RS63509B1 - Merni sistem i postupak merenja pomeranja najmanje jedne tačke mosta - Google Patents

Description

Opis

[0001] Predmetni pronalazak se odnosi na merni sistem i postupak merenja pomeranja najmanje jedne tačke mosta, posebno tačke najmanje jednog raspona mosta.

[0002] Kao što je poznato, tokom ispitivanja opterećenja na mostu koji ima jedan ili više raspona, potrebno je izmeriti deformaciju kojoj su rasponi podložni u uslovima opterećenja predviđenim projektom.

[0003] Članak Hakimitoroghi Navida i ostalih: „"Compensation techniques for geophone response used as vibration sensor in seismic applications“, 2017, Jedanaesta međunarodna konferencija o sonzorskoj tehnologiji (ICST), IEEE, 4. decembar 2017, strane 1-5, stavlja na uvid javnosti merni sistem prilagođen za praćenje vibracija mosta.

[0004] U tu svrhu, pomeranja najmanje jedne tačke najmanje jednog raspona mosta se mere direktno ili indirektno u prethodno navedenim uslovima opterećenja. U direktnim merenjima, posebno, se mogu detektovati pomeranja tačke raspona u odnosu na fiksnu referentnu tačku.

[0005] Za direktna merenja moguće je koristiti laser velike snage, koji omogućava da se tačke čak i na velikoj udaljenosti u odnosu na tačku čije pomeranje treba detektovati, koriste kao referentne tačke. Ova tehnika merenja zahteva upotrebu dovoljno preciznog lasera koji generiše tako stabilne zrake da može da uoči pomeranja čak i od desetog dela milimetra. Laseri takve preciznosti dodatno zahtevaju dobar izvor energije. Zbog ovih karakteristika, laseri pogodni za prethodno navedena merenja su veoma skupi i stoga njihova upotreba nije uobičajena.

[0006] Alternativno laseru velike snage, može se koristiti takozvani radarski interferometar.

[0007] Radarski interferometar ima veliku složenost i sa hardverske i sa softverske tačke gledišta, što čini cenu uređaja toliko visokom da se može primeniti samo u nekim posebnim slučajevima u kojima je dostupan veliki budžet (npr. u kamenolomu dijamanata).

[0008] Štaviše, ovaj uređaj takođe ima veoma veliku potrošnju energije, što ga čini neprikladnim za dugotrajno ostavljanje u blizini raspona.

[0009] U indirektnim merenjima, mere se veličine kao što su ubrzanje ili brzina tačke raspona, a zatim se, preko elektronskog sistema, izvode numeričke/analogne integracije da bi se izvršilo merenje pomeranja te iste tačke.

[0010] Za takva merenja, uobičajeno je da se koriste akcelerometrijski senzori sa MEM tehnologijom koji su veoma jeftini. Kao što je poznato, izlazni napon akcelerometra je proporcionalan ubrzanju, dakle u cilju dobijanja pomeranja, izlazni podatak se integriše dva puta preko analognog ili digitalnog kola. Problem ove vrste merne tehnike je u tome što je potrebna samo mala greška pozicioniranja po osi akcelerometra da bi došlo do značajne greške u merenju prostora zbog širenja greške u dve integracije koje slede nakon merenja ubrzanja. Generisana greška implicira nezanemarivu nesigurnost za potrebe merenja. Alternativno akcelerometrijskim senzorima mogu se koristiti geofoni koji su, kao što je poznato, senzori koji mogu detektovati kretanje tla ili seizmičke talase i detektovani signal pretvoriti u električni impuls. Geofon je, u suštini, senzor brzine u kome je transdukovani električni signal proporcionalan brzini kojom se sam geofon kreće. Poznato je da geofon ima frekvencijski odgovor koji se može uporediti sa onim kod visokopropusnog filtera drugog reda. Geofon karakteriše rezonantna frekvencija gde frekvencijski odgovor pokazuje prekoračenje naviše, na primer pozicioniran oko 4 Hz. Moguće je smanjiti prekoračenje oko rezonantne frekvencije povezivanjem otpornika paralelno sa geofonom čime se povećava faktor prigušenja. Da bi se geofoni koristili za indirektna merenja pomeranja jedne tačke raspona mosta, takvi geofoni moraju nužno imati što ravniji frekvencijski odgovor u opsegu frekvencija oscilovanja samog mosta. U tu svrhu poznati su kompenzovani geofoni koji imaju suštinski ravan frekvencijski odgovor i na frekvencijama nižim od 4 Hz; ovi geofoni se, posebno, kompenzuju kroz niz skupih digitalnih filtera koji kompenzuju slabljenje samog geofona na niskim frekvencijama dok se ne dobije suštinski ravan frekvencijski odgovor od oko 0,1 Hz do 150 Hz. Alternativno digitalnim filterima, da bi se ograničili troškovi geofona, mogu se dizajnirati analogni filteri čiji frekvencijski odgovor treba nužno da bude tačno inverzan od odgovarajućih odabranih geofona. Zbog toga bi to bili namenski filteri čija efikasnost, ipak, zavisi od tolerancija geofona koji mogu da pomeraju rezonantnu frekvenciju u odnosu na nominalnu vrednost. Zbog toga bi bilo veoma složeno i skupo dizajnirati analogne filtere koji uzimaju u obzir tolerancije pojedinačnih geofona.

[0011] Cilj predmetnog pronalaska je da se prevaziđu gore navedeni nedostaci, a posebno da se dizajnira merni sistem i postupak merenja koji omogućava izvođenje preciznog indirektnog merenja pomeranja najmanje jedne tačke raspona mosta i koji je jeftinije od poznatih mernih sistema. Ovaj i drugi ciljevi u skladu sa predmetnim pronalaskom se postižu realizacijom mernog sistema i postupka merenja kao što je navedeno u patetnim zahtevima 1 i 8.

[0012] Dalje karakteristike mernog sistema i postupka merenja su izložene u zavisnim patentnim zahtevima.

[0013] Karakteristike i prednosti mernog sistema predmetnog pronalaska biće jasnije iz sledećeg opisa, koji treba shvatiti kao primer i bez ograničenja, u odnosu na shematski priložene crteže, gde:

• Slika 1 je blok dijagram mernog sistema prema pronalasku;

• Slika 2 je dijagram kola analogno kompenzacionog uređaja uključenog u merni sistem sa slike 1.

[0014] Pozivajući se na slike, prikazan je merni sistem 10 za merenje pomeranja najmanje jedne tačke mosta, posebno tačke najmanje jednog raspona mosta.

[0015] Most je mehanički sistem koji ima rezonantnu frekvenciju sadržanu u frekvencijskom opsegu [fl, fh] gde je fl<fh, na primer između fl=1 Hz i fh=20 Hz. Konkretno, generalno, suštinski sva spektralna energija modova oscilovanja mosta je pozicionirana oko glavne rezonantne frekvencije koja je sadržana između fl i fh.

[0016] Merni sistem 10 sadrži geofon 11 prilagođen da se primeni u tački mosta, konkretno najmanje jednog raspona mosta i da detektuje oscilacije mosta. Konkretno, geofon 11 je u stanju da detektuje oscilacije mosta na koji je primenjen i generiše električni signal čija je veličina proporcionalna brzini kojom se most, a samim tim i geofon 11 pomeraju osciliranjem.

[0017] Prema ovom pronalasku, takav geofon 11 ima rezonantnu frekvenciju fr veću od fh i frekvencijski odgovor suštinski jednak dvostrukom šantu (eng. shunt) za frekvencije f manje od fh. To znači da za f<fh frekvencijski odgovor geofona 11 predstavljen u Bode-ovom dijagramu ima modul koji raste kako i frekvencija raste prema linearnom zakonu sa nagibom suštinski od 40 dB/dekadi i suštinski konstantnom fazom sa frekvencijom i suštinski jednakom 180°.

[0018] Merni sistem 10 dalje sadrži analogni kompenzacioni uređaj 20 serijski povezan za geofon 11 i koji ima frekvencijski odgovor suštinski jednak onom od dvostrukog integratora u frekvencijskom opsegu [fl, fh].

[0019] To znači da u frekvencijskom opsegu [fl, fh] frekvencijski odgovor analognog kompenzacionog uređaja 20 predstavljen na Bode-ovom dijagramu ima modul koji opada kako frekvencija raste prema linearnom zakonu sa nagibom od suštinski -40 dB/dekadi i suštinski konstantnom fazom sa frekvencijom i suštinski jednakom -180°.

[0020] Na ovaj način serija geofona 11 i analognog kompenzacionog uređaja 20 ima frekvencijski odgovor sa suštinski konstantnim modulom u frekvencijskom opsegu [fl, fh].

[0021] Poželjno, merni sistem 10 dalje sadrži analogni integratorski uređaj 12 serijski povezan sa analognim kompenzacionim uređajem 20; takav analogni integratorski uređaj 12 je posebno prilagođen da integriše električni signal koji generiše geofon 11 tako da obezbedi električni signal čija je veličina proporcionalna pomeranju geofona 11. Električni signal koji otprema analogni integratorski uređaj 12 je samim tim reperezentativan za pomeranje. Povoljno, analogni integratorski uređaj 12 sadrži niskopropusni filter sa graničnom frekvencijom fti manjom od fl.

[0022] Merni sistem 10 potom sadrži analogno/digitalni konverterski uređaj 13 povezan serijski sa analognim integratorskim uređajem 12, pri čemu je takav analogno/digitalni konverterski uređaj 13 prilagođen da konvertuje električni analogni signal na izlazu iz analognog integratorskog uređaja 12 u digitalni signal.

[0023] Analogno/digitalni konverterski uređaj 13 je konfigurisan da uzorkuje analogni električni signal na frekvenciji fc>2fh kako bi sprečio bilo kakve probleme izobličavanja. Povoljno, merni sistem 10 dalje sadrži procesorsku jedinicu 14, npr. mikroprocesor, povezan sa izlazom analognog/digitalnog uređaja 13 konfigurisan da interpolira digitalni signal kako bi se dobila kriva koja predstavlja pomeranje tokom vremena geofona 11 i stoga tačke mosta na kojoj je geofon 11 primenjen. Poželjno je da se analogni kompenzacioni uređaj 20, analogni integratorski uređaj 12, analogno/digitalni konverterski uređaj 13 i procesorska jedinica 14 montiraju na istu PCB (štampana ploča) koja je preko kablova povezana za geofon 11.

[0024] Poželjno je da, analogni kompenzacioni uređaj 20 sadrži:

- prvu fazu 21 pojačavanja;

- dvostruki niskopropusni filter 22 serijski povezan sa prvom fazom pojačavanja i koji ima graničnu frekvenciju ft ne veću od fl.

[0025] U slučaju u kome je ft<fl, uzimajući u obzir Bode-ov dijagram dvostruko niskopropusnog filtera 22, izvesno je da se frekvencija fl uvek smanjuje na pravoj liniji pri -40db/dekadi.

[0026] U slučaju u kome je ft=fl potrebno je uzeti u obzir da pri ft realni dijagram filtera odstupa od Asimptotičnog Bode-ovog dijagrama za oko 3dB, stoga je moguće da se mogu javiti distorzije veličine u odgovoru.

[0027] Poželjno je da, dvostruki niskopropusni filter 22 ima graničnu frekvenciju ft manju od fl.

[0028] Na ovaj način se mogu sprečiti gore pomenuta moguća izobličenja.

[0029] Pored prve faze 21 pojačavanja i dvostrukog niskopropusnog filtera 22, poželjno je da analogni kompenzacioni uređaj 20 obezbeđuje visokopropusni filter 23 serijski povezan sa dvostrukim niskopropusnim filterom 22 sa graničnom frekvencijom fhp manjom od fl, da bi se filtrirao šum, npr. šum 1/f, beli šum i ofset šum.

[0030] U prvom tehničkom rešenju predmetnog pronalaska, prva faza 21 pojačavanja je faza visokog pojačanja, npr. oko 70 dB. U tom slučaju, dvostruki niskopropusni filter 22 je pasivni filter.

[0031] U drugom tehničkom rešenju, dvostruki niskopropusni filter 22 je aktivni filter koji izvodi drugu fazu pojačavanja.

[0032] U ovom slučaju, prva faza 21 pojačavanja ima niže pojačanje u odnosu na prvo tehničko rešenje; na taj način se smanjuje mogućnost da prva faza 21 pojačavanja radi u režimu zasićenja. U stvari, prisustvo više od jedne faze pojačavanja omogućava amplifikaciju signala neophodnog za postizanje visokog odnosa šuma signala koji se distribuira kroz različite faze, istovremeno sprečavajući da jedna ili više faza pojačavanja mogu da rade u režimu zasićenja.

[0033] Poželjno je da u ovom drugom tehničkom rešenju analogni kompenzacioni uređaj 20 sadrži treću fazu 24 pojačavanja nizvodno od dvostrukog niskopropusnog filtera 22 aktivnog tipa.

[0034] Konkretno, u slučaju kada je visokopropusni filter 23 prisutan, serijski povezan sa dvostrukim niskopropusnim filterom 22, treća faza 24 pojačavanja je serijski povezana sa visokopropusnim filterom 23; inače, u odsustvu visokopropusnog filtera 23, treća faza 24 pojačavanja je serijski povezana sa dvostrukim niskopropusnim filterom 22.

[0035] U svakom slučaju, sa tri faze pojačavanja, prva faza 21 pojačavanja može se obezbediti sa još nižim pojačanjem u odnosu na slučaj u kome treća faza 24 pojačavanja nije obezbeđena, čime se dodatno smanjuju rizici da prva faza 21 pojačavanja radi u režimu zasićenja.

[0036] Poželjno je da je aktivni filter Sallen Key ćelijskog tipa kao što je ilustrovano na Slici 2.

[0037] Konkretno, u odnosu na Sliku 2 prva faza 21 pojačavanja je realizovana preko prvog operacionog pojačavača OP1 u neinvertujućoj konfiguraciji sa prvim otporom R1 postavljenim između izlaznog terminala i invertujućeg terminala prvog operacionog pojačavača OP1, i drugi otpor R2 postavljen između invertujućeg terminala i zemlje.

[0038] U seriji sa prvom fazom 21 pojačavanja postoji dvostruki niskopropusni filter realizovan kroz aktivni Sallen Key ćelijski filter. Konkretno, takav aktivni Sallen Key ćelijski filter ima drugi operacioni amplifikator OP2 sa trećim otporom R3 postavljenim između izlaznog terminala i invertujućeg terminala drugog operacionog pojačavača OP2, i četvrtim otporom R4 postavljenim između invertujućeg terminala i zemlje. Između neinvertujućeg terminala drugog operacionog pojačavača OP2 i zemlje, postavljen je prvi kompenzator C1; peti otpor R5 je postavljen između neinvertujućeg terminala i prvog čvora P1. Šesti otpor R6 je umetnut između prvog čvora P1 i izlaznog terminala prvog operacionog pojačavača OP1; drugi kondenzator C2 je postavljen između čvora P1 i izlaznog terminala drugog operacionog pojačavača OP2. Visokopropusni filter 23 se zatim povezuje sa izlaznim terminalom drugog operacionog pojačavača OP2 realizovanim preko trećeg kondenzatora C3 i sedmog otpornika R7. Treći kondenzator C3 je smešten između izlaznog terminala drugog operacionog pojačavača OP2 i drugog čvora P2; sedmi otpornik R7 je postavljen između drugog čvora P2 i zemlje. Treća faza 24 pojačavanja je serijski povezana sa visokopropusnim filterom 23, realizovanim preko trećeg operacionog pojačavača OP3 koji ima neinvertujući terminal povezan sa drugim čvorom P2; tada je obezbeđen osmi otpor R8, postavljen između izlaznog terminala i invertujućeg terminala trećeg operacionog pojačavača OP3, i deveti otpor R9 postavljen između invertujućeg terminala i zemlje.

[0039] Operacioni amplifikatori OP1, OP2, OP3 su niskostrujnog i tipa ofset napona (napona razdešenosti).

[0040] Prva faza 21 pojačavanja ima pojačanje G=1+R1/R2. Prvi otpor R1 i drugi otpor R2 su dimenzionisani tako da je G jednak oko 28dB. Treći otpor R3, četvrti otpor R4, osmi otpor R8 i deveti otpor R9 su dimenzionisani tako da je ukupno pojačanje analognog kompenzacionog uređaja oko 70 dB.

[0041] Dalje, peti otpor R5 i šesti otpor R6 su odabrani tako da je R5=R6.

[0042] Prvi kondenzator C1 i drugi kondenzator C2 su izabrani tako da je C1=C2.

[0043] Vrednosti šestog otpora R6 i drugog kondenzatora C2 se posebno biraju tako da dvostruki pol bude na frekvenciji fp<fl gde je

[0044] Merni sistem 10 prema ovom pronalasku omogućava indirektno merenje pomeranja najmanje jedne tačke najmanje jednog raspona mosta na precizan, jednostavan i jeftin način. U stvari, merni sistem 10 koristi geofon čija se kompenzacija ne vrši preko skupih digitalnih filtera već pomoću analognog kompenzacionog uređaja koji ne obezbeđuje kompenzaciju u celom opsegu geofona 10 već samo u frekventnom opsegu [fl, fh] unutar kojeg je obuhvaćena rezonantna frekvencija mosta. Ovo je moguće ne samo zahvaljujući posebnom dimenzionisanju analognog kompenzacionog uređaja, već i izboru određenog geofona 10 sa fr>fh i sa frekvencijskim odgovorom koji je suštinski jednak onom od dvostrukog šanta za frekvencije f manje od fh. Ukoliko bi analogni kompenzacioni uređaj 20 kompenzovao geofon 11 za ceo njegov opseg, pojavile bi se distorzije pojačanja oko rezonantne frekvencije fr koje bi dovele do netačnih merenja. Postupak merenja, prema predmetnom pronalasku, realizuje se korišćenjem mernog sistema 10. Takav postupak merenja je veoma jednostavan jer obezbeđuje primenu geofona 11 na tački raspona mosta i prikupljanje podataka o detekcijama koje vrši merni sistem 10 koji predstavljaju pomeranje geofona 11 a samim tim i tačke mosta na kojoj se geofon 11 primenjuje. Geofon 11 se zatim može lako pomeriti da bi se izvršila različita merenja na različitim tačkama mosta.

[0045] Iz datog opisa, karakteristike mernog sistema za merenje pomeranja najmanje jedne tačke najmanje jednog raspona mosta prema ovom pronalasku su jasne, kao što su i odnosne prednosti.

[0046] Naposletku, jasno je da je merni sistem za merenje pomeranja najmanje jedne tačke najmanje jednog raspona mosta tako koncipiran da je podložan brojnim modifikacijama i varijantama, bez odstupanja od obima pronalaska; štaviše, svi detalji se mogu zameniti tehnički ekvivalentnim elementima. U praksi, korišćeni materijali, kao i dimenzije, mogu biti bilo koje vrste prema tehničkim zahtevima.

Claims (8)

Patentni zahtevi

1. Merni sistem (10) za merenje pomeranja najmanje jedne tačke mosta, pri čemu navedeni most ima rezonantnu frekvenciju koja se nalazi u frekvencijskom opsegu [fl, fh] gde je fl<fh, pri čemu navedeni merni sistem sadrži:

- geofon (11) prilagođen da se primeni u navedenoj najmanje jednoj tački navedenog mosta, pri čemu navedeni geofon (11) ima rezonantnu frekvenciju fr veću od fh i frekvencijski odgovor za f<fh suštinski jednak onom od dvostrukog šanta;

- analogni kompenzacioni uređaj (20) serijski povezan za navedeni geofon (11) i koji ima frekvencijski odgovor jednak onom od dvostrukog integratora u frekvencijskom opsegu [fl, fh], tako da serija navedenog geofona (11) i navedenog analognog kompenzaciomog uređaja (20) ima frekvencijski odgovor sa suštinski konstantnim modulom u frekvencijskom opsegu [fl, fh];

- analogni integratorski uređaj (12) serijski povezan za navedeni analogni kompenzacioni uređaj (20);

- analogno/digitalni konverterski uređaj (13) serijski povezan sa navedenim analognim integratorskim uređajem (12), pri čemu navedeni analogno/digitalni konverterski uređaj (13) je prilagođen da konvertuje izlazni signal iz navedenog analognog integratorskog uređaja (12) u digitalni signal .

gde navedeni analogni kompenzacioni uređaj (20) sadrži:

- prvu fazu (21) pojačavanja;

- dvostruki niskopropusni filter (22) serijski povezan za navedenu prvu fazu (21) pojačavanja i koji ima graničnu frekvenciju ft ne veću od fl, pri čemu je pomenuti dvostruki niskopropusni filter (22) aktivni filter koji ostvaruje drugu fazu pojačavanja.

2. Merni sistem (10) prema patentnom zahtevu 1, pri čemu navedeni dvostruki niskopropusni filter (22) ima graničnu frekvenciju ft manju od fl.

3. Merni sistem (10) prema patentnom zahtevu 1 ili 2, pri čemu navedeni analogni kompenzacioni uređaj (20) dalje sadrži visokopropusni filter (23) serijski povezan za navedeni dvostruki niskopropusni filter (22) sa graničnom frekvencijom fhp manjom nego fl.

4. Merni sistem (10) prema patentnom zahtevu 1, pri čemu navedeni analogni kompenzacioni uređaj (20) sadrži treću fazu (24) pojačavanja nizvodno od navedenog aktivnog filtera.

5. Merni sistem (10) prema patentnom zahtevu 1, pri čemu je navedeni aktivni filter (22) ćelijskog tipa Sallen Key.

6. Merni sistem (10) prema jednom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu navedeni analogni integratorski uređaj (12) sadrži niskopropusni filter sa graničnom frekvencijom fti manjom od fl.

7. Merni sistem (10) prema jednom ili više prethodnih patentnih zahteva koji sadrži procesorsku jedinicu (14) povezanu sa izlazom analogno/digitalnog uređaja (13) konfigurisanu da interpolira digitalni signal za dobijanje krive koja predstavlja pomeranje geofona (11) ktokom vremena.

8. Postupak merenja za merenje pomeranja najmanje jedne tačke mosta implementiran pomoću mernog sistema (10) prema jednom ili više prethodnih patentnih zahteva, koji obuhvata korake:

- primenu geofona (11) u tački raspona mosta;

- prikupljanje podataka iz detekcija koje vrši merni sistem (10) koji predstavljaju pomeranja geofona (11).