Monitorowanie obiektów budowlanych na przykładzie Stadionu Olimpijskiego w Pekinie

Testowanie oraz monitorowanie stanu struktur budowlanych jest dużym wyzwaniem dla tradycyjnych urządzeń akwizycji danych. Firma National Instruments (NI) oferuje przenośne systemy testujące oraz systemy zainstalowane na stałe, które charakteryzują się wydajnością, niezawodnością i wszechstronnością, umożliwiając inżynierom szybkie wdrażanie nowych rozwiązań.

Monitorowanie długoterminowe oraz system przenośny

Zagadnienie monitorowania struktur budowlanych można podzielić na dwa główne typy: systemy monitorowania długoterminowego oraz systemy przenośne.

System monitoringu długoterminowego pobiera parametry charakteryzujące strukturę przez miesiące lub lata, zapewniając dostęp do bieżących informacji dotyczących stanu budowli. Ponieważ system działa w sposób ciągły i bez nadzoru, bardzo często w trudno dostępnych miejscach, konieczne jest, aby był on zoptymalizowany pod względem niezawodności oraz pozwalał na kontrolowanie w sposób zdalny.

Przenośny system testujący jest instalowany tymczasowo na budowli lub konkretnym elemencie, w celu uzyskania informacji o aktualnym stanie struktury lub jej fragmentu. Przykładem mogą być tensometry zamontowane na moście w celu dobowych pomiarów naprężenia lub też system do pomiaru amplitudy
i częstotliwości drgań. Ważnymi elementami systemów przenośnych jest szybka i łatwa konfiguracja oraz sterowanie z komputera przenośnego.

NI oferuje różne produkty, które mogą wspomagać oba typy aplikacji, ten artykuł skupia się jednak na urządzeniu NI CompactRIO, będącym platformą dla aplikacji działających przez długi okres czasu oraz na kartach akwizycji danych NI Wi-Fi DAQ (Data Acquisition) stanowiących doskonałe rozwiązanie dla przenośnych systemów testujących.

Tablica 1. przedstawia porównanie platform CompactRIO oraz Wi-Fi DAQ. Głównym przeznaczeniem systemów opartych na CompactRIO jest praca w trudnodostępnych miejscach, z reguły w systemach autonomicznych, niewymagających obecności operatora. Dzięki wbudowanemu portowi Ethernet i/lub dodatkowym interfejsom komunikacyjnym firm trzecich (np. komunikacja poprzez GSM), możliwe jest nawiązanie połączenia z urządzeniem i pobranie danych lub zmiana parametrów akwizycji sygnałów.

Urządzenie Wi-Fi DAQ wymaga nawiązania komunikacji z routerem i przesłanie danych pomiarowych bezpośrednio do komputera. Dzięki niewielkim wymiarom i masie, idealnie nadaje się do przeprowadzania pomiarów w terenie.

Czujniki wykorzystywane w pomiarach parametrów struktur

Pomiary wibracji oraz naprężeń są najczęściej mierzonymi wielkościami w aplikacjach monitoringu struktur. Naprężenia mierzy się głównie przyrządami, których rezystancja mierzona w układzie pełnego, pół- lub ćwierćmostka, zmienia się zależnie od naprężenia. Wibracje natomiast mierzyć można między innymi za pomocą akcelerometrów piezoelektrycznych z wbudowanym wzmacniaczem ładunku (IEPE). Aplikacje mierzące ruchy sejsmiczne wykorzystują akcelerometry bilansu sił.

	CompactRIO	Wi-Fi DAQ
Główne przeznaczenie	Długoterminowe, ciągłe monitorowanie stanu obiektu; Długoterminowe badania naprężeń/drgań; Monitoring zmęczeniowy.	Przenośne testy struktur; Diagnozy struktur; Pomiary obciążenia; Testy krótkoterminowe.
Tryby pracy	Niezależny (wbudowane przetwarzanie i logowanie danych).	Oparte o technologię PC (przesyłanie danych do komputera PC w czasie rzeczywistym).
Możliwości komunikacji	Ethernet (opcjonalnie interfejsy komunikacyjne firm trzecich).	Wi-Fi (802.11b/g) i Ethernet.
Wejścia/wyjścia	Moduły serii C (pomiary statyczne lub dynamiczne).	Moduły serii C (pomiary statyczne lub dynamiczne).

Inne typy czujników wykorzystywanych w systemach monitoringu struktur to czujniki przemieszczeń LVDT (ang. Linear Variable Differential Transformer), potencjometry do badania przemieszczeń, czujniki przechyleń i pęknięć, termopary, rezystancyjne detektory temperatury (RTD) oraz inne czujniki do pomiarów środowiskowych, takich jak wilgotność czy też prędkość i kierunek wiatru.

Moduły serii C firmy National Instruments są niewielkimi urządzeniami do przeprowadzania pomiarów poprzez bezpośrednie dołączanie przetworników wielkości fizycznych. Moduły zawierają wbudowane układy kondycjonowania sygnałów oraz przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C), pozwalając na podłączenie czujników bezpośrednio do urządzenia, bez potrzeby korzystania z zewnętrznych układów kondycjonujących. Urządzenia serii C wykorzystywane są na wielu platformach pomiarowych, m.in. CompactRIO, CompactDAQ, Wi-Fi DAQ oraz USB DAQ. Dzięki modułom serii C możliwy jest pomiar sygnałów dynamicznych z czujników naprężeń i przyspieszeń z prędkością do 51 200 próbek na kanał przy wykorzystaniu niskoszumnego, 24-bitowego przetwornika A/C. Możliwe jest także podłączenie praktycznie dowolnego czujnika wykorzystywanego w testach strukturalnych i monitorujących, wliczając w to czujniki przesunięć, termopary, RTD i inne. Przykładowe moduły przedstawione zostały na rys. 2.