Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2472129

(19)

RU

(11)

2472129

(13)

C1

(51) МПК G01M7/00 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.12.2012 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011128276/28, 05.07.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

05.07.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 05.07.2011

(45) Опубликовано: 10.01.2013

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: RU 87792 U1, 20.10.2009. RU 53049 U1, 27.04.2006. RU 2333537 С1, 10.09.2008. RU 2310895 С1, 20.11.2007. Казачек В.Г., Нечаев Н.В. и др. Обследование и испытания зданий и сооружений. - М.: Высшая школа, 2006, с.164.

Адрес для переписки:

197348, Санкт-Петербург, Богатырский пр-кт, 2, ЛенСпецСМУ, В.А. Заренкову

(72) Автор(ы):

Заренков Вячеслав Адамович (RU),

Заренков Дмитрий Вячеславович (RU),

Дикарев Виктор Иванович (RU),

Сажин Павел Борисович (RU),

Смольников Олег Викторович (RU),

Чурилин Валерий Аркадьевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Заренков Вячеслав Адамович (RU),

Заренков Дмитрий Вячеславович (RU),

Дикарев Виктор Иванович (RU),

Сажин Павел Борисович (RU),

Смольников Олег Викторович (RU),

Чурилин Валерий Аркадьевич (RU)

(54) СИСТЕМА МОНИТОРИНГА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗДАНИЙ И ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений. Система содержит автоматизированное рабочее место (АРМ), объекты диагностики, цифровую линию связи, блоки предварительной обработки сигналов, блок параметрических датчиков состояния конструкции объектов диагностики, блок пожарных датчиков, блок датчиков химического состава воздуха, блок датчиков химического состава воды, компьютер, устройство цветного мнемонического отображения текущего и аварийного состояния объекта диагностики, устройство аварийной сигнализации, микроЭВМ, блок памяти, источник питания, датчики деформации, датчики линейных сдвигов, датчики давления, датчики вибраций, термодатчики, датчики дыма, прибор химической разведки, прибор радиационной разведки, газоанализатор составляющих газов, прибор биологической разведки, спектрофотометр, источник звука, источник света, монитор, видеопроектор, светодиодный экран, маршрутизаторы и электронные коммутаторы. Каждый датчик содержит пъезокристалл, микрополосковую приемопередающую антенну, входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, входной и выходной поглотители и согласованную нагрузку. Технический результат заключается в повышении эффективности системы мониторинга, снижении энергопотребления и повышении надежности датчиков. 3 ил.

Предлагаемая система относится к измерительной технике, конкретно к системам мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно - строительных сооружений производственного, спортивного, культурного, публичного и военного назначения.

Известны системы мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений (авт. свид. СССР 1.200.123, 1.213.350; патенты РФ 2.180.430, 2.327.105, 2.357.205, 2.413.055; полезная модель РФ 87.792; Казачек В.Г. и др. Обследование и испытания зданий и сооружений. - М.: Высшая школа, 2006-164 с. и другие).

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Система мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений» (патент на полезную модель 87.792, G01B 7/16 2000), которая и выбрана в качестве прототипа.

Система обладает повышенной точностью контроля безопасности эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений. Предварительная обработка показаний датчиков непосредственно на контролируемом объекте и циклический опрос результатов контроля с удаленного автоматизированного рабочего места (АРМ) позволяет разрешить проблему противоречия точности и скорости измерений параметров периферийных объектов диагностики с удаленного АРМ.

В указанной системе одним из основных элементов являются датчики, в состав которых входят первичные преобразователи деформаций, линейных сдвигов, давления, вибраций, температуры, влажности, химического состава воздуха, химического состава воды и т.д. При этом первичные преобразователи основаны на различных физических принципах. Широко известны индуктивные, потенцемерические и тензометрические первичные преобразователи.

Достоинством индукционных первичных преобразователей является:

- точность (0,1%) измерений в большом диапазоне перемещений (±20 мм) в широком диапазоне температур от -55 до +85 С°;

- разрешающая способность (10 -3 мм);

- высокая линейность (0,1%);

- надежность (10 -6 );

- технологичность;

- практически не зависит от атмосферных условий;

- пригодны к использованию в условиях чрезвычайно агрессивной среды.

Эти качества очень важны для систем конструкционной безопасности зданий и сооружений.

Основными недостатками являются:

- высокая потребляемая мощность - от 100 до 500 мВт;

- сложность в обработке снимаемых сигналов;

- требуют питания стабильным синусоидальным напряжением.

Первичные преобразователи этого типа, с одной стороны, чувствительны к внешним электромагнитным полям, а с другой - способны сами их индуцировать. Поэтому их необходимо экранировать. Все эти факторы делают затруднительным применение данных датчиков в составе беспроводных систем.

Достоинством потенцеметрических первичных преобразователей являются:

- точность измерений (0,5%) в большом диапазоне перемещений (0-50; 0-100; 0-200; 0-300) в широком диапазоне температур - от -40 до +65 С°;

- высокая линейность (0,5%);

- разрешающая способность (10 -2 );

- надежность (10 -6 );

- малая потребляемая мощность - от 2 до 10 мВт, что очень важно для беспроводных систем мониторинга.

Основными недостатками являются:

- малая эффективность в диапазоне перемещений менее ±1 мм;

- износ потенцеметрического элемента;

- высокая цена.

Достоинствами тензометрических первичных преобразователей являются:

- точность измерений (1%) в диапазоне перемещений (0,2;±2,0;) в широком диапазоне температур от -40 до +65 С°;

- разрешающая способность (10 -3 мм);

- надежность (10 -6 );

- малая потребляемая мощность от 1 до 5 мВт, что очень важно для беспроводных систем мониторинга.

Основными недостатками являются:

- старение тензочувствительных элементов;

- наличие гистерезиса.

Следовательно, основными недостатками датчиков известной системы являются высокое энергопотребление и низкая надежность.

Высокое энергопотребление связано с наличием источников питания (батарей или аккумуляторов) и работой датчиков в непрерывном режиме.

Поскольку процесс, например деформации зданий и сооружений очень медленный и только в экстремальных ситуациях требуется непрерывный поток информации, алгоритм работы известной системы позволяет задавать интервалы опроса датчиков от 5 секунд до 1 месяца. В большинстве случаев для мониторинга объектов достаточно 1-2 измерений в сутки.

Низкая надежность датчиков известной системы связана с надежностью источников питания и с необходимостью их регулярной замены. Как правило продолжительность работы любого источника питания не превышает нескольких дней.

Высокое энергопотребление и низкая надежность датчиков известной системы снижают ее эффективность как элемента комплексной безопасности городской инфраструктуры. Применение систем мониторинга на больших социально-значимых объектах таких как: вокзалы, аэропорты, стадионы, торгово-развлекательные комплексы, рынки и т.д. повышает безопасность таких объектов. Но в этом случае система мониторинга, как элемент системы безопасности, должна обладать высокой степенью надежности. Для повышения надежности систем мониторинга необходимо в процессе производства и ремонта исключить «человеческий фактор», а это возможно, только в случае применения средств технического контроля выпускаемой продукции.

Высокое энергопотребление и низкая надежность датчиков приводит к снижению эффективности системы мониторинга эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности системы мониторинга эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений путем снижения энергопотребления и повышения надежности датчиков, которые являются одним из основных элементов данной системы.

Поставленная задача решается тем, что система мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, не менее одного автоматизированного рабочего места (АРМ) контроля безопасности объектов диагностики, соединенного через цифровую линию связи и блок предварительной обработки сигналов с блоком параметрических датчиков состояния объектов диагностики, включающим датчики деформации, датчики линейных сдвигов, датчики давления и/или датчики вибрации с аналоговым и/или с цифровым выходом, с блоком пожарных датчиков, содержащим термодатчики и/или датчики дыма с аналоговым и/или с цифровым выходом, с блоком датчиков химического состава воздуха, включающим прибор химической разведки, прибор радиационной разведки и/или газоанализатор с цифровым и/или аналоговым выходом, с блоком датчиков химического состава воды, включающим прибор биологической разведки и/или спектрофотометр с цифровым или аналоговым выходом, при этом АРМ снабжена компьютером для анализа состояния объектов диагностики, устройством цветного мнемонического отображения текущего и аварийного состояния объектов диагностики и устройством аварийной сигнализации, выполнено удаленно от объектов диагностики, установлено в диспетчерской МЧС, в диспетчерской службе спасения и/или в диспетчерской пожарной станции, компьютер удаленного АРМ выполнен с возможностью опроса измерений блоков предварительной обработки сигналов объектов контроля, содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения не менее чем двуядерный процессор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство с программой управления и контроллеры ввода/вывода для соединения с цифровой линией связи, с устройством отображения цветного мнемонического отображения текущего и аварийного состояния объектов диагностики, выполненным в виде монитора, видеопроектора и/или светодиодного экрана с цифровым выходом для соединения с компьютером АРМ, т.е. устройством аварийной сигнализации, включающим источник звука и/или источник света с цифровым входом для соединения с компьютером АРМ, блок предварительной обработки сигналов каждого объекта диагностики, выполненным с возможностью приема и регистрации сигналов датчиков с возможностью сравнения текущих значений сигналов с пороговыми значениями и с возможностью хранения результатов измерений, содержит микроЭВМ, блок памяти и бесперебойный источник питания, микроЭВМ снабжена аналого-цифровыми преобразователями для соединения с датчиками с аналоговыми выходами и контроллерами ввода/вывода - для соединения с датчиками с цифровыми выходами и с цифровой линией связи, в качестве которой использована сотовая сеть регионального оператора связи, монитор выполнен с возможностью отображения на его экране мнемосхемы контролируемых объектов, оценки состояния безопасности их отдельных элементов по изменению их цвета и возможностью вызова текстовых сообщений о характеристиках объектов контроля и их элементов непосредственным нажатием пальцем на интересующий оператора элемент контроля, отображенный на экране монитора, и/или с помощью наведения экранной метки ручного манипулятора типа "мышь" на данный элемент, отличается от ближайшего аналога тем, что блок предварительной обработки сигналов снабжен устройством считывания, а каждый датчик выполнен на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах, причем устройство считывания содержит последовательно включенные синхронизатор, опорный генератор, первый делитель частоты на два, первый датчик опорной частоты, первый смеситель, второй вход которого через последовательно включенные второй делитель частоты на три и второй датчик опорной частоты соединен с выходом опорного генератора, первый фильтр суммарной частоты, второй смеситель, второй вход которого через последовательно включенные третий делитель частоты на четыре и третий датчик опорной частоты соединен с выходом опорного генератора, второй фильтр суммарной частоты, третий смеситель, второй вход которого через последовательно включенные умножитель частоты на два и четвертый датчик опорной частоты соединен с выходом опорного генератора, третий фильтр суммарной частоты, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, и четыре канала приема сигналов, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу дуплексера узкополосного фильтра и фазометра, второй вход которого соединен с выходом соответствующего датчика опорной частоты, а выход подключен к микро ЭВМ, каждый датчик содержит пьезокристалл, на поверхности 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.

Функциональная схема системы мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений представлена на фиг.1. Структурная схема устройства считывания изображена на фиг.2. Функциональные схемы датчиков на основе линий задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) показаны на фиг.3.

Система мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений содержит не менее одного автоматизированного рабочего места (АРМ) 1 контроля безопасности объектов 2 диагностики, соединенного через цифровую линию 3 связи и блоки 4 предварительной обработки сигналов с блоком 5 параметрических датчиков состояния конструкции объектов 2 диагностики, блоком 6 пожарных датчиков, блоком 7 датчиков химического состава воздуха и/или блоком 8 датчиков химического состава воды соответствующего объекта контроля, конкретное количество видов и количество датчиков 5-8 определяется назначением объекта 2 контроля. Так для сооружений типа спортивный бассейн одним из возможных объектов контроля безопасности его эксплуатации является качество воды и прочность опор и свода над бассейном. В этом случае достаточно ограничиться в системе мониторинга блоком 5 параметрических датчиков и блоком 8 датчиков химического состава воды. АРМ 1 выполнено удаленным от объектов 2 диагностики, установлено в диспетчерской МЧС, в диспетчерской службы спасения и/или в диспетчерской пожарной станции (на фиг.1 не показан). АРМ 1 содержит компьютер 9 для анализа состояния объектов 2 диагностики, устройство 10 цветного мнемонического отображения текущего и аварийного состояния объектов диагностики и устройство 11 аварийной сигнализации. Компьютер 9 каждого АРМ 1 выполнен с возможностью опроса измерений блоков 4 предварительной обработки сигналов объектов контроля. Каждый блок 4 предварительной обработки сигналов выполнен с возможностью приема и регистрации сигналов датчиков 5-8 объекта 2 диагностики, содержащих измерительную информацию, с возможностью сравнения упомянутой информации с заранее внесенными в его память пороговыми значениями и с возможностью хранения результатов измерений. Он содержит микроЭВМ 12, блок памяти 13 и бесперебойный источник 14 питания, причем микроЭВМ 12 снабжена аналого-цифровыми преобразователями для соединения с датчиками с аналоговыми выходами и контроллерами ввода/вывода - для соединения с датчиками с цифровыми выходами блоков 5-8 и с цифровой линией 3 связи. Блок 5 параметрических датчиков состояния конструкций объектов диагностики включает датчики 15 деформации, датчики 16 линейных сдвигов, датчики 17 давления и/или датчики 18 вибраций с аналоговым и/или с цифровым выходом. Блок датчиков 7 химического состава воздуха включает прибор 21 химической разведки, прибор 22 радиационной разведки и/или газоанализатор 23 составляющих газов воздуха с цифровым и/или аналоговым выходом. Блок 8 датчиков химического состава воды включает прибор 24 биологической разведки и/или спектрофотометр 25 с цифровым или аналоговым выходом. Выходы датчиков 15-25 каждого объекта 2 диагностики соединены с компьютерами 9 удаленных АРМ 1 через блок 4 и сеть регионального оператора связи 3. Каждый компьютер 9 удаленного АРМ 1 выполнен по стандартной схеме персонального компьютера с возможностью опроса и измерений блоков 4 предварительной обработки сигналов объекта 2 контроля и содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения не менее чем двуядерный процессор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство с программой управления и контроллеры ввода/вывода для соединения с цифровой линией связи 3, с устройством 10 отображения цветного мнемонического отображения текущего и аварийного состояния объектов диагностики и с устройством 11 аварийной сигнализации. Устройство 11 аварийной сигнализации включает источник 26 звука и/или источник 27 света с цифровым выходом для соединения с компьютером 9 АРМ 1. Устройство 10 цветного мнемонического отображения текущего и аварийного состояния объектов диагностики выполнено в виде монитора 28, видеопроектора 29 и/или светодиодного экрана 30 с цифровым входом для соединения с компьютером 9 АРМ 1. Устройства 28, 29, 30 выполнены с возможностью отображения на его экране мнемосхемы контролируемых объектов оценки состояния безопасности их отдельных элементов по изменению их цвета и возможностью вызова текстовых сообщений о характеристиках объектов контроля и их элементов путем наведения экранной метки ручного манипулятора типа "мышь" на данный элемент.

Монитор 28 может быть выполнен с возможностью вызова текстовых сообщений о характеристиках объектов контроля и их элементов непосредственным нажатием пальцем или пластиковым карандашом на интересующий оператора элемент контроля, отображаемый на экране монитора 28.

В качестве цифровой линии 3 связи, связывающей компьютер 9 удаленных АРМ 1 с блоками 4 предварительной обработки объектов 2 контроля, использована магистральная цифровая сеть передачи данных регионального оператора. Она выполнена по известной технологии IP MPLS с пакетной передачей данных по IP-адресам и снабжена маршрутизаторами 31 на электронных коммутаторах 32 производства Cisco Systems серии 3800 или 3700 для кодирования (сжатия), декодирования и маршрутизации по IP-адресам с временным разделением направлений потоков цифровых сигналов между АРМ 1 и аппаратурой 4-8 контроля безопасности, установленной на объектах 2.

Устройство считывания содержит последовательно включенные синхронизатор 33, опорный генератор 35, первый делитель 36.1 частоты на два, первый датчик 38.1 опорной частоты, первый смеситель 39.1, второй вход которого через последовательно включенные второй делитель 36.2 частоты на три и второй датчик 38.2 опорной частоты соединен с выходом опорного генератора 35, первый фильтр 40.1 суммарной частоты, второй смеситель 39.2, второй вход которого через последовательно включенные третий делитель 36.3 частоты на четыре и третий датчик 38.3 опорной частоты соединен с выходом опорного генератора 35, второй фильтр 40.1 суммарной частоты, третий смеситель 39.3, второй вход которого через последовательно включенные умножитель 37 частоты на два и четвертый датчик 38.4 опорной частоты соединен с выходом опорного генератора 35, третий фильтр 40.3 суммарной частоты, дуплексер 41, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 42, и четыре канала приема сигналов, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу дуплексера 41 узкополосного фильтра 43 (44, 45, 46) и фазометра 47 (48, 49, 50), второй вход которого соединен с выходом соответствующего датчика 38.1 (38.2, 38.3, 38.4) опорной частоты, а выход подключен к микроЭВМ 12.

Опорный генератор 35, делители 36.1, 36.2, и 36.3 частоты, умножитель 37 частоты на два, датчики 38.1, 38.2, 38.3 и 38.4 опорной частоты, смесители 39.1, 39.2, 39.3, фильтры 40.1, 40.2, 40.3 образуют синтезатор 34 частоты.

Каждый датчик выполнен на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и содержит пьезокристалл 51.j, на поверхности которого нанесены входной 55.j и выходной 56.j встречно-штыревые преобразователи (ВШП), входной 53.j и выходной 54.j поглотители. При этом входной ВШП 55.j соединен с микрополосковой приемопередающей антенной 52.j, а выходной ВШП 56.j соединен с согласованной нагрузкой 57.j, импеданс которой зависит от внешнего воздействия (j=1, 2, , m).

Система мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений работает следующим образом.

В процессе эксплуатации больших социально-значимых объектов 2, такие как: вокзалы, аэропорты, стадионы, торгово-развлекательные комплексы, рынки и т.д. происходит изменение их технических параметров (линейное расширение, усадка сооружений и т.п.), обусловленное старением и дефектами строительных конструкций. При этом датчики 15-18 регистрируют эти изменения и передают их на микроЭВМ 12. Поскольку процесс деформации зданий и инженерно-строительных сооружений очень медленный и только в экстремальных ситуациях требуется непрерывный поток информации, алгоритм работы предлагаемой системы позволяет задавать интервалы опроса датчиков от десятков секунд до 1 месяца. В большинстве случаев для мониторинга объектов 2 достаточно 1-2 измерения в сутки. При этом в качестве датчиков используются линии задержки на ПАВ, основной особенностью которых являются малые габариты и отсутствие источников питания (батарей, аккумуляторов). Каждый датчик настроен на определенную частоту. Для периодического опроса таких датчиков используется синтезатор 34 частот, входящий в состав устройства считывания (фиг.2).

Технология дистанционного измерения физических величин с использованием пассивных (т.е. не требующих источника электропитания) ПАВ датчиков предполагает наличие приемопередающего устройства (устройства считывания), радиоканала, датчика ПАВ. Принцип работы датчиков основан на известных с конца XIX века физических явлениях пьезоэффекта и ПАВ. Данный принцип иллюстрируют структурная схема устройства считывания и обобщенная схема датчиков физических величин на основе линий задержки на ПАВ (фиг.2, 3).

Синхронизатор 33 запускает высокостабильный кварцевый генератор 35, который формирует гармоническое колебание с частотой 0

u 0 (t)=U 0 cos( 0 t+ 0 ),

которое поступает на делители 36.1, 36.2 и 36.3 частоты и на умножитель 37 частоты на два. Делители частоты 36.1, 36.2 и 36.3 понижают частоту 0 опорного генератора 35 в целое число раз (d, d=2, 3, 4), а умножитель 37 частоты увеличивает ее в целое число раз (2).

Частоты, полученные в результате деления и умножения частоты 0 опорного генератора 35 используются для формирования опорных частот в специальных устройствах, которые называются датчиками 38.1, 38.2, 38.3 и 38.4 опорных частот.

Общее количество датчиков опорных частот в синтезаторе 34 частот зависит от диапазона формируемых синтезатором частот и интервала между соседними частотами: чем шире диапазон частот синтеза тора 34 частот и меньше интервал, тем больше количество датчиков опорных частот требуется. При декадной установке частоты каждый датчик опорных частот формирует десять опорных частот с определенным интервалом между соседними частотами. Общее количество необходимых датчиков определяется количеством цифр (разрядов) в записи максимальной частоты синтезатора. Например, максимальная частота синтезатора, формирующего сетку частот с интервалом =1 кГц, 5 МГц=5000 кГц, т.е. содержит четыре разряда. Поэтому синтезатор должен иметь четыре датчика опорных частот: 38.1, формирующий десять частот с интервалом 1 =1 кГц, 38.2 - десять частот с интервалом 2 =10 1 =10 кГц, 38.3 - десять частот с интервалом 3 =10 2 =100 кГц, 38.4 - формирует частоты с интервалом 4 =10 3 =1000 кГц=1 МГц. Количество опорных частот с интервалом 1 МГц в данном примере только пять.

Опорные частоты, сформированные в датчиках 38.1, 38.2, 38.3 и 38.4, подаются на смесители 39.1, 39.2 и 39.3. Полосовые переключаемые фильтры 40.1, 40.2 и 40.3, включенные на выходе смесителей 39.1, 39.2 и 39.3 соответственно, выделяют в данном примере суммарную частоту, на выходе первого 40.1 1 + 2 , на выходе второго 40.2 1 + 2 + 3 , на выходе третьего 40.3. 1 + 2 + 3 + 4 .

Частоты на выходе возбудителя при декадной установке определяется положениями переключателей каждый декады. Относительная нестабильность частоты на выходе синтезатора 34 равна нестабильности частоты опорного генератора 35.

Следовательно, на выходах датчиков 38.1, 38.2, 38.3 и 38.4 формируются гармонические напряжения опорных частот

u 1 (t)=U 1 cos( 1 t+ 1 ),

u 2 (t)=U 2 cos( 2 t+ 2 ),

u 3 (t)=U 3 cos( 3 t+ 3 ),

u 4 (t)=U 4 cos( 4 t+ 4 ).

Указанные гармонические напряжения с выхода фильтра 38.4 суммарной частоты поступают через дуплексер 41 в приемопередающую антенну 42 и излучаются ею в эфир, обеспечивая облучение соответствующих датчиков 15-18. Каждый датчик настроен на определенную частоту, которая определяется количеством электродов и расстояниями между ними.

Энергия высокочастотного электромагнитного колебания, принимаемого микрополосковой приемопередающей антенной 52.j датчика, поступает на электроды входного ВШП 55.j, вызывая механическое гармоническое колебание в пьезоэлектрической подложке датчика за счет явления обратного пьезоэффекта. Механические колебания порождают ПАВ, которая распространяется как в направлении выходного ВШП 56.j, так и в направлении входного поглотителя 53.j. Механические колебания приводят к изменению разности потенциалов между электродами ВШП 56.j (явление прямого пьезоэффекта), что вызывает появление высокочастотного тока, протекающего через цепь нагрузки 57.j. Отраженная от ВШП 56.j в сторону выходного поглотителя 54.j и в сторону ВШП 55.j ПАВ, ослабленная по амплитуде за счет вносимых звукопроводом линии задержки потерь, приводит к изменению разности потенциалов между электродами ВШП 55.j, вызывая в нагрузке (микрополосковой приемопередающей антенне 52.j) высокочастотный ток (j=1, 2, , m). Антенна излучает ответные гармонические напряжения:

u 5 (t)=U 5 cos( 1 t+ 1 + 1 ),

u 6 (t)=U 6 cos( 2 t+ 2 + 2 ),

u 7 (t)=U 7 cos( 3 t+ 3 + 3 ),

u 8 (t)=U 8 cos( 4 t+ 4 + 4 ).

Рассматриваемая схема предусматривает изменение коэффициента отражения от ВШП 56.j за счет изменения импеданса нагрузки 57.j под влиянием измеряемой физической величины, а следовательно, и появление фазового сдвига 1 , 2 , 3 и 4 , который соответствует измеряемой физической величине (j=1, 2, , m, где m - количество датчиков). Поглотители обеспечивают режим бегущих акустических волн.

Гармонические напряжения u 5 (t)-u 8 (t) принимаются микрополосковой приемопередающей антенной 42 и через дуплексер 41 поступают на входы узкополосных фильтров 43-46, частоты настройки которых выбираются равными H1= 1 , H2 = 2 , H3 = 3 , H4 = 4 .

Гармонические напряжения u 5 (t) - u 8 (t) с выходов узкополосных фильтров 43-46 поступают на первые входы фазометров 47-50, на вторые входы которых подаются напряжения u 1 (t) - u 4 (t) с выходов датчиков 38.1-38.4 опорных частот. Фазометрами 47-50 измеряются фазовые сдвиги 1 - 4 , пропорциональные измеряемым физическим величинам, которые поступают на микроЭВМ 12. МикроЭВМ 12 сравнивает текущие значения 1 - 4 датчиков 15-18 с предельно допустимыми их значениями, заложенными в память 13 блока 4 предварительной обработки сигналов, и передает результаты сравнения в ячейки памяти 13 для хранения. При превышении численных значений параметров хотя бы одним из датчиков 15-18 предельно-допустимого значения или приближении значений к пороговому значению показаний нескольких датчиков 15-18 микроЭВМ 12 вырабатывает сигнал "тревога", формирует пакет цифровых символьных и текстовых донесений о результатах предварительной оценки состояния контролируемого объекта 2 и заносит кодовые значения сработавших датчиков, абсолютные значения и скорости изменения их параметров в ячейки Alarm (донесений) памяти 13 блока 4.

Одновременно компьютер 9 удаленного АРМ 1 периодически во времени с заданной частотой производят циклический опрос (через сеть 3 регионального оператора связи) блок 4 предварительной обработки сигналов датчиков 15-18 контролируемых объектов 2 на наличие сигналов 'тревога' и отображают результаты опроса на мнемосхеме монитора 28, светодиодном экране 30 или с помощью видеопроектора 29 на экране настенного планшета.

В случае появления сигнала 'тревога' на контролируемом объекте 2 процесс опроса других объектов 2 временно приостанавливается, компьютер 29 автоматически переключается в режим контроля с удаленного АРМ 1 показаний датчиков 15-18 периферийного объекта 2, выдавшего сигнал "тревога". При подтверждении компьютером 9 ухода технических параметров контролируемого объекта 2 за допустимые пределы автоматически включаются на АРМ 1 звуковой 26 и световой 27 источники устройства 11 аварийной сигнализации.

Дежурный диспетчер АРМ 1 визуально оценивает состояние объекта 2 диагностики по информации, отображаемой на мнемосхеме монитора 28 и настенном экране 30 и принимает решение на вызов ближайшей к объекту 2 аварийной бригады для выезда на место предполагаемой аварии и вывода массового скопления людей из помещений аварийного сооружения. Далее диспетчер АРМ 1 временно блокирует остановку компьютера 9 на аварийном объекте и включает его в режим циклического опроса других объектов 2.

Опрос и контроль датчиков 19-25, характеризующих пожарное состояние, качество воды и воздуха в помещениях объекта 2 с массовым скоплением людей, производится аналогичным образом.

Таким образом, предлагаемая система мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение эффективности мониторинга. Это достигается за счет снижения энергопотребления и повышения надежности датчиков, которые являются одним из основных элементов данной системы.

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

Применение пассивных ПАВ датчиков в системах мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений является, безусловно, перспективным. Малая себестоимость, дистанционный доступ, возможность производства с применением микроэлектронной технологии выгодно отличают пассивные ПАВ датчики от датчиков других типов. Для создания конкурентоспособной продукции и успешного продвижения ее на рынок необходимо решить следующие задачи:

- изыскать возможность снижения вносимых потерь с целью увеличения дальности радиолинии;

- разработать устройство считывания, по массогабаритным и ценовым характеристикам сравнимое с современным мобильным телефоном.

Применение предлагаемой системы мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений на больших социально-значимых объектах, таких как: вокзалы, аэропорты, стадионы, торгово-развлекательные комплексы, рынки и т.д., повышает безопасность таких объектов.

Формула изобретения

Система мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений, содержащая не менее одного автоматизированного рабочего места (АРМ) контроля безопасности объектов диагностики, соединенного через цифровую линию связи и блок предварительной обработки сигналов с блоком параметрических датчиков состояния объектов диагностики, включающим датчики деформации, датчики линейных сдвигов, датчики давления и/или датчики вибрации с аналоговым и/или цифровым выходом, с блоком пожарных датчиков, содержащим термодатчики и/или датчики дыма с аналоговым и/или с цифровым выходом, с блоком датчиков химического состава воздуха, включающим прибор химической разведки, прибор радиационной разведки и/или газоанализатор с цифровым и/или аналоговым выходом с блоком датчиков химического состава воды, включающим прибор биологической разведки и/или спектрофотометр с цифровым или аналоговым выходом, при этом АРМ снабжено компьютером для анализа состояния объектов диагностики, устройством цветного мнемонического отображения текущего и аварийного состояния объектов диагностики и устройством аварийной сигнализации, выполнено удаленным от объектов диагностики, установлено в диспетчерской МЧС, в диспетчерской службе спасения и/или в диспетчерской пожарной станции, компьютер удаленного АРМ выполнен с возможностью опроса измерений блоков предварительной обработки сигналов объектов контроля, содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения не менее чем двуядерный процессор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство с программой управления и контроллеры ввода/вывода для соединения с цифровой линией связи, с устройством отображения цветного мнемонического отображения текущего и аварийного состояния объектов диагностики, выполненным в виде монитора, видеопроцессора и/или светодиодного экрана с цифровым входом для соединения с компьютером АРМ, блок предварительной обработки сигналов каждого объекта диагностики, выполненный с возможностью приема и регистрации сигналов датчиков с возможностью сравнения текущих значений сигналов с пороговыми значениями и с возможностью хранения результатов измерений, содержит микроЭВМ, блок памяти и бесперебойный источник питания, микроЭВМ снабжена аналого-цифровыми преобразователями для соединения с датчиками с аналоговыми выходами и контроллерами ввода/вывода - для соединения с датчиками с цифровыми выходами и с цифровой линией связи, в качестве которой использована сотовая сеть регионального оператора связи, монитор выполнен с возможностью отображения на его экране мнемосхемы контролируемых объектов, оценки состояния безопасности их отдельных элементов по изменению их цвета и возможностью вызова текстовых сообщений о характеристиках объектов контроля и их элементов непосредственным нажатием пальцем на интересующий оператора элемент контроля, отображенный на экране монитора, и/или с помощью наведения экранной метки ручного манипулятора типа "мышь" на данный элемент, отличающаяся тем, что блок предварительной обработки сигналов снабжен устройством считывания, а каждый датчик выполнен на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах, причем устройство считывания содержит последовательно включенные синхронизатор, опорный генератор, первый делитель частоты на два, первый датчик опорной частоты, первый смеситель, второй вход которого через последовательно включенные второй делитель частоты на три и второй датчик опорной частоты соединен с выходом опорного генератора, первый фильтр суммарной частоты, второй смеситель, второй вход которого через последовательно включенные третий делитель частоты на четыре и третий датчик опорной частоты соединен с выходом опорного генератора, второй фильтр суммарной частоты, третий смеситель, второй вход которого через последовательно включенные умножитель частоты на два и четвертый датчик опорной частоты соединен с выходом опорного генератора, третий фильтр суммарной частоты, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, и четыре канала приема сигналов, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу дуплексера узкополосного фильтра и фазометра, второй вход которого соединен с выходом соответствующего датчика опорной частоты, а выход подключен к микроЭВМ, каждый датчик 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.

РИСУНКИ