Автоматизированные системы мониторинга конструкций — это обобщённое название для целого класса систем, используемых для отслеживания различных параметров в инженерно-строительной практике. Такие системы упрощают сбор наблюдательной информации благодаря применению электронных систем регистрации и записи.
За последние 30 лет в сфере автоматизированного мониторинга произошли существенные изменения. На рынке появились десятки новых производителей, и сегодня практически любой тип измерений может быть включен в систему автоматизированного мониторинга. Однако каждый из применяемых методов имеет определённые ограничения по применимости в конкретных условиях объекта, определённый диапазон работы и погрешность. Разработка оптимальный измерительной схемы и подбор оборудования на основе заданных критериев — одна из важнейших задач при проектировании системы. Использование типовых решений без дополнительной экспертной оценки приводит к снижению эффективности системы мониторинга.
Измерительные системы для мониторинга
Все системы мониторинга зданий предназначены для прямого или косвенного измерения физических параметров. В настоящее время принято разделять измерительные системы по типу выполнения измерений: контактные (устанавливаемые непосредственно в месте измерения) и дистанционные. К последним относят измерительные методы, которые не требуют размещения измерительной части непосредственно в точке наблюдений. При этом на объекте наблюдений может располагаться пассивная часть измерительной системы, например, отражатель.
К контактным системам относятся:
• Инклинометры и наклономеры, отвесы (прямые и обратные).
• Экстензометры.
• Пьезометры и датчики порового давления.
• Метеодатчики, температурные датчики.
• Датчики нагрузки и давления.
• Датчики деформации.
• Датчики осадки.
• Акселерометры, сейсмометры, геофоны.
К дистанционным системам измерений относятся:
• Тахеометры.
• Нивелиры.
• GPS-приёмники.
• Наземные интерферометры (радары).
• Спутниковые интерферометры.
• Наземные и воздушные сканеры.
• Фотограмметрия.
В данном обзоре мы рассмотрим несколько типов контактных измерительных систем, наиболее часто применяемых на практике.
Пьезометр
Пьезометр — это прибор, который используется для измерения уровня грунтовых вод или давления жидкости в порах грунта. У всех пьезометров есть камера и фильтр.
Пьезометры принято различать по конструкции:
• Открытый пьезометр (опускной, безнапорный) — это устройство, которое используют для измерения уровня грунтовых вод в открытой скважине. При выполнении ручных наблюдений в скважину опускают гидрологическую рулетку до касания с поверхностью воды и фиксируют отсчёт по мерной ленте. При использовании автоматизированной системы в скважину устанавливают датчик давления, который фиксирует давление от столба воды. Интересной разновидностью открытого пьезометра является пьезометр Касагранде. У пьезометров данного типа относительно небольшой внутренний диаметр — чаще всего 12 мм.
• Закрытый пьезометр — это устройство, в котором камера пьезометра не связана с атмосферой. С помощью закрытых пьезометров измеряют давление поровой воды. Измерения гидравлического давления производят с помощью датчиков, конструкции которых могут быть самими разными. Разновидностью закрытого пьезометра является датчик порового давления мембранного типа, у которого камера и фильтр встроены в корпус.
В настоящее время в качестве чувствительного элемента пьезометров чаще всего встречаются электрические датчики давления, но могут использоваться и другие типы: гидравлические, пневматические, оптоволоконные. В практике геотехнического мониторинга чаще встречаются электрические датчики струнного и пьезорезистивного типа.
Рис. 1. Стандартный струнный пьезометр
Существенного прогресса в мониторинге порового давления удалось добиться после появления метода «полной цементации». Данный метод установки позволяет установить несколько датчиков порового давления в одной скважине, что приводит к существенной экономии.
Датчик давления грунта —
это прибор, предназначенный для измерения полного давления в грунте или давления, оказываемого грунтом на контакте с поверхностью (например, на стену в грунте или обделку тоннеля). Применяется при мониторинге состояния разнообразных строительных конструкций, а также при прокладке трубопроводов, железнодорожных путей, тоннелей и т. д.
Рис. 2. Датчик давления грунта
Конструктивно прибор состоит из камеры, которая герметично соединена трубкой из нержавеющей стали с датчиком давления и образует замкнутую гидравлическую систему (Рис. 3). Камера (ячейка давления) представляет собой две пластины из нержавеющей стали, сваренные по периметру с небольшим зазором. Давление на камеру преобразуется в сигнал, который считывается с помощью регистратора.
В зависимости от типа грунта и размера частиц в нём могут возникать дополнительные погрешности измерений, вызванные разностью модулей упругости камеры и грунта. Для уменьшения влияния этой погрешности производители изготавливают модели с различными диаметрами камеры. Чаще всего используются датчики с диаметром камеры 23 см. Так же варьируется и чувствительный элемент прибора. Это может быть струнный преобразователь, кремневый тензорезистор, пневматический и др. Существует также другой тип датчика давления грунта — тензорезистивный. В этом типе на внутреннюю поверхность измерительной ячейки наносятся несколько тензорезисторов, которые подключают к внешней тензостанции.
Рис. 3. Тензостанция
Датчик нагрузки
По устройству похож на датчик давления грунта. Основное отличие в размере корпуса и отсутствии подводящей трубки. Для контроля нагрузки при на опоры или при испытаниях свай используют датчики со сплошной поверхностью, массивный металлический корпус которых может выдержать нагрузку в 5000 кН и более.
Рис. 4. Датчик нагрузки
Для анкерных тяг используют конструкцию с центральным отверстием. Этот тип датчика широко применяется для контроля за анкерными креплениями сооружений инженерной защиты, вантовыми конструкциями, анкерными тягами в больверках и др. И в том, и в другом случае датчик нагрузки имеет встроенный преобразователь, который передаёт аналоговый или цифровой сигнал на регистрирующее устройство.
С появлением компактных систем беспроводного сбора данных, основанных на протоколе LoRa, на рынке появились датчики с интегрированным модулем беспроводного сбора данных. Такое устройство даёт существенное преимущество при работе в стеснённых условиях, а также в случаях, где прокладка сигнального кабеля затруднена.
Рис. 5. Датчик нагрузки
Экстензометр
Экстензометром в геотехническом мониторинге принято называть датчик линейных перемещений, который измеряет изменение расстояния между двумя и более точками вдоль оси прибора в скважине или на грунтовом сооружении. Различают несколько основных типов скважинных экстензометров:
• Стержневой – это прибор, в котором точки измерений связаны между собой стальным или стекловолоконным стержнем. Такие экстензометры бывают одноточечными и многоточечными.
• Тросовый — это экстензометр, в котором точки измерений связаны между собой гибким тросом. Такой прибор тоже бывает одноточечным или многоточечным, в зависимости от количества используемых тросов.
• Опускной. В таком приборе точки измерений связываются двигающимся зондом. Данный тип экстензометров в свою очередь разделяется на одноточечный или двухточечный, в зависимости от того, сколько пассивных элементов (якорей) используются для взятия отсчёта.
Экстензометры широко применяются для автоматизации мониторинга осадок, с их помощью ведутся наблюдения за послойными деформациями грунтовых массивов в основании сооружения. Чувствительным элементом для каждого из этих датчиков служит преобразователь струнного типа или потенциометрический датчик.
Рис. 6. Сегментный экстензометр
Гидравлические датчики осадки и гидростатические нивелиры
Гидравлический датчик осадки — это замкнутая система, которая используется для фиксации изменений в превышении между двумя и более точками. Такие приборы применяют для мониторинга осадки грунтовых сооружений и фундаментов.
Базовую станцию с расширительным баком устанавливается на точке, в которой высота прибора может быть измерена другими способами, например геодезическим нивелированием.
Базовую станцию соединяют с датчиками, установленными в точках измерений с помощью системы шлангов и сигнальных кабелей. На обоих концах системы замеряют давление и температуру и по полученным значениям пересчитывают в линейную меру по формуле гидростатического давления.
В отдельный тип приборов выделяют гидростатические нивелиры.
Это один из самых старых типов приборов, который используется для мониторинга протяженных объектов, например, бетонных плотин. Все точки измерений объединяются в единую гидравлическую систему и производят замер с помощью уровнемера любого типа или датчика давления.
Одну из точек используют в качестве отсчётной. Обычно её стараются расположить вне зоны ожидаемых деформаций или в точке, где текущая высота может быть определена альтернативными методами.
Трещиномеры (щелемеры)
В отдельный тип приборов принято выделять поверхностные датчики линейных перемещений, используемые для контроля за развитием трещин, работой деформационных швов или других подвижных элементов конструкций. Такие приборы в геотехнической практике принято называть трещиномерами, а в отдельных отраслях промышленности утвердилось название щелемер.
Трещиномер (щелемер) обычно работает в диапазоне измерений от 0,01 до 100 мм. Для определения многомерного вектора смещений используют блог из ескольких трещиномеров.
Рис. 7. Трёхмерный щелемер для ручных измерений
Датчики деформации
Для измерений относительной деформации строительных конструкций используют датчики деформации. Такие датчики устанавливаются в элементах конструкции или на поверхности структурных элементов и регистрируют мельчайшие изменения измерительной базы. Чувствительными элементами служат тензорезисторы или струнные преобразователи.
Рис.8. Струнный датчик деформации
Поверхностный наклономер
Стационарный наклономер крепится на поверхность сооружения и измеряет наклон в одной или двух осевых плоскостях, перпендикулярных плоскости установки датчика. Измерения проводятся относительно вектора силы тяжести, отклонение от которого фиксирует чувствительный элемент. На практике наибольшее распространение получили МЭМС-наклономеры, хотя на отечественном рынке также востребованы приборы на жидкостном преобразователе.
Рис. 9. Поверхностный наклономер
Данный датчик предназначен для долгосрочного мониторинга с высокой точностью. Он устанавливается в точке мониторинга на специально подготовленную поверхность и фиксирует минимальные изменения в наклоне. Показания датчика могут быть сняты с помощью портативного регистратора или получены в режиме реального времени через автоматическую систему сбора данных. С конструктивной точки зрения датчик представляет собой корпус МЭМС и установленную в нём плату, которые крепятся на монтажной площадке. Способ крепления к поверхности конструкции зависит от условий наблюдений. Наиболее распространённым вариантом является крепление анкерного типа или на клей.
Ещё одним интересным вариантом применения наклономера является использование его для контроля скорости оползневых процессов, например, для мониторинга устойчивости склонов выемок. В таких проектах наклономер располагают на заглубленной в склон металлической вехе. Прибор постоянно контролирует своё положение, но работает в режиме пониженного энергопотребления. При обнаружении недопустимых перемещений срабатывает триггер и датчик начинает передавать текущие показания на удалённый сервер.
Рис. 10. Пример использования наклономера от компании EWS Monitoring
Подробнее про наклономеры можно прочитать здесь.
Скважинный инклинометр —
это устройство, позволяющее определить величину линейных перемещений в направлениях, поперечных оси установки прибора. В основе системы лежит измерительный зонд, который устанавливается стационарно или перемещается внутри измерительной скважины вдоль направляющей трубы. Внутри зонда находится высокоточный датчик наклона, чаще всего наv основе МЭМС. При перемещениях грунтового массива происходит изгиб направляющей трубы, который замеряется инклинометром и передаётся на регистрирующее устройство. Затем полученное значения зенитного угла пересчитывается в линейные приращения для каждого отдельного измерения. На основе полученных данных строят профиль данных и сравнивают его с предыдущими измерениями. Итоговые значения позволяют судить о величинах и скоростях горизонтальных смещений всего массива, а также выявить характерные поверхности скольжения.
Широкое применение элементов МЭМС и продолжающаяся миниатюризация электроники привела к тому, что производители получили возможность разместить в зонде дополнительные датчики. Так на рынке появились трёхмерных измерительные системы. Пионером данной технологии была компания Measurand, про уникальные приборы которой можно прочитать здесь.
Альтернативное решение для получения трёхмерной картины движения грунтового массива было предложено европейскими производителями.
У этого прибора в корпус стационарного измерительного зонда встроен потенциометр. Сам датчик располагается внутри инклинометрической обсадной трубы, а грунтовые якоря скользят по внешней поверхности, как у стандартного магнитного экстензометра. В результате для каждого сегмента известны все три компонента вектора смещений.
Использование комбинированных инструментов даёт существенную экономию в объёмах бурения, так как одна скважина с комбинированным прибором может заменить несколько стандартных измерительных скважин. Это подталкивает производителей к новым экспериментам.
Акустический датчик перемещений
Это недорогой прибор, предназначенный для получения информации о скорости развития оползневых процессах. Принцип действия прибора основан на анализе акустических волн, возбуждаемых щебнем при перемещении грунтового массива. Прибор подсчитывает количество акустических волн за определённый период времени и определяет частоту за период осреднения. Этот параметр сравнивается с таблицей скоростей оползней.
Рис. 11. Акустический датчик перемещений
В отличие от стандартных скважинных инклинометров данная схема позволяет продолжать измерения даже при значительных горизонтальных подвижках (более 500 мм). При этом сам датчик располагается в устье скважины и подключён к регистратору данных.
Термокосы
Ещё одним распространённым типом устройств являются термокосы. К ним относят группу термометрических датчиков, объединённых единым сигнальным кабелем. Такие датчики массово используются в районах распространения многолетнемерзлых пород, для оценки температурного режима грунтов основания и эффективности работы термостабилизаторов. Пожалуй, это единственный сегмент, в котором доминируют отечественные производители оборудования для геотехнического мониторинга: омский завод «Эталон», НТП «Горизонт» и другие. Они производят термокосы с цифровым сигналом, которые позволяют разместить в одном устройстве десятки точек замера. Требования межгосударственного стандарта на полевое определение температуры грунтов ГОСТ 25358-2020 предписывают проводить измерения каждые пол метра в приповерхностном слое, каждый метр на глубинах от 5 до 10 метров и каждые два метра при глубинах исследования более 10 метров. К примеру, термокоса для измерений на глубине 15 метров должна иметь 23 точки замера.
В горнодобывающей отрасли, где глубины исследований могут достигать несколько сотен метров, такое количество датчиков в приповерхностном слое не нужно, и п.5.8 ГОСТ позволяет проводить замеры только в зоне исследования. В таких случаях, устанавливают аналоговые косы с усиленным кабелем, что повышает надежность системы. Подробнее о термокосах для горнодобывающей промышленности можно прочитать в статье на нашем сайте.
Программная часть системы мониторинга
Программное обеспечение, пожалуй, самая важная составляющая систем мониторинга строительных конструкций. При выборе ПО важно смотреть на функциональные возможности, универсальность, совместимость с определёнными типами датчиков, масштабируемость и другие параметры. Рассмотрим пример платформы SODIS Building M. Данная платформа используется для сбора и обработки поступающих данных на крупных спортивных объектах, построенных к XXII Олимпийским играм в Сочи, Екатеринбурге и других городах России.
Программное обеспечение SODIS Building M создаёт из разрозненных технических средств единую информационную среду для обеспечения непрерывности и целостности измерений здания или сооружения. Все датчики опрашиваются автоматически с помощью специализированных систем сбора данных, которые передают результаты измерений и диагностическую информацию на сервер. Данные мониторинга доступны оператору в режиме онлайн с помощью автоматизированного рабочего места.
Рис. 12. Графики напряжения, деформации и температуры в системе SODIS Building M
На основании полученных данных система мониторинга в автоматическом режиме определяет техническое состояние объекта и уведомляет диспетчера о нештатных ситуациях.
Система настроена таким образом, что переход контролируемых элементов кольцевых балок покрытия в предаварийное или аварийное состояние происходит при достижении напряжений в любой точке контролируемых сечений величины.
ПО позволяет в любой момент получить доступ к текущим и историческим значениям напряжений, внутренних усилий, приращениям деформаций в точках установки датчиков. Также система сохраняет «сырые» (необработанные) данные о частотах колебаний струн тензометров и их температуры, это необходимо для диагностики нештатных ситуаций в работе автоматизированной системы.
В заключение следует подчеркнуть, что использование автоматизированных систем мониторинга не обязательно означает отказ от ручных наблюдений. Фактически во многих практических задачах применение человеческого труда остаётся более эффективным. Человек в данном контексте может рассматриваться как универсальный сенсор, способный регистрировать множество параметров, и одновременно как аналитическая система.
