Способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений и устройство для его осуществления

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 специальных объектов, например, потенциально-опасных участков трубопроводов систем жизнеобеспечения объектов военной инфраструктуры, в течение всего периода их эксплуатации. Техническим результатом является повышение принимаемой помехоустойчивости и достоверности обмена дискретной информацией между пунктом контроля и модемом путем использования двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции и инженерных сооружений заключается 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 и проводят метрологическую аттестацию элемента. Далее 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, при этом блоки измерения и преобразователи выполняют в виде линий задержки на поверхностных акустических волнах. При преобразовании акустических волн в электромагнитный сигнал используется фазовая манипуляция, при этом структура сигнала отражает порядковый номер линии задержки и величину контролируемого параметра. Обмен дискретной информацией между пунктом контроля и модемом осуществляется путем использования двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Устройство, реализующее предполагаемый способ, содержит элемент 1 конструкции, блоки измерения: 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 сращения, преобразователи 11-19, контроллер 20, модем 21, линию радиосвязи 22 и пункт 23 контроля. Особенности конструкции блоков измерения, преобразователей, контроллера 20, пункта контроля 23 приведены в описании и на поясняющих чертежах. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

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 специальных объектов, например, потенциально-опасных участков трубопроводов систем жизнеобеспечения объектов военной инфраструктуры, в течение всего периода их эксплуатации.

Известны способы и устройства дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений (авт. свид. СССР №№901.828, 934.269, 1.458.647, 1.695.161, 1.733.837, 1.781.564, 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, 2.291.345, 2.471.161; 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).

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 2.471.161, G01М 7/00, 2011), которые и выбраны в качестве прототипов.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит элемент 1 конструкции, блоки измерения: 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, преобразователи 11-19, контроллер 20, модем 21, линию 22 радиосвязи и пункт 23 контроля. Контроллер 20 содержит считыватель и микропроцессор 30 с запоминающим устройством. Блоки измерения и преобразователи выполнены в виде линий задержки на поверхностных акустических волнах. При этом каждая линия задержки содержит пьезокристалл.

Однако, используемая дуплексная радиосвязь 22 между модемом 21 и пунктом 23 контроля построена таким образом, что все передатчики и приемники работают на одной несущей частоте. Поэтому передатчики оказывают негативное влияние на собственные приемники, снижая их помехоустойчивость и достоверность принимаемой информации.

Технической задачей изобретения является повышение принимаемой помехоустойчивости и достоверности обмена дискретной информацией между пунктом контроля и модемом путем использования двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией

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, при этом 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, отличается от ближайшего аналога тем, что на пункте контроля формируют высокочастотное колебание на частоте wв, манипулируют его по фазе модулирующим кодом M1(t), который является кодом запроса, образованный сложный сигнал с фазовой манипуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты wr1 первого гетеродина, выделяют напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты, усиливают его по мощности, излучают в эфир на частоте WI=wup1=wв + wr1, улавливают модемом, усиливают по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты wr1 первого гетеродина, выделяют напряжение второй промежуточной (разностной) частоты wup2=wI-wr1, перемножают его с напряжением второго гетеродина, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляции на частоте wr1 первого гетеродина, осуществляют его синхронное детектирование с использованием напряжения первого гетеродина в качестве опорного напряжения, выделяют первое низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду M1(t) и направляют его в контролер для дальнейшей обработки, в модеме формируют высоко частотное колебание на чистоте wв, манипулируют его по фазе модулирующим кодом M2(t), который содержит информацию о наличии изменений контролируемых параметров, образованный сложный сигнал с фазовой манипуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты wr2 второго гетеродина, выделяют напряжение промежуточной (разностной) частоты wup=wr2 - wв, усиливают его по мощности, излучают в эфир на частоте WII = wup, улавливают на пункте контроля, усиливают по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты wr2 второго гетеродина, выделяют напряжение второй промежуточной (разностной) частоты wup2 = wr2 - wup, перемножают его с напряжением первого гетеродина, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте wr2 второго гетеродина, осуществляют его синхронное детектирование с использованием напряжения второго гетеродина в качестве опорного напряжения, выделяют второе низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду M2(t), и направляют его в микропроцессор для дальнейшей обработки, причем частоты wr1 и wr2 гетеродинов разносят на значение второй промежуточной частоты wup2 = wr2 - wr1.

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, при этом 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, отличается от ближайшего аналога тем, что пункт контроля выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с микропроцессором, первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной (суммарной) частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной (разностной) частоты, перемножителя, второй вход которого соединен со вторым выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с вторым выходом второго гетеродина, а выход подключен к микропроцессору, модем выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен с контроллером второго смесителя, второй вход которого соединен со вторым выходом второго гетеродина, усилителя промежуточной (разностной) частоты, второго усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первого усилителя мощности, первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, усилителя второй промежуточной (разностной) частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен со вторым выходом первого гетеродина, а выход подключен к контроллеру, частоты wr1 и wr2 гетеродинов разнесены на значения второй промежуточной частоты wup2 = wr2 - wr1.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерных сооружений, представлена на рис. 1. Структурная схема контроллера 20 изображена на рис. 2. Функциональные схемы блоков измерения и преобразователей на основе линий задержки показаны на рис. 3. Структурные схемы пункта контроля 23 и модема 21 представлены на рис. 4 и 5 соответственно. Частотная диаграмма показана на рис. 6.

Устройство состоит из элемента 1 конструкции, изготовленного из того же материала, что и контролируемый участок конструкции, на котором расположены блоки измерения:

- 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.

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.

Контроллер 20 содержит последовательно включенные синхронизатор 24, соединенный с выходом фазового детектора 55, 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.

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 35j 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).

Пункт контроля 23 содержит последовательно включенные задающей генератор 38, фазовый манипулятор 40, второй вход которого соединен с микропроцессором 39, первый смеситель 42, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина 41, усилитель 43 первой промежуточной (суммарной) частоты, первый усилитель частоты 44 мощности, дуплексор 45, вход- выход которого связан с приемопередающей антенной 46, второй усилитель 63 мощности, второй смеситель 65, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 64, усилитель 66 второй промежуточный (разностной) частоты, перемножитель 67, второй вход которого соединен с вторым выходом первого гетеродина 41, полосовой фильтр 68 и фазовый детектор 69, второй вход которого соединен с вторым выходом второго гетеродина 64, а выход подключен к микропроцессору 39.

Модем 21 содержит последовательно включенные задающий генератор 56, фазовый манипулятор 58, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен с выходом контроллера 20, второй смеситель 60, второй вход которого соединен со вторым выходом второго гетеродина 59, усилитель 61 промежуточный (разностной) частоты, второй усилитель 62 мощности, дуплексер 48, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 47, первый усилитель 49 мощности, первый смеситель 51, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина 50, усилитель 52 второй промежуточной (разностной) частоты, перемножитель 53, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 59, полосовой фильтр 54 и фазовой детектор 55, второй вход которого соединен со вторым выходом первого гетеродина 50, а выход подключен к контроллеру 20.

Предлагаемой способ осуществляется описанным устройством следующим образом (на примере трубопровода системы жизнеобеспечения сооружения объектов военной инфраструктуры).

В процессе эксплуатации сооружений происходит изменение технологических параметров трубопроводов системы жизнеобеспечения объектов военной инфраструктуры, 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.

На пункте 23 контроля задающей генератор 38 формирует высокочастотное колебание:

где Vв1, wв, ϕв1, Тв1 - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 40, на второй вход которого подается модулирующий вход M1(t) с выхода микропроцессора 39. В качестве модулирующего кода M1(t) является код, соответствующий заданному измерительному патрубку трубопровода. На выходе фазового манипулятора 40 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМН)

где ϕкв(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M1(t), причем ϕкв(t)=const при кτэ≤t≤(к+1)τэ и может изменяться скачком при t=кτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (к=1, 2,…, N)

τэ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тв1в1 = τэ × N),

который поступает на первый вход первого смесителя 42. На второй вход последнего подается напряжение первого гетеродина 41

На выходе смесителя 42 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 43 выделяется напряжение промежуточной (суммарной) частоты.

где

wup1 = wв + wr1 - первая промежуточная (суммарная) частота;

ϕup1 = ϕв1 + ϕr1.

Это напряжение после усиления в усилителе 44 мощности излучается приемопередающей антенной 46 в эфир на частоте wI = wup1, улавливается приемопередающей антенной 47 модема 21 и через дуплексер 48 и усилитель 49 мощности поступает на первый вход первого смесителя 51, на второй вход которого подается напряжение Ur1(t) первого гетеродина 50. На выходе первого смесителя 51 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 52 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

где

wup2 = wI - wr1 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕup2 = ϕup1 - ϕr1,

которое поступает на первой вход перемножителя 53. На второй вход перемножителя 53 подается напряжение второго гетеродина 59

При этом частоты wr1 и wr2 гетеродинов разнесены на значения второй промежуточной частоты (фиг. 6)

На выходе перемножителя образуется напряжение

где

которое выделяется полосовым фильтром 54 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 55. На второй (опорный) вход фазового детектора 55 подается напряжение Ur1(t) со второго выхода первого гетеродина 50. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 55 образуется низкочастотное напряжение

где

пропорциональное модулирующему коду M1(t). Это напряжение поступает на вход контролера 20 (синхронизатора 24) и переводит его из ждущего режима в режим измерения.

При этом синхронизатор 24 включает синтезатор 25 несущих частот, который последовательно формирует гармонические колебания:

которые через дуплексер 26 последовательно во времени поступают в приемопередающую антенну 23 и излучаются ею в эфир, обеспечивая облучение соответствующих линий задержки на ПАВ.

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 36j 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:

где ϕkj(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с внутренней структурой ВШП, отражающей порядковый номер j линии задержки;

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.

Поглотители 35.j и 36.j обеспечивают режим бегущих акустических волн.

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 напряжения

где

пропорциональные порядковому номеру линии задержки и контролируемому параметру (деформации, механическому напряжению, вибрации, давлению и т.п).

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 Δϕj в цифровой вид. Результат вычислений последовательно подается на вход формирователя 57 модулирующего кода. Последней формирует модулирующий код M2(t), который поступает на второй вход фазового манипулятора 58. На первый вход фазового манипулятора 58 с выхода задающего генератора 56 подается высокочастотное колебание

На выходе фазового манипулятора 58 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

который поступает на первый вход второго смесителя 60, на второй вход которого подается напряжение Ur2(t) второго гетеродина 59.

На выходе смесителя 60 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 61 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

где

wup = wr2 - wв - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕup = ϕr2 - ϕв3.

Это напряжение после усиления в усилителе 62 мощности через дуплексер 48 поступает в приемопередающую антенну 47, излучается ею в эфир на частоте wII = wup, улавливается приемопередающей антенной 46 пункта контроля и через дуплексер 45 и усилитель 63 мощности поступает на первый вход второго смесителя 65, на второй вход которого подается напряжение Ur2(t) второго гетеродина 64. На выходе смесителя 65 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 66 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

где

wup2 = wr2 - wup - вторая промежуточная (разностная) частота

ϕup3 = ϕr2 - ϕup,

которое поступает на первый вход перемножителя 67, на второй вход которого подается напряжение Ur1(t) первого гетеродина 41. На входе перемножителя 67 образуется напряжение

где

wr2 = wup2 + wr1;

ϕr2 = ϕup3 + ϕr1,

которое выделяется полосовым фильтром 68 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 69. На второй (опорный) вход фазового детектора 69 подается напряжение Ur2(t) второго гетеродина 64. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 69 образуется низкочастотное напряжение

где

пропорциональное модулирующему коду M2(t). Это напряжение поступает в микропроцессор 39, где сравнивается с данными, полученными при метрологической аттестации, и проводится анализ технического состояния трубопровода системы жизнеобеспечения объектов военной инфраструктуры.

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.

Метрологическая аттестация патрубка осуществляется до его врезки в систему трубопровода.

Патрубок с установленными на нем датчиками, который после аттестации становится многоканальным измерительным устройством, устанавливают на потенциально-опасном участке системы, 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 системы жизнеобеспечения объектов военной инфраструктуры.

Предлагаемые способ и устройство обеспечивают повышение эффективности дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции и инженерных сооружений, например, потенциально-опасных участков систем жизнеобеспечения объектов, 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.

Основной особенностью датчиков в виде линий задержки на ПАВ являются малые габариты и отсутствие источников питания (батарей, аккумуляторов).

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости и достоверности обмена дискретной информацией между пунктом контроля и модемом. Это достигается использованием двух частот wI, wII и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Указанные сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. В следствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМН-сигнала отнюдь не мала, она просто равномерно распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемников.

Сложные ФМн-сигналы открывают новые возможности в технике передачи дискретных сообщений и их защиты от несанкционированного доступа. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекций - структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность выделять сложные ФМн-сигналы среди других сигналов и помех, действующих в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Данная возможность реализуется сверткой спектра сложных ФМн-сигналов.

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, при этом 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, отличающийся тем, что на пункте контроля формируют высокочастотное колебание на частоте wв, манипулируют его по фазе модулирующим кодом M1(t), который является кодом запроса, образованный сложный сигнал с фазовой манипуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты wrl первого гетеродина, выделяют напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты, усиливают его по мощности, излучают в эфир на частоте w1=wupl=wв+wr1, улавливают модемом, усиливают по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты wr1 первого гетеродина, выделяют напряжение второй промежуточной (разностной) частоты wup2=w1-wr1, перемножают его с напряжением второго гетеродина, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте wr1 первого гетеродина, осуществляют его синхронное детектирование с использованием напряжения первого гетеродина в качестве опорного напряжения, пропорциональное модулирующему коду M1(t), и направляют его в контроллер для дальнейшей обработки, в модеме формируют высокочастотное колебание на частоте wв, манипулируют его по фазе модулирующим кодом M2(t), который содержит информацию о наличии изменений контролируемых параметров, образованный сложный сигнал с фазовой манипуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты wr2, второго гетеродина, выделяют напряжение промежуточной (разностной) частоты wup=wr2-wв, усиливают его по мощности, излучают в эфир на частоте wup=w11, улавливают на пункте контроля, усиливают по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты wr2 второго гетеродина, выделяют напряжение второй промежуточной (разностной) частоты wup2=wr2-wup, перемножают его с напряжением первого гетеродина, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте wr2 второго гетеродина, осуществляют его синхронное детектирование с использованием напряжения второго гетеродина в качестве опорного напряжения, выделяют второе низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду М2(t), и направляют его в микропроцессор для дальнейшей обработки, причем частоты wr1 и wr2 гетеродинов разносят на значение второй промежуточной частоты wup2= wr2-wrl.

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, при этом 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, отличающееся тем, что пункт контроля выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом микропроцессора, первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной (суммарной) частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной (разностной) частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с вторым выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с вторым выходом второго гетеродина, а выход подключен к микропроцессору, модем выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен с контроллером, второго смесителя, второй вход которого соединен со вторым выходом второго гетеродина, усилителя промежуточной (разностной) частоты, второго усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первого усилителя мощности, первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, усилителя второй промежуточной (разностной) частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен со вторым выходом первого гетеродина, а выход подключен к контроллеру, частоты wr1 и wr2 гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты wup2=wr2-wr1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидромашиностроения, а именно к испытательной технике, и может быть использовано для исследования динамики испытуемого объекта при действии продольных вибрационных нагрузок.

Изобретение относится к неразрушающим динамическим испытаниям строительных конструкций, в частности к испытаниям элементов ферм. Способ заключается в возбуждении в стержне вынужденных упругих колебаний с изменяющейся частотой и регистрации значения частоты его резонансных колебаний.

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Способ включает нагрев воздушного потока до заданной температуры, подачу его во внутреннюю полость объекта испытаний (ОИ) с заданным уровнем избыточного давления, разогрев ОИ до заданной температуры, воздействие вибрационных нагрузок на ОИ, обеспечение в процессе вибрационных нагрузок постоянной заданной температуры на наружной поверхности ОИ и заданной температуры на наружных поверхностях установки для испытаний.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам контроля состояния конструкций искусственных сооружений. Способ включает измерение параметров движения, по меньшей мере, части контролируемого элемента конструкции и съем информации о таких движениях.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам контроля состояния конструкций искусственных сооружений. Способ включает измерение параметров движения, по меньшей мере, части контролируемого элемента конструкции и съем информации о таких движениях.

Изобретение относится к акустике. Устройство бесконтактного возбуждения механических колебаний содержит громкоговоритель и рупор.

Изобретение относиться к методам неразрушающего контроля, а именно к акустическим методам, и может найти применение для оценки несущей способности железобетонных опор.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к сейсмоплатформам, предназначенным для испытания строительных конструкций на сейсмостойкость. Технический результат - расширение диапазона частот колебаний сейсмических нагрузок.

Способ может быть использован для мониторинга возникновения недопустимой вибрации гидроагрегата вследствие гидродинамических пульсаций, а также может найти применение в информационно-диагностических системах автоматической диагностики и мониторинга гидроагрегатов.

Изобретение относится к электродинамическим вибростендам и может быть использовано для возбуждения механических колебаний при испытании оборудования и других технологий, где используется вибрация.

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 специальных объектов, например, потенциально-опасных участков трубопроводов систем жизнеобеспечения объектов военной инфраструктуры, в течение всего периода их эксплуатации. Техническим результатом является повышение принимаемой помехоустойчивости и достоверности обмена дискретной информацией между пунктом контроля и модемом путем использования двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции и инженерных сооружений заключается 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 и проводят метрологическую аттестацию элемента. Далее 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, при этом блоки измерения и преобразователи выполняют в виде линий задержки на поверхностных акустических волнах. При преобразовании акустических волн в электромагнитный сигнал используется фазовая манипуляция, при этом структура сигнала отражает порядковый номер линии задержки и величину контролируемого параметра. Обмен дискретной информацией между пунктом контроля и модемом осуществляется путем использования двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Устройство, реализующее предполагаемый способ, содержит элемент 1 конструкции, блоки измерения: 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 сращения, преобразователи 11-19, контроллер 20, модем 21, линию радиосвязи 22 и пункт 23 контроля. Особенности конструкции блоков измерения, преобразователей, контроллера 20, пункта контроля 23 приведены в описании и на поясняющих чертежах. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Наверх