble shunt; un dispositivo de compensación analógica (20) conectado en serie al geófono (11) y que tiene una respuesta en frecuencia igual a la de un doble integrador en la banda de frecuencia [fl, fh], de manera que la serie del geófono (11) y de el dispositivo de compensación analógica (20) tiene una respuesta de frecuencia con un módulo sustancialmente constante en la banda de frecuencia [fl, fh]; un dispositivo integrador analógico (12) conectado en serie al dispositivo de compensación analógica (20); un dispositivo convertidor analógico/digital (13) conectado en serie al dispositivo integrador analógico (12), estando adaptado el dispositivo convertidor analógico/digital (13) para convertir la señal de salida del dispositivo integrador analógico (12) en una señal digital. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de medición y método para medir el desplazamiento de al menos un punto de un puente
La presente invención se refiere a un sistema de medición y un método para medir el desplazamiento de al menos un punto de un puente, en particular de un punto de al menos un vano de un puente.
Como es sabido, durante las pruebas de carga en un puente que tiene uno o más vanos, es necesario medir la deformación a la cual están sometidos los vanos en las condiciones de carga proporcionadas por el diseño.
el artículo de Hakimitoroghi Navid et al: "Compensation techniques for geophone response used as vibration sensor in seismic applications", 2017, Undécima Conferencia Internacional sobre Tecnología de Detección (ICST), IEEE, 4 de diciembre de 2017, páginas 1 a 5, desvela un sistema de medición adaptado para monitorizar vibraciones de un puente.
Para ese propósito, los desplazamientos de al menos un punto de al menos uno de los vanos del puente se miden directa o indirectamente en las condiciones de carga mencionadas anteriormente. En mediciones directas, en particular, pueden detectarse los desplazamientos de un punto del vano con respecto a un punto de referencia fijo.
Para mediciones directas, es posible utilizar un láser de alta potencia, que permite que se utilicen como puntos de referencia, puntos incluso a una larga distancia con respecto al punto cuyos desplazamientos van a detectarse. Esta técnica de medición requiere la utilización de un láser lo suficientemente preciso, que genere unos haces tan estables que sean capaces de percibir desplazamientos incluso de una décima de milímetro. Los láseres de dicha precisión requieren también una buena fuente de energía. En virtud de estas características, los láseres adecuados para las menciones mencionadas anteriormente son muy caros y, por lo tanto, su utilización no es muy común.
Como alternativa al láser de alta potencia, puede utilizarse el denominado interferómetro de radar.
El interferómetro de radar tiene una gran complejidad tanto desde el punto de vista del hardware como del software, haciendo que el coste del dispositivo sea tan alto que solo pueda aplicarse en algunos casos especiales en los que se disponga de un alto presupuesto (por ejemplo, en canteras de diamantes).
Además, este dispositivo también tiene un consumo muy alto de energía, lo que lo hace inadecuado para dejarlo en las proximidades de un vano durante periodos prolongados.
En mediciones directas, se miden magnitudes, tales como la aceleración o velocidad de un punto del vano, y después, a través de un sistema electrónico, se realizan integraciones numéricas/analógicas para tener la medición del desplazamiento del mismo punto.
Para tales mediciones, es muy común utilizar sensores acelerométricos con tecnología MEM que son muy baratos. Como es sabido, el voltaje de salida de un acelerómetro es proporcionar a la aceleración, por lo tanto, para obtener el desplazamiento, el dato de salida se integra dos veces a través de un circuito analógico o digital. El problema de este tipo de técnica de medición es que solo es necesario un pequeño error de posicionamiento del eje del acelerómetro para tener un error significativo en la medición del espacio debido a la propagación del error en las dos integraciones posteriores a la medición de la aceleración. El error generado implica una incertidumbre no despreciable a fines de medición. Como alternativa a los sensores acelerométricos, pueden utilizarse geófonos que, como es sabido, son sensores que pueden detectar el movimiento del suelo u ondas sísmicas y transducir la señal detectada en un pulso eléctrico. En particular, el geófono es un sensor velocimétrico en el que la señal eléctrica transducida es proporcional a la velocidad a la que se mueve el propio geófono. Notoriamente, el geófono tiene una respuesta de frecuencia que puede ser comparada a la de un filtro de paso alto de segundo orden. El geófono se caracteriza por una frecuencia de resonancia donde la respuesta de frecuencia muestra un sobreimpulso hacia arriba, situado, por ejemplo, alrededor de los 4 Hz. Es posible reducir el sobreimpulso alrededor de la frecuencia de resonancia conectando una resistencia en paralelo al geófono, aumentando de este modo el factor de amortiguación. A fin de utilizar geófonos para mediciones indirectas de los desplazamientos de un punto del vano de un puente, tales geófonos deben tener necesariamente una respuesta de frecuencia tan plana como sea posible en el intervalo de frecuencia de oscilación del propio puente. Para este fin, se conocen geófonos compensados que tienen una respuesta de frecuencia sustancialmente plana también a frecuencias inferiores a 4 Hz; estos geófonos, en particular, se compensan a través de una serie de caros filtros digitales que compensan la atenuación del propio geófono a bajas frecuencias hasta obtener una respuesta de frecuencia sustancialmente plana de aproximadamente 0,1 Hz a 150 Hz. Como alternativa a los filtros digitales, a fin de limitar el coste del geófono, pueden diseñarse filtros analógicos cuya respuesta de frecuencia debe ser necesariamente el inverso exacto a la de los respectivos geófonos seleccionados. Por lo tanto, serían filtros dedicados cuya eficacia, sin embargo, depende de las tolerancias de los geófonos que pueden desplazar la frecuencia de resonancia con respecto al valor nominal. Por lo tanto, sería muy complejo y caro diseñar filtros analógicos que consideren las tolerancias de los geófonos individuales.
El objetivo de la presente invención es superar los inconvenientes mencionados anteriormente y, en particular, diseñar un sistema de medición y un método de medición que permitan realizar una medición indirecta precisa del desplazamiento de al menos un punto de a vano de un puente y que sean menos caros que los sistemas de medición conocidos. Este y otros objetivos según la presente invención se consiguen realizando un sistema de medición y un método de medición según se indican en las reivindicaciones 1 y 8.
En las reivindicaciones dependientes se exponen características adicionales del sistema de medición y el método de medición.
Las características y ventajas del sistema de medición según la presente invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción, que debe entenderse a modo de ilustración y no de limitación, con referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos, en los que:
- La Figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de medición según la presente invención;
- La Figura 2 es un diagrama de circuito del dispositivo de compensación analógico incluido en el sistema de medición de la Figura 1.
Haciendo referencia a las figuras, se muestra un sistema de medición 10 para medir un desplazamiento de al menos un punto de un puente, en particular de un punto de al menos un vano de un puente.
El puente es un sistema mecánico que tiene una frecuencia de resonancia comprendida en la banda de frecuencias [fl, fh], donde fl<fh, por ejemplo, entre fl=1 Hz y fh=20 Hz. En particular, generalmente, sustancialmente toda la energía espectral de los modos de oscilación del puente está situada alrededor de una frecuencia de resonancia principal comprendida entre fl y fh.
El sistema de medición 10 comprende un geófono 11 adaptado para ser aplicado en un punto de un puente, en particular, de al menos un vano de un puente y para detectar las oscilaciones del puente. En particular, el geófono 11 es capaz de detectar las oscilaciones del puente al que se aplica y genera una señal eléctrica cuya magnitud es proporcional a la velocidad a la cual se desplazan por oscilación el puente y, por lo tanto, el geófono 11.
Según la presente invención, dicho geófono 11 tiene una frecuencia de resonancia fr mayor que fh y una respuesta de frecuencia sustancialmente igual a la de una derivación doble para frecuencias f inferiores a fh. Esto significa que, para f<fh, la respuesta de frecuencia del geófono 11 representado en un diagrama de Bode tiene un módulo que aumenta a medida que aumenta la frecuencia de acuerdo con una ley lineal con una pendiente sustancialmente de 40 dB/década y una fase sustancialmente constante con la frecuencia y sustancialmente igual a 180°.
El sistema de medición 10 comprende además un dispositivo de compensación analógico 20 conectado en serie al geófono 11 y que tiene una respuesta de frecuencia sustancialmente igual a la de un integrador doble en la banda de frecuencias [fl, fh].
Esto significa que, en la banda de frecuencias [fl, fh], la respuesta de frecuencia del dispositivo de compensación analógico 20 presentado en un diagrama de Bode tiene un módulo que disminuye a medida que aumenta la frecuencia de acuerdo con una ley lineal con una pendiente sustancialmente de -40 dB/década y una fase sustancialmente constante con la frecuencia y sustancialmente igual a -180°.
De esta manera, la serie del geófono 11 y del dispositivo de compensación analógico 20 tiene una respuesta de frecuencia con un módulo sustancialmente constante en la banda de frecuencias [fl, fh].
Preferentemente, el sistema de medición 10 comprende además un dispositivo integrador analógico 12 conectado en serie al dispositivo de compensación analógico 20; dicho dispositivo integrador analógico 12 está adaptado, en particular, para integrar la señal eléctrica generada por el geófono 11 para proporcionar una señal eléctrica cuya magnitud es proporcional al desplazamiento del geófono 11. Por lo tanto, la señal eléctrica emitida por el dispositivo integrador analógico 12 es representativa del desplazamiento. Ventajosamente, el dispositivo integrador analógico 12 comprende un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte fti inferior a fl.
El sistema de medición 10 comprende entonces un dispositivo convertidor analógico/digital 13 conectado en serie al dispositivo integrador analógico 12, donde dicho dispositivo convertidor analógico/digital 13 está adaptado para convertir la señal analógica eléctrica en la salida del dispositivo integrador analógico 12 en una señal digital.
El dispositivo convertidor analógico/digital 13 está configurado para muestrear la señal eléctrica analógica en una frecuencia fc>2fh para evitar problemas de solapamiento. Ventajosamente, el sistema de medición 10 comprende además una unidad de procesamiento 14, por ejemplo un microprocesador, conectado a la salida del dispositivo analógico/digital 13 configurado para interpolar la señal digital a fin de obtener una curva que representa el desplazamiento a lo largo del tiempo del geófono 11 y, por lo tanto, del punto del puente en el cual se aplica el geófono 11. Preferentemente, el dispositivo de compensación analógico 20, el dispositivo integrador analógico 12, el dispositivo convertidor analógico/digital 13 y la unidad de procesamiento 14 están montados en la misma PCB (placa de circuito impreso) conectada por medio de cables al geófono 11.
Preferentemente, el dispositivo de compensación analógico 20 comprende:
- una primera etapa de amplificación 21;
- un doble filtro de paso bajo 22 conectado en serie a la primera etapa de amplificación y que tiene una frecuencia de corte ft no superior a fl.
En el caso en el que ft<fl, considerando el diagrama de Bode del doble filtro de paso bajo 22, es seguro que la frecuencia fl siempre cae en línea recta a -40 dB/década.
En el caso en el que ft=fl, es necesario considerar que en ft el diagrama real del filtro diverge del diagrama de Bode asintótico aproximadamente unos 3 dB, por lo que es posible que surjan posibles distorsiones de magnitud en la respuesta.
Preferentemente, el doble filtro de paso bajo 22 tiene una frecuencia de corte ft inferior a fl.
De esta manera, pueden evitarse las posibles distorsiones mencionadas anteriormente.
Además de la primera etapa de amplificación 21 y el doble filtro de paso bajo 22, preferentemente, el dispositivo de compensación analógico 20 proporciona además un filtro de paso alto 23 conectado en serie al doble filtro de paso bajo 22 con una frecuencia de corte fhp inferior a fl, a fin de filtrar el ruido, por ejemplo el ruido 1/f, ruido blanco y ruido compensado.
En una primera realización de la presente invención, la primera etapa de amplificación 21 es una etapa de alta ganancia, por ejemplo, de aproximadamente 70 dB. En ese caso, el doble filtro de paso bajo 22 es un filtro pasivo.
En una segunda realización, el doble filtro de paso bajo 22 es un filtro activo que realiza una segunda etapa de amplificación.
En este caso, la primera etapa de amplificación 21 tiene una ganancia inferior con respecto a la de la primera realización; de tal manera, se reduce la posibilidad de que la primera etapa de amplificación 21 funcione en modo de saturación. De hecho, la presencia de más de una etapa de amplificación permite la ampliación de señal necesaria para conseguir que una relación de señal/ruido se distribuya a lo largo de diversas etapas, evitando al mismo tiempo que una o más etapas de amplificación sean capaces de operar en modo de saturación.
Preferentemente, en esta segunda realización, el dispositivo de compensación analógico 20 comprende una tercera etapa de amplificación 24 aguas abajo del doble filtro de paso bajo 22 del tipo activo.
En particular, en caso de que esté presente el filtro de paso alto 23, conectado en serie al doble filtro de paso bajo 22, la tercera etapa de amplificación 24 se conecta en serie al filtro de paso alto 23; de lo contrario, en ausencia del filtro de paso alto 23, la tercera etapa de amplificación 24 se conecta en serie al doble filtro de paso bajo 22.
En cualquier caso, con tres etapas de amplificación, una primera etapa de amplificación 21 puede estar provista de una ganancia incluso inferior con respecto al caso en el que no se proporciona la tercera etapa de amplificación 24, reduciendo, por tanto, adicionalmente, los riesgos de que la primera etapa de amplificación 21 funcione en modo de saturación.
Preferentemente, el filtro activo es del tipo célula de Sallen Key, como se ilustra en la Figura 2.
En particular, haciendo referencia a la Figura 2, la primera etapa de amplificación 21 se realiza a través de un primer amplificador operacional OP1 en configuración no inversora con una primera resistencia R1 situada entre el terminal de salida y el terminal inversor del primer amplificador operacional o P1, y una segunda resistencia R2 situada entre el terminal inversor y la tierra.
En serie con la primera etapa de amplificación 21, está el doble filtro de paso bajo realizado por medio de un filtro activo de célula de Sallen Key. En particular, dicho filtro activo de célula de Sallen Key tiene un segundo amplificador operacional OP2 con una tercera resistencia R3 situada entre el terminal de salida y el terminal inversor del segundo amplificador operacional OP2, y una cuarta resistencia R4 situada entre el terminal inversor y la tierra. Entre el terminal no inversor del segundo amplificador operacional OP2 y la tierra, se coloca un primer compensador C1; una quinta resistencia R5 se interpone entre el terminal no inversor y el primer nodo P1. Una sexta resistencia R6 se interpone entre el primer nodo P1 y el terminal de salida del primer amplificador operacional OP1; un segundo condensador C2 se interpone entre el nodo P1 y el terminal de salida del segundo amplificador operacional OP2. Después, el filtro de paso alto 23 se conecta al terminal de salida del segundo amplificador operacional OP2, realizado por medio de un tercer condensador C3 y una séptima resistencia R7. El tercer condensador C3 se interpone entre el terminal de salida del segundo amplificador operacional OP2 y un segundo nodo P2; la séptima resistencia R7 se interpone entre el segundo nodo P2 y la tierra. La tercera etapa de amplificación 24 se conecta en serie con el filtro de paso alto 23, realizado por medio de un tercer amplificador operacional OP3, que tiene el terminal no inversor conectado al segundo nodo P2; después se proporciona una octava resistencia R8, colocada entre el terminal de salida y el terminal inversor del tercer amplificador operacional OP3, y una novena resistencia R9 colocada entre el terminal inversor y la tierra.
Los amplificadores operacionales OP1, OP2, OP3 son del tipo de baja corriente y tensión compensada.
La primera etapa de amplificación 21 tiene una ganancia G=1+R1/R2. La primera resistencia R1 y la segunda resistencia R2 están dimensionadas de manera que G sea igual a aproximadamente 28 dB. La tercera resistencia R3, la cuarta resistencia R4, la octava resistencia R8 y la novena resistencia R9 están dimensionadas de manera que la ganancia global del dispositivo de compensación analógico sea aproximadamente 70 dB.
Además, la quinta resistencia R5 y la sexta resistencia R6 se seleccionan para que R5=R6.
El primer condensador C1 y el segundo condensador C2 se seleccionan para que C1=C2.
Los valores de la sexta resistencia R6 y del segundo condensador C2 se seleccionan, en particular, para que el doble polo esté a una frecuencia fp<fl donde
V 2 ttV R 2R 1C 2C 1 2 ttR2C2
El sistema de medición 10 según la presente invención permite la medición indirecta del desplazamiento de al menos un punto de al menos un vano de un puente de una manera precisa, simple y económica. De hecho, el sistema de medición 10 utiliza un geófono cuya compensación no se realiza por medio de caros filtros digitales, sino mediante un dispositivo de compensación analógico que no proporciona compensación en toda la banda del geófono 10, sino únicamente en la banda de frecuencias [fl, fh] dentro de la cual está comprendida la frecuencia de resonancia del puente. Esto es posible gracias no únicamente al dimensionamiento particular del dispositivo de compensación analógico, sino también a la elección del geófono 10 particular donde fr>fh y con una respuesta de frecuencia sustancialmente igual a la de una derivación doble para frecuencias f inferiores a fh. Si el dispositivo de compensación analógico 20 compensara el geófono 11 en toda su banda, se introducirían distorsiones de ganancia alrededor de la frecuencia de resonancia fr, lo que llevaría a mediciones imprecisas. El método de medición, según la presente invención, se implementa a través del uso del sistema de medición 10. Dicho método de medición es muy simple, puesto que proporcionar la aplicación del geófono 11 en un punto del vano de un puente y la adquisición de los datos de detecciones realizada por el sistema de medición 10 que representa los desplazamientos del geófono 11 y, por lo tanto, del punto del puente en el cual se aplica el geófono 11. Después, el geófono 11 puede moverse con facilidad para realizar diferentes mediciones en diferentes puntos del puente.
A partir de la descripción proporcionada, están claras las características del sistema de medición para medir el desplazamiento de al menos un punto de al menos un vano de un puente según la presente invención, como lo están las ventajas relacionadas.
Por último, es evidente que el sistema de medición para medir el desplazamiento de al menos un punto de al menos un vano de un puente concebido de esta manera es susceptible a numerosas modificaciones y variantes, sin alejarse del alcance de la invención; además, todos los detalles pueden ser reemplazados por elementos técnicamente equivalentes. En la práctica, los materiales utilizados, así como las dimensiones, pueden ser de cualquier tipo según los requisitos técnicos.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de medición (10) para medir el desplazamiento de al menos un punto de un puente, en el que dicho puente tiene una frecuencia de resonancia comprendida en la banda de frecuencias [fl, fh], donde fl<fh, comprendiendo dicho sistema de medición:
- un geófono (11) adaptado para ser aplicado en dicho al menos un punto de dicho puente, teniendo dicho geófono (11) una frecuencia de resonancia fr mayor que fh y una respuesta de frecuencia para f<fh sustancialmente igual de la una doble derivación;
- un dispositivo de compensación analógico (20) conectado en serie a dicho geófono (11) y que tiene una respuesta de frecuencia igual a la de un integrador doble en la banda de frecuencias [fl, fh], de modo que la serie de dicho geófono (11) y dicho dispositivo de compensación analógico (20) tiene una respuesta de frecuencia con un módulo sustancialmente constante en la banda de frecuencias [fl, fh];
- un dispositivo integrador analógico (12) conectado en serie a dicho dispositivo de compensación analógico (20); - un dispositivo convertidor analógico/digital (13) conectado en serie a dicho dispositivo integrador analógico (12), estando dicho dispositivo convertidor analógico/digital (13) adaptado para convertir la señal de salida desde dicho dispositivo integrador analógico (12) en una señal digital.
donde dicho dispositivo de compensación analógico (20) comprende:
- una primera etapa de amplificación (21);
- un doble filtro de paso bajo (22) conectado en serie a dicha primera etapa de amplificación (21) y que tiene una frecuencia de corte ft no superior a fl, siendo dicho doble filtro de paso bajo (22) un filtro activo que realiza una segunda etapa de amplificación.
2. El sistema de medición (10), según la reivindicación 1, en el que dicho doble filtro de paso bajo (22) tiene una frecuencia de corte ft menor que fl.
3. El sistema de medición (10), según la reivindicación 1 o 2, en el que dicho dispositivo de compensación analógico (20) comprende además un filtro de paso alto (23) conectado en serie a dicho doble filtro de paso bajo (22) con frecuencia de corte fhp menor que fl.
4. El sistema de medición (10), según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de compensación analógico (20) comprende una tercera etapa de amplificación (24) aguas abajo de dicho filtro activo.
5. El sistema de medición (10), según la reivindicación 1, en el que dicho filtro activo (22) es del tipo célula de Sallen Key.
6. El sistema de medición (10), según una de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho dispositivo integrador analógico (12) comprende un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte fti menor que fl.
7. El sistema de medición (10), según una o más de las reivindicaciones precedentes, que comprende una unidad de procesamiento (14) conectada a la salida del dispositivo analógico/digital (13) configurada para interpolar la señal digital para obtener una curva que representa el desplazamiento del geófono (11) a lo largo del tiempo.
8. Un método de medición para medir el desplazamiento de al menos un punto de un puente implementado por medio de un sistema de medición (10), según una o más de las reivindicaciones precedentes, que comprende las etapas de: - aplicar el geófono (11) en un punto del vano de un puente;
- adquirir datos desde las detecciones realizadas por el sistema de medición (10) que representan los desplazamientos del geófono (11).
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