用大眾裂紋計進行結構監測
在最近的一個項目中，一個監控係統被設計並安裝在一座橋上。監測係統的目的是測量幾個關節的運動。工程師們認為，由於交通或熱膨脹導致的關節過度運動將導致災難性事件的發生。這也是同時進行的一項大型修理和維護項目的一部分，其中包括安裝陰極保護係統。
係統的設計涉及大量的討論，以形成係統可以設計的範圍。收集的重要資料包括:
- 量規的類型和預期的運動範圍
- 采樣頻率要求
- 相對測量位置
- 衡量耐久性
- 數據采集要求
- 數據處理
所有這些方麵都是重要的考慮因素，它們有各自的複雜層次，這意味著它們並不相互排斥。這篇文章將從總體上看這一過程。
儀表類型和量程
撓度計有多種形狀和尺寸。為了測量關節的運動，它們通常需要相當大，以跨越關節，並允許可能觀察到的大範圍的運動。測量小撓度的標準電阻應變計即使長到足以跨越關節也沒有運動範圍。在這種情況下，壓力表必須跨越的“間隙”超過100毫米，所需的運動範圍高達100毫米，因此所需的壓力表相當大。
就傳感器技術而言，大撓度的兩個主要選擇是線性可變差動變壓器(lvdt)或振絲裂紋測定儀(VWCM)。lvdt通過測量交流電壓差來工作，因為3個線圈的相對排列由於壓力表的擴展或收縮而改變。
vwcm的工作原理是測量固定兩端之間繃緊的電線的頻率。頻率隨張力的變化而變化，因此量規上的拉伸或收縮也隨之變化。
VWCM的主要優點是，在長時間的安裝過程中，它的位置讀數非常穩定，在儀表和數據記錄器之間的電纜上很少有長度或電磁輻射限製。lvdt有一個限製，即電纜長度會影響從壓力表收集到的電壓信號。vwcm的最大采樣頻率也比LVDT慢得多。
采樣頻率
一輛卡車在橋上的運動可以被認為是一個動態場景，即橋上的力變化很快，並受到卡車的速度和重量的影響。在測量點，它會看到相對快速的撓度變化。在這種情況下需要的數據是關節的最大開口。
在數字采樣理論中，奈奎斯特頻率是需要對事件采樣的最小數據收集速率。它通常是事件發生頻率的兩倍。想象一個周期為1s的正弦波，其頻率為1Hz(即1/T)。奈奎斯特頻率應為2Hz或每0.5s采樣一次。奈奎斯特頻率是可以采樣的最小速率，通常會從正弦波中拾取1個正的測量值和1個負的測量值。
然而，在一個事件上，測量振幅的準確性會很差。它會在多次類似事件中得到改善。為了獲得更高的準確性，必須以更高的頻率對事件進行采樣。數學上可以確定，如果以10Hz采樣，同樣的正弦波可以達到5%的精度。
因此，在每種情況下都必須考慮采樣率，在量具選擇的情況下，LVDT在最大采樣率方麵比VWCM具有巨大的優勢。VWCM傳統的最大采樣率是0.5Hz。結構工程師認為0.5Hz的采樣率足以收集橋梁上接縫所需的信息。
測量位置
橋梁結構長度超過350米，希望對結構上的5個點進行監測。監測點均勻地分布在橋梁上，這意味著每一個測量點之間沿橋梁線性分布的平均距離為70米。
lvdt不能用長電纜安裝，因此如果使用它們，就需要在沿橋架安裝的結構上安裝多個數據記錄器。每個數據記錄器都需要電力，因此需要監測5組電池，或者需要從外部電源向結構輸送電力。如果數據需要時間同步，在沒有無線連接的情況下，這幾乎是不可能的，即使這樣也不可靠。
這使得vwcm成為領先的候選電纜長度不是問題，所有東西都可以連接到靠近變壓器整流器的中央數據記錄儀，用於CP係統。
衡量耐久性
lvdt或VWCM的一般形式是相當相似的。你需要兩個錨點在接頭和主儀表體的兩側。量規主體允許量規的一個“臂”的伸展和收縮。“臂”需要保持相當清潔，因為它移動在壓力表內外。另一個需要考慮的問題是，由於撞擊或當地海鷗形式的動物造成的機械損傷。
壓力表上設計了一個保護套管，使套管可以固定在接頭的兩側，並且仍然具有抗飛濺性。此外，由於在海洋環境中，壓力表和錨都是由不鏽鋼製成的。這對於兩種類型的儀表都是可能的。
在這一點上，電纜到壓力表也被考慮。一個問題是電纜護套的紫外線穩定性。任何想要持續超過兩個月的安裝都需要有紫外線穩定的電纜護套或導管。使用導管，因為它還提供機械保護和額外的屏蔽，防止CP結構上的任何高壓電纜。
計的選擇
總的來說，之所以選擇VWCM，是因為它在電纜長度方麵的靈活性，以及在客戶端能夠使用一個集中安裝的數據記錄器方麵的優勢。然而，這種選擇確實意味著采樣頻率方麵的限製，並在數據記錄器的設計中增加了一些複雜性。
的數據記錄儀
一旦確定了首選儀表，就可以考慮使用數據記錄器。一個大眾儀表需要一個大眾接口內部的數據記錄器。這個接口有效地驅動儀表，發送信號到儀表激勵電線和測量頻率。傳統的大眾界麵每2秒或0.5Hz就能產生這種激勵。然而，傳統的大眾接口是連接到一個多路複用器，允許它驅動多個儀表順序。因此，盡管0.5Hz的頻率可以在一個儀表上實現，但在5個儀表上，數據記錄儀隻能每10秒記錄一次儀表。對於這個應用程序，既可以使用多個VW接口，也可以使用另一種接口方法。
最近數據記錄器的發展帶來了大眾界麵抽樣率的改進。這項新技術不斷地激發測量儀，然後對輸出進行傅裏葉變換，以允許其在高達50Hz的頻率下采樣。他們認為這種新型的接口是唯一的可能。新接口有8個通道，對於具有單個接口的應用程序來說足夠了。
其他對係統使用和編程很重要的特征是:
- 內存——主數據記錄組件有少量的內存。它可以通過編程將結果輸出到SD卡，以獲得更大的存儲空間。這也允許手動收集數據。
- 調製解調器-安裝了調製解調器，允許數據上傳到互聯網，並允許在場外訪問電子數據。
- 電池-雖然它是已知的，電源將提供給數據記錄儀在某個點。該設計考慮到了一段時間內沒有電源，電池需要更換和充電。經過計算，調製解調器和數據記錄器可以在不需要充電的情況下運行2周。這也將給資產所有者一個很好的時期，如果任何停電發生在未來。
需要注意的是，數據記錄器安裝在橋架的一端，並安裝在一個外殼中，為耐久性提供IP67等級和316級不鏽鋼。由於爆炸性氫氣積聚的危險，充電的SLA電池不能與電子設備一起儲存在密閉的外殼中。因此，第二個通風的外殼被用來放置電池。
數據處理
在這一點上，重要的是要考慮這樣一個係統所收集的數據量。5個測井儀每2秒記錄一次，連續24小時，得到216,000個數據點。一個月後，你會有超過650萬。而且這隻是儀表上的原始頻率值。如果你還想考慮每個量具上熱敏電阻的溫度，一個實際mm擴展的轉換值，一個測量值和下一個測量值之間的差異(delta)，以及其他輔助信息，如電池充電，這個數字可以乘以至少3或4。
每周進行1.5米的測量並不是監測結構的最有效方法。他們決定將數據記錄儀的數據上傳到第三方雲平台進行存儲和數據處理。該軟件自動篩選用戶定義的標記重要事件的數據。在這種情況下，主要事件是一係列不同的增量值。這代表了從一個測量到下一個測量的巨大變化。事件的級別將與這一變化的幅度相對應。另一個事件是關節延伸到一個特別的臨界值。
結論
這個係統到現在還在繼續工作。相關用戶可以在世界任何地方24小時登錄並訪問該結構的數據。資產所有者可以放心，沒有事先警告就不會發生災難性事件。
