научная статья по теме СТРУННЫЕ ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «СТРУННЫЕ ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ»

УДК 621.311.21

СТРУННЫЕ ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Г. Я. Шайдуров, В. В. Гондарев, Г. С. Мякотин, В. А. Булатов, А. М. Волошин

Рассмотрены системы автоматизированного контроля гидротехнических сооружений, а также методы и средства контроля с использованием струнных преобразователей.

Гидротехнические сооружения ГЭС, морские водоплавающие платформы, строительные конструкции высотных зданий, телевизионных вышек и т. п. требуют постоянного наблюдения за их состоянием с контролем геометрических и физико-механических параметров, обеспечивающим безопасность эксплуатации этих сооружений в течение длительного времени [1].

В настоящее время в гидротехническом строительстве широко распространены струнно-акус-тические датчики (СД), частота выходного сигнала которых зависит от натяжения струны.

В системах автоматизированного контроля (САК) крупных ГЭС, например, Саяно-Шушен-ской, входят тысячи СД, позволяющих судить о надежности функционирования сооружения и его элементов. СД используются для измерения напряженно-деформированного состояния (НДС) бетона внутри плотины, температуры, механических смещений и т. п. В частности, САК НДС "Струна-4М" на Усть-Илимской ГЭС представляет комплекс из 4096 СД, 40 периферийных автоматических коммутаторов, линий связи в виде витых пар и оптоволокна и персонального компьютерного пульта диспетчера. Программное обеспечение комплекса позволяет производить все операции по выбору адреса датчика, его дистанционного наблюдения, формирования базы данных и обработки сигналов. Комплекс позволяет с точностью порядка 0,1 % измерять период собственных колебаний СД, сопротивление утечек, декремент затухания сигнала, переходную и спектральную характеристики СД.

Функциональная схема одного измерительного канала системы автоматизированного контроля напряженно-деформированного состояния бетона плотины САК НДС приведена на рис. 1, где S(t) — измеряемый сигнал датчика, Щ^) — внешние помехи и шумы.

Упрощенная схема струнного преобразователя приведена на рис. 2, где величинами Хд, ¿1, ¿2 обозначены полная длина струны и ее участков относительно электромагнита.

Согласно работе [2] частота собственных колебаний струны преобразователя / связана с силой давления бетона Fo, длиной струны Хд, ее мас-

сой тд и номером гармоники колебаний (моды) пд соотношением:

/о = 2

' о

2 А/то^о

(1)

Сравнение спектральных характеристик исправного и стареющего СД показывает большое количество паразитных колебательных мод, возникающих по причине изменений параметров струны в процессе старения. Так, в случае касания электромагнита и струны из-за появления на ней ржавчины или провисания по причине усталости металла в сигнале СД электромагнита появятся дополнительные моды колебаний, соответствующие отрезкам струны ¿1 и ¿2 относительно точки касания:

Л = 1

/2 = п2

т,Х

1Х1

т2^2

(2) (3)

т 3

S(t) { 1 »

1-1---* 2 ^ 4

/ 4-1

1 - 6 X » 5

Рис. 1. Функциональная схема одного канала САК НДС:

1 — СД; 2, 5 — линии связи; 3 — генератор возбуждающего сигнала; 4 — цифровой преобразователь; 6 — персональный компьютер

Рис. 2. Схема струнного преобразователя:

1 — опорные цанги; 2 — струна; 3 — электромагнит

-an t

U(t) = X Umne sin(«0®0t + Ф0) +

no = 1

да

-ai t

+ £ Umne sm(«i«ií + Ф1) + (4)

n- = 1

да

-a21

+ X Umn e sin(«2®2t + Ф2),

n2 = 1

где ®o = 2nfo; = 2п/1; ®2 = 2л/2; a — декремент затухания.

Спектр этого сигнала для основных мод будет выглядеть, как показано на рис. 3.

Полосы А/ приближенно определяются через декремент затухания a: А/0 = /0/ao; А/1 = fi/ai. А/2 = f^/a^- Из соотношений (1)—(3) получим парциальные силы натяжения струны, соответствующие участкам Lo, Li, L2:

F = 4f0 m0 L0 . Fn = -;— .

F =

_ 4/2miL

1

F2 =

_ 4f^m2L2

(5)

(6) (7)

Для разрешения этих уравнений, где неизвестными являются ¥о, Fl, ¥2, то, т^ т2, в предположении равенства сил натяжения ¥о = ¥1 = ¥2 необходимо привлечь еще одно уравнение с независимой измеряемой величиной, например декремент затухания сигнала а, равный [3]:

С _ п

a =

2п

^ Q'

lm F

где Q — добротность колебательной системы; C — константа.

Для каждой колебательной моды можно за писать:

C

Рис. 3. Многомодовый спектр колебаний СД

Таким образом, сигнал СД усложняется за счет появления дополнительных колебательных мод fl, f2 и гармоник п\, щ:

a0

a1

a2

2п

m0 F0

L0

C

2п

m1 Fi

L1

C

2 п

m2 F2

(8)

(9)

(10)

L2

Всего в шести уравнениях (5)—(7) и (8)—(10) шесть измеряемых величин /о, /1, / ао, а1, а2, четыре неизмеряемых неизвестных величины ¥о, то, т1, т2 и четыре в общем случае известных константы ¿о, ¿1, ¿2, С. Для выделения неизвестной силы натяжения струны ¥о путем измерения частот трех колебательных мод /о, /1, /2 и соответствующих им декрементов затухания сигнала ао, а1, а2 из совместного решения пар уравнений (5) и (8), (6) и (9), (7) и (10) найдем:

F0 = L0f0

3/2 16C2 .

2 2 6 ' 1п a0n0

Fi = Lifi

3/2 1 6 C 2 .

2 2 6 ; /п aini

F2 = L2f23

3/2 16C2

2 2 6 1п a2n2

(11)

(12)

(13)

Из выражения (12) для константы C получим

(14)

33 C = п a i ni F-i

4^1 /1

Подстановка выражения (14) в формулу (11) должна дать однозначное решение для искомой

силы. Однако в предположении равенства ¥0 =

= = ¥2 из выражений (11) и (12) получим:

¿0 га ЛI/2

Fo = F,

i l er "2/j

или

f)3/2 = L (2)i/2 n2/2 ■

Li (ai

что означает неразрешимость системы уравнений (11)—(13) относительно искомых величин ¥о, ¥1, ¥2 без привлечения дополнительных данных. Измерение добротности О дает возможность опреде-

да

n

0

2

n

2

n

2

лить приращение массы струны. Согласно работе [3] для относительных вариаций частоты колебаний струны и добротности можно записать:

а/ = — 1 Ат

/ 2 т

АО = — з Ат

Q 2 т а для их суммы:

- 1 ^Х + 1 •

2 Х 2 F '

+ 1 ^Х - 1

2 Х 2 F ,

А/ + АО = —2 ^тт

/О т .

Отсюда следует, что привлечение второго измеряемого параметра О полезно с точки зрения оценки влияния одного из факторов старения.

Исключить массу как мешающий фактор в измерении силы натяжения струны можно из совместного решения выражений (1) и (11), т. е. используя уравнение

^4/3 =

4/0 Х0/3

(_£_)2/3 ^ 2 пао '

(15)

Измерение добротности имеет смысл лишь для каждой из колебательных мод. Следовательно, при сложном виде сигнала (4), характерном для стареющих датчиков, необходимой операцией обработки является предварительный спектральный анализ с последующим получением измеряемой силы натяжения по всем колебательным модам и усреднением результатов. Так, для колебательных мод (1)—(3) конечный результат находится как среднее арифметическое: F = (Fo + + + F2)/3, где Fo, Fl, F2 вычисляются через наблюдаемые частоты мод /0, /1, /2 путем решения уравнений вида (15). То же относится к дефекту касания струной электромагнита, поскольку при анализе спектра выделяются колебательные моды парциальных участков Х1 и Х2.

Дефект неконтролируемого изменения длины струны и ее проскальзывания в цангах должен привести к существенному изменению частоты собственных колебаний, например, в сравнении с частотами колебаний соседних датчиков. Получение полезной информации от подобных датчиков требует лабораторного эксперимента.

Появление утечек изоляции в катушке электромагнита приведет к снижению амплитуды сигнала и появлению дополнительной помеховой составляющей в виде низкочастотного дрейфа. Обычно в САК предусматривается оптоэлектрон-ная или индуктивная развязка входных цепей измерителя от электрических помех, обусловливающих низкочастотный дрейф сигнала. Однако измерение утечек позволит аппаратными либо

программными средствами ввести соответствующую коррекцию в результате наблюдений.

Изложенные алгоритмы позволяют реанимировать до 80 % стареющих СД, находящихся в эксплуатации на Зейской, Усть-Илимской и Сая-но-Шушенской ГЭС.

Разновидностью СД являются струнные отвесы, используемые для мониторинга плановых смещений, под которыми понимается отклонение тела плотины от местной вертикали по координатам х и у в горизонтальной плоскости. В России на большинстве ГЭС для этой цели служат прямые и обратные отвесы в виде натянутой грузом стальной струны в вертикальной обсадной трубе, проходящей через тело плотины по нескольким сечениям. Число необходимых точек контроля плановых смещений на плотине может достигать 30—40 ед. в зависимости от масштаба сооружения.

На отечественных ГЭС применяются индукционные преобразователи координат, представляющие ортогональную систему дифференциально включенных индукционных катушек, размещаемых вокруг струны отвеса внутри обсадной трубы. В связи с неустойчивостью работы индукционных преобразователей в сложных условиях эксплуатации внутри плотины авторами разработана и сертифицирована серия фотоэлектронных преобразователей координат струнных отвесов ФПКС-2М, основанных на преобразовании положения струны по двум координатам в цифровой код с помощью отечественной линейной фотодиодной матрицы ФУК-3М. Среднеквадратическая погрешность измерений ±50 мкм (рис. 4).

Опытные образцы изделия ФПКС-2М эксплуатируются на Саяно-Шушенской и Краснояр-

Рис. 4. Структурная схема измерителя координат струны:

1 — струна отвеса (поперечный разрез); 2 — подсвечивающая электролампа; 3, 8 — оптические линзы для фотодатчиков соответственно координат х и у; 4, 9 — фотодиодные матрицы; 5, 12 — усилители-компараторы; 6, 13 — цифровые счетчики; 7 — преобразователь цифрового интерфейса; 10 — генератор импульсов считывания; 11 — линия связи; 14 — центральный компьютер

2

п

о

ской ГЭС. Система САК-ПС на их базе планируется к установке на строящейся Бурейской ГЭС с объемом до 40 измерительных точек, включенных в единую централизованную измерительную сеть, объединенных интерфейсом RS-485 по оптоволокну.

Одну из важных задач контроля горизонтальных смещений плотины по нескольким уровням решает так называемый струнный створ в виде горизонтально натянутой концевыми пригрузами стальной струны и измерениями отклонения тела плотины относительно струны с точностью до ±100 мкм. В настоящее время эта процедура осуществляется вручную переносными микрометрам

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»