Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии

Подождите немного. Документ загружается.

Одним из основных показате-

лей, характеризующих различные

стадии разрушения зданий и соору-

жений, является наличие в элемен-

тах конструкций трещин.

Основным критерием оценки

влияния трещин на элементы строи-

тельных конструкций, и в первую

очередь несущих, является степень

снижения их прочности.

Методы обнаружения трещин

(любых дефектов) в строительных

конструкциях основаны на том, что физические параметры материала и де-

фекта отличаются друг от друга и установление этого различия тем или

иным способом позволяет судить о наличии дефекта в обследуемой

конструкции.

Разнообразие параметров, несущих информацию о существовании

дефектов, обусловило разработку большого числа способов их обна-

ружения, однако они все различаются информативностью, точностью,

стоимостью приборов, трудоемкостью измерения и обработки данных,

опытом применения, поэтому для решения каждой конкретной задачи (в

частности оценки разных категорий состояния зданий) целесообразно

подбирать оптимальные методы и средства контроля.

Визуальные методы могут быть реализованы путем внешнего осмотра

конструкций без специальных приспособлений. Минимальный размер об-

наруживаемой трещины в этом случае зависит от характера обследуемой

поверхности, уровня яркости, контраста освещенности между объектом

обследования и фоном, индивидуальных особенностей и опыта оператора

и составляет около 0,2 мм.

Другой путь реализации визуального метода – осмотр объекта обсле-

дования с помощью оптических приборов (линзы с нанесенной сеткой,

зеркала, эндоскопы, микроскопы). Зеркала и гибкие эндоскопы с волокон-

ным световодом (рис. 4.29) и мощным источником света (до 200 Вт) позво-

ляют осуществлять контроль труднодоступных или невозможных для на-

блюдения снаружи элементов конструкций и существенно снизить размер

обнаруживаемой трещины (до 15 – 30 мкм).

На рис. 4.30 показана схема оптоволоконного эндоскопа. Переднюю

часть световодов можно дистанционно изгибать до ± 120°. Рабочая длина

эндоскопа – до 3 м. Оптоволоконные эндоскопы могут быть укомплекто-

ваны миниатюрной видеокамерой с памятью на 10 – 40 кадров.

Рис. 4.29. Оптоволоконный эндоскоп

Для наблюдения за развитием трещин в их зоне могут быть установ-

лены так называемые маяки из свежего гипса размером 100x25 мм, рас-

полагаемые перпендикулярно трещине. При развитии трещины маяки раз-

рываются, что видно без специальных средств.

Капиллярные методы основаны на проникновении индикаторных

жидкостей (пенетрантов) при нанесении их на поверхность объекта обсле-

дования в неплотности материалов и наблюдении образующихся индика-

торных следов. Капиллярный метод позволяет обнаруживать невидимые

или слабовидимые невооруженным глазом микротрещины в объектах об-

следования, определить расположение микротрещин и их протяженность.

Капиллярные методы можно применять не только на бетонных и камен-

ных, но и на металлических конструкциях. Изображение, образованное пе-

нетрантом («индикаторный рисунок» или «индикаторный след» – в приме-

нении к единичной трещине), может появиться только в случае, если глу-

бина трещины превышает ширину ее раскрытия.

В зависимости от способа выявления индикаторного рисунка капил-

лярные методы разделяют на: яркостные, при которых наблюдают кон-

траст ахроматического рисунка в видимом глазом излучении на фоне по-

верхности объекта обследования; цветные, при которых наблюдают кон-

траст цветного изображения на фоне поверхности; люминесцентные, осно-

ванные на наблюдении контраста видимого под действием ультрафиолето-

вого излучения индикаторного рисунка. Недостатком последнего метода

является необходимость в источнике ультрафиолетового излучения и за-

темнении места наблюдения, что осложняет процедуру обследования.

Исторически первый капиллярный метод – «керосиновую пробу» –

применяют и сейчас. При этом методе поверхность с предполагаемыми

трещинами смачивают керосином (пенетрантом), а затем для проявления

трещин поверхность объекта обследования покрывают мелом

Рис. 4.30. Схема лазерного эндоскопа

(проявителем). Керосин просачивается в слой мела, вызывая его

потемнение, которое достаточно хорошо видно при дневном свете.

Специальные материалы для осуществления обследования капилляр-

ным методом выпускают в виде наборов, содержащих очистители, исполь-

зуемые как для предварительной очистки поверхности объекта обследова-

ния, так и для удаления излишков пенетранта с обследуемой поверхности;

пенетрантов специальных для бетона и камня с ярко-розовым цветом при

обычном освещении и флюоресцирую-

щие при УФ-освещении; проявители,

предназначенные для извлечения инди-

каторного пенетранта из полости

несплошности и образования четкого

индикаторного рисунка.

Наборы средней чувствительности

позволяют определить микротрещины с

раскрытием более 1 мкм. Наборы по-

ниженной чувствительности индици-

руют трещины с раскрытием более 100

мкм.

Электропотенциальный метод.

При пропускании через объект обсле-

дования тока в объекте создается элек-

трическое поле. Геометрическое место

точек с равным потенциалом составляет

эквипотенциальные линии (рис. 4.31).

На рисунке показано распределение

эквипотенциальных линий при от-

сутствии (рис. 4.31, а) и наличии трещины (рис. 4.31, б). Разность по-

тенциалов зависит от объемной электропроводности объекта, геометриче-

ских размеров, наличия трещин.

Для реализации метода применяют т.н. четырехэлектродную схему

измерений. С помощью двух из них (токоподводящих) к контролируемому

участку объекта обследования подводят ток, два других электрода – изме-

рительные, с их помощью измеряют разность потенциалов на определен-

ной базе. По величине разности потенциалов можно судить о глубине об-

наруженной трещины. Препятствием для применения этого метода изме-

рения глубины трещин в бетонных и каменных конструкциях является не-

однородность этих материалов, сильное влияние арматуры в железобетон-

ных конструкциях, влияние неоднородной влажности, известная слож-

ность реализации метода – создание надежных контактов с поверхностью

объекта обследования. Вместе с тем при обследовании металлокон-

Рис. 4.31. Эквипотенциальные

линии при отсутствии (а) и

наличии трещины (б)

струкций можно без особых затруднений измерять глубины трещин до

100...120 мм.

Метод прогораемых полос. На объект обследования из бетона или

камня наносят лаковую полосу (водная эмульсия порошкового серебра и

синтетической смолы), которая не хрупка, а ее сопротивление при

размерах 0,5x10x300 мм приблизительно 10 Ом. Через полосу пропускают

ток около 10А. Выделяющееся при этом тепло передается поверхности

объекта обследования. Там, где имеются трещины, резко уменьшается

теплопроводность между лаковой полосой и поверхностью объекта

обследования, в результате участок лаковой полосы разогревается и

прогорает.

Если после этого увеличить напряжение, подводимое к полосе,

происходит дугообразование в зоне прогара, в связи с чем размер прогара

существенно увеличится, став видимым невооруженным глазом.

Как показали эксперименты, этим методом можно обнаружить

трещины с шириной раскрытия порядка 10 мкм. Ширина раскрытия уже

имеющихся в объекте обследования трещин не должна превышать 100

мкм, в противном случае лак проникает в трещину, снижая электрическое

сопротивление участка полосы в зоне трещины, что препятствует

прогоранию полосы.

Метод разрываемых датчиков. Применяются наклеиваемые на объ-

ект обследования датчики, выполненные из тонкой медной эмалированной

проволоки (20 – 50 мкм) или в виде узкой фольговой полоски из констан-

тана, подвергнутого отжигу при специальном режиме. Полоски могут

иметь различную форму (рис. 4.32). Константановая фольга приклеена к

лаковой основе. Тех-

нология производства

таких датчиков по-

добна технологии из-

готовления фольговых

тензорезисторов. В ос-

нове ее лежит фотохи-

мический процесс, по-

зволяющий получать

датчики с чувствитель-

ными элементами лю-

бой формы. Нити датчиков имеют ширину 0,15...0,5 мм и толщину 10...15

мкм. Датчики приклеивают перпендикулярно предполагаемому направле-

нию трещины. При образовании трещины или ее развитии происходит об-

рыв проволоки или фольги, что может быть дистанционно зарегистриро-

вано простейшей электрической схемой. Датчики из фольговых нитей по-

зволяют предсказывать усталостные повреждения объектов обследования,

Рис. 4.32. Разрываемые датчики

т.к. у этих датчиков происходит резкое изменение сопротивления при оп-

ределенном числе циклов нагружения объекта обследования.

Ультразвуковой метод. Используются известные в строительстве

импульсные ультразвуковые приборы. Для

обнаружения трещин и их глубин в бетоне

обычно применяют поверхностное прозву-

чивание. База – расстояние между ультра-

звуковыми датчиками – обычно составляет

120...400 мм. О наличии трещины свиде-

тельствует изменение времени распростра-

нения ультразвуковых колебаний на базе

измерения. Для обнаружения трещин удоб-

нее использовать приборы с датчиками на

фиксированной базе и сухим контактом

(рис. 4.33).

При заметном увеличении времени рас-

пространения ультразвукового сигнала, сви-

детельствующего о трещине, может быть ус-

тановлена ее глубина. Для этого трещина

должна располагаться под центром базы ус-

тановки датчиков (рис. 4.34). Глубину тре-

щины определяют по соотношению

где l – база установки датчиков; t

, t

– время распространения

ультразвуковых колебаний в бетоне на базе l при наличии и отсутствии

дефекта (трещины).

Метод акустической эмиссии. Метод базируется на оценке процесса

излучения волн напряжения, обусловленного возникновением и развитием

дефектов структуры материала объекта обследования. Анализ параметров

акустической эмиссии позволяет обнаруживать различные дефекты,

оценивать их размеры и степень опасности, прогнозировать уровень

разрушающей нагрузки и ресурс строительных конструкций. Основную

информацию о возникновении дефекта содержит амплитуда импульса

акустической эмиссии. Строительные материалы, как правило, отличаются

довольно большим затуханием сигналов ультразвуковых частот, поэтому

можно воспринимать сигналы акустической эмиссии в зоне, ограниченной

радиусом 2...5 м. Появившийся и развивающийся дефект обследуемой

Рис. 4.34. Расчетная схема

определения глубины

трещины

Рис. 4.33. Ультразвуковой

тестер

конструкции излучает импульсы акустической эмиссии, с помощью

нескольких разнесенных датчиков можно определить местоположение ис-

точника сигнала (дефекта). Один из недостатков метода – довольно

высокая стоимость приборов для оценки акустической эмиссии, поэтому

их используют не часто.

При выборе методов обнаружения трещин и их развитии нужно

учитывать следующие показатели:

· разрешающую способность методов и средств;

· возможность дистанционного наблюдения и регистрации

показаний;

· трудоемкость установки датчиков;

· пригодность для мониторинга конструкций оценивается

надежностью (безотказность, сохраняемость, соответствие срока службы

требуемой длительности мониторинга);

· стоимость датчиков и вторичных средств измерения.

4.4.3. Перспективный мониторинг и управление объектами ЖКХ

и системами безопасности

Бурное развитие мобильной

связи стандарта GSM обратило на

себя пристальное внимание разра-

ботчиков автоматизированных сис-

тем. Сама технология построения

сотовых сетей и заложенные в ней

сервисы позволяют с высокой сте-

пенью надежности и достоверно-

сти передавать данные от объектов

контроля к диспетчерским систе-

мам, при этом «не заботясь» об

обеспечении самой инфраструкту-

ры сети связи [86].

На базе устройств GSM-связи

создана система «ADA», которая

может контролировать жильё и

служебные помещения, функцио-

нирование объектов ЖКХ, а также

дистанционно управлять исполнительными устройствами при возникнове-

нии внештатных ситуаций. Информация с датчиков, счетчиков расхода

воды и электроэнергии может поступать как по запросу диспетчера, так и

автоматически в заданные моменты времени на центральный процессор

Рис. 4.35. Система «ADA»

системы «ADA», а оттуда – в единый расчетный центр, который будет оп-

ределять стоимость услуг каждого отдельного потребителя.

При этом единый расчётный центр будет принимать не написанные от

руки данные, а точные сведения, снимаемые со счетчиков автоматически,

без участия человека, что существенно повысит точность и достоверность

используемой информации.

Система «ADA» размещается в отдельном блоке (рис. 4.35). Блок

монтируется в непосредственной близости от контролируемого объекта. В

блоке находится источник питания от сети переменного тока – 220 В,

обеспечивающий бесперебойную работу системы при отсутствии сетевого

напряжения питания за счёт введения в его состав аккумуляторной бата-

реи. Для автоматической подзарядки аккумуляторной батареи в составе

устройства присутствует узел автоматической подзарядки, который

отключается при достижении достаточного уровня зарядки

аккумуляторной батареи. Для автоматического отключения прибора при

снижении напряжения на аккумуляторной батарее (при её разрядке) ниже

заданного критического уровня существует узел отключения работы

системы от аккумулятора. Все состояния, происходящие в системе

питания, фиксируются в основной памяти процессора, а критические

(пропадание напряжения и полный разряд аккумулятора) передаются на

компьютер диспетчера. Основной блок включает в себя также часы

реального времени с независимым автономным питанием, поэтому период,

в который устройство находилось без основного питания, также будет

известен диспетчеру.

Допуск к работе системы осуществляется с помощью пароля,

устанавливаемого либо вручную с клавиатуры, либо по команде дис-

петчера. С помощью встроенной системы меню производится гибкая

настройка системы на конкретные виды подключаемых датчиков и

исполнительных устройств, определяются списки потребителей

информации с возможностью сортировки и приоритетов её получения.

После конфигурирования системы производится установка в режим

эксплуатации.

Информация, сформированная в процессоре, отправляется на

передающее устройство, в качестве которого применён сотовый телефон.

Рассматриваемая система использует только официальные услуги и

тарифные планы, представляемые операторами сотовой связи, а также

сотовые аппараты, либо отдельные модули GSM-модемов, предлагаемые к

продаже в официальной торговой сети, без каких-либо доработок как в

конструктивной части, так и в программном обеспечении. Прием

информации осуществляется на сотовый телефон, возможно, другой

модели, подключённый к персональному компьютеру. Обработка

поступающей информации производится при помощи программного

обеспечения «АРМ диспетчер», входящего в состав системы.

Функциональные возможности системы «ADA»:

· получение данных со счетчиков расхода воды и электроэнергии,

установленных на объектах, используя GSM-модуль как в автоматическом,

так и в ручном режиме;

· ведение полного архива полученных данных по расходу

электроэнергии, тепла и холодной воды за весь период работы по каждому

контролируемому объекту;

· формирование и выдача отчетов в установленной форме по расходу

электроэнергии, теплой и холодной воды за заданный период по каждому

контролируемому объекту;

· получение информации о срабатывании датчиков систем охраны;

· ведение архива срабатываний аварийных датчиков с фиксацией

времени подтверждения аварии диспетчером;

· каскадирование и наращивание числа контролируемых объектов.

Беспроводная связь позволяет использовать диспетчерский центр в

зоне действия сети оператора сотовой связи как в стационарном, так и в

мобильном варианте. Полученную информацию можно отфильтровывать и

направлять в различные центры контроля, анализа, управления, охраны и

т.п.

В состав системы контролируемого объекта входят:

§ шкаф с системой управления и передачи информации в

антивандальном корпусе;

§ счётчики расхода электроэнергии, горячей и холодной воды;

§ датчики задымления, температуры и влажности;

§ магнитно-контактный датчик;

§ брелок Touch Memory,

а в состав диспетчерского центра:

Ö персональный компьютер;

Ö программный комплекс АРМ-диспетчера;

Ö мобильный телефонный аппарат, подключенный к компьютеру.

Предлагаемая система может быть перенастроена для решения других

задач с учетом пожеланий заказчика путем замены видов датчиков и

программного обеспечения системы.

Имея такую систему, муниципальные власти могут свести к

минимуму риск возникновения внештатных ситуаций и существенно

повысить безопасность жилого и производственного фондов при

умеренных финансовых затратах.

4.4.4. Практические задачи по организации системы строительного

мониторинга

Оптический тестер

Комплекс волоконно-оптических датчиков представляет собой

оптический тестер, обеспечивающий недорогой способ контроля по

принципу «норма–тревога», главным элементом которого является

волоконно-оптический световод. Топология укладки световода позволяет

охватить весь объем фундаментной плиты или другой анализируемой

конструкции. Для закрепления в фундаментной плите световод

привязывают к прутам арматуры снизу до заливки бетонной массы.

Возможная топология укладки световода в фундаментную плиту пред-

ставлена на рис. 4.36.

Комплекс волоконно-оптических датчиков состоит из трех основных

частей:

· источника излучения;

· волоконно-оптического световода;

· измерителя оптической мощности (приемника).

Источник излучения, содержащий светодиод, генерирует световой

луч, который, проходя по световоду, теряет некоторую часть своего потока

вследствие ряда причин и, в частности, в результате внешнего воздействия

на световод. Любое механическое или тепловое воздействие на световод

порождает геометрическое изменение его формы или микроповреждение,

что автоматически влечет изменение мощности светового потока,

фиксируемой измерителем. На этом основан принцип мониторинга

контролируемого фрагмента конструкции, реализуемый волоконно-

оптическим датчиком. При достижении заданного критического значения,

показывающего наличие предельной механической или тепловой нагрузки

Рис. 4.36. Топология укладки световода при мониторинге

в каком-либо месте конструкции, комплекс волоконно-оптических дат-

чиков сигнализирует оператору через электронный блок обработки

сигналов об аварийной ситуации.

При этом даже при наличии разрыва неповрежденные отдельные

отрезки световода полноценно работают как датчики при использовании

рефлектометров – приборов, анализирующих различные виды обратно-

рассеянного излучения. Потенциально комплекс волоконно-оптических

датчиков может выполнять более масштабную задачу, чем просто сигнал

об аварийной ситуации в фундаментной плите как интегральный

показатель ухудшения качества контролируемого объекта.

Рассмотрим топологию укладки световода, представленную на рис.

4.36. Здесь предложен вариант комплекса волоконно-оптических датчиков

с двумя источниками света и двумя измерителями оптической мощности.

Каждая пара опорных отрезков световодов соединена оптическим

разъемом, который вынесен на поверхность фундаментной плиты.

При поступлении аварийного сигнала, означающего падение

оптической мощности в волоконно-оптической сети до критического

уровня, оператор приступает к определению места аварийного события.

Для этого он снимает оптические разъемы и последовательно пропускает

световой сигнал через каждый опорный световод продольной и

поперечной сетей с соответствующим измерением оптической мощности.

После завершения тестирования всех опорных отрезков световодов опре-

деляются световоды продольной и поперечной сетей, в зонах влияния

которых произошло аварийное событие. Пересечение найденных зон

(полос) фиксирует место аварийного события (рис. 4.37).

Рис. 4.37. Методика определения места деструктивного события с помощью

комплекса волоконно-оптических датчиков