Для построения систем контроля напряженно-деформированного состояния гидротехнических сооружений
Оборудование «Струна-5» является дальнейшим развитием измерительных систем семейства «Струна» выпускаемых НПК «Фаза», начиная с 1998 года. Системы типа «Струна» предназначены для автоматизации измерений и сбора данных с закладной контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) струнного типа, устанавливаемой в процессе строительства в теле плотины, а также с КИА, работа которой основана на других принципах.
Измерительные терминалы системы «Струна» подключаются к сети Ethernet и, при использовании соответствующих конверторов, интегрируется в оптоволоконную сеть для передачи данных в информационно-диагностическую систему (ИДС) верхнего уровня.
При наличии в общей системе мониторинга ГТС таких приборов как ИКСО-40 и ОДГН-1, терминалы системы «Струна-5» могут инициировать измерения данных приборов, собирать результаты в своих, локальных, базах и выдавать их в ИДС верхнего уровня. Это позволяет повысить живучесть системы мониторинга, поскольку измерения не прерываются при выходе из строя сервера сбора данных или локальных неполадках в сети. При восстановлении целостности системы мониторинга данные будут переданы в ИДС.
Состав оборудования (минимальной конфигурации):
- Терминал измерительный «T»
- Блок предварительной коммутации «БПК» (1-2 шт. на один терминал)
- Релейный коммутатор «РК» (1…16 шт. на один БПК)
- Шкаф соединительный «Струна» (количество определяется при проектировании)
Количество терминалов и других блоков оборудования, необходимое для организации измерительной системы, зависит от задачи и расположения приборов и датчиков КИА по телу ГТС.
Схема применения аппаратуры «Струна-5»
Отличия и от аналогичных систем
В терминале «Струна-5» предусмотрены технические средства контроля работоспособности — измерение эталонного сопротивления, токового сигнала и периода тестового сигнала с имитатора. Также имеется система самотестирования терминала на работоспособность и точность измерений. Особенностью системы является возможность оценки работоспособности струнных датчиков (СД). Для этого предусмотрены следующие функции:
- Оперативный (при проведении текущих измерений) контроль параметров датчика – проверка на обрыв, короткое замыкание линии, контроль выхода за рабочий диапазон частоты и сопротивления СД, определение среднего квадрата ошибок по измеряемым параметрам и т.д.
- Контроль параметров отклика датчика: измерение декремента затухания, контроль формы огибающей и амплитуды сигнала.
- Спектральный анализ отклика датчика и помеховой обстановки на линии.
Основные технические характеристики терминала «Струна-5»
| № п/п | Наименование | Характеристика |
| 1 | Обслуживаемые системы КИА | Закладная КИА (струнные датчики (СД)) производства России и Geocom, США.
Приборы: ИКСО-40, ОДГН-1 и другие приборы и датчики со стандартным токовым выходом сигнала 4…20 мА или с интерфейсом RS-485 |
| 2 | Общее количество контролируемых приборов и датчиков одним терминалом | 1792 |
| 3 | Диапазон измеряемых сопротивлений СД | (1…3000,0) Ом |
| 4 | Погрешность измерения сопротивления СД не более | ±0,1% ± 0,2 Ом |
| 5 | Диапазон измерения периода и частоты собственных колебаний струны СД | (333,3…2000,0) мкс (500,0…3000,0) Гц |
| 6 | Погрешность измерения периода не более | 0,1% ± 0,2 мкс |
| 7 | Диапазон уровней сигналов отклика СД | (0.25…25) мВ |
| 8 | Погрешность измерения уровня сигналов отклика СД (в диапазоне частот 500…3000Гц) |  % |
| 9 | Диапазон контролируемого декремента затухания |  |
| 10 | Погрешность оценки декремента затухания сигналов отклика СД |  % |
| 11 | Амплитуда зондирующего импульса при Rн = 1000,0 Ом | 140, 160, 180, 200 В ± 5 В |
| 12 | Амплитуда зондирующего импульса при Rн = 250,0 Ом | 140, 160, 180, 200 В (-20) В |
| 13 | Длительность зондирующего импульса при Rн=1000,0 Ом | (1.0± 0.1) мс |
| 14 | Длительность зондирующего импульса при Rн = 250,0 Ом | (0.25± 0.05) мс |
| 15 | Амплитуда напряжения сигнала ЛЧМ | 5В |
| 16 | Диапазон частот сигнала ЛЧМ | (300…3000) Гц |
| 17 | Напряжение питания, мощность потребления | 220 В ± 10%; 50 Гц; 100 ВА |
| 18 | Диапазон рабочих температур | 0… 40 °С |
| 19 | Габаритные размеры (Ш, В, Г) мм | 300×400×165 |
| 20 | Интерфейс | Lan / 100Mbps / RJ-45 |
| 21 | Назначенный срок службы | 10 лет |
| 22 | Межповерочный интервал | 1 год |
Основные технические характеристики блоков «Струна-5»
| № п/п | Наименование | Характеристики | ||
| БПК | РК | ШКС | ||
| 1 | Количество подключаемых устройств | 2 | 56 | — |
| 2 | Количество вводов. Типы кабелей | 2 кабеля КВВГЭнг 10х1,0 | 7 кабелей КВВГЭнг 10х1,0 | — |
| 3 | Напряжение питания, мощность потребления | 220 В ± 10%; 50 Гц; 20 ВА | 220 В ± 10%; 50 Гц; 20 ВА | — |
| 4 | Диапазон рабочих температур | 0˚С…+40˚С | -10˚С…+40˚С | -10˚С…+40˚С |
| 5 | Относительная влажность при температуре +15 ˚С и без конденсации влаги на цепях измерения | ≤ 80% | ≤ 98% | ≤ 98% |
| 6 | Габаритные размеры (Ш, В, Г) мм | 200×400×80 | 400×200×120 | — |
| 7 | Назначенный срок службы | 10 лет | 10 лет | 10 лет |
Принципы работы системы контроля напряженно-деформированного состояния ГТС построенной на базе аппаратуры «Струна-5»
Принцип работы первичных преобразователей (закладной КИА) основан на изменении периода собственных колебаний натянутой струны под воздействием сил уменьшающих или увеличивающих ее натяжение. Датчики (первичные преобразователи) тарируются на предприятии-изготовителе на соответствующих стендах. При этом на датчик подается воздействие в виде электрического импульса экспоненциальной формы определенной длительности и амплитуды. Далее производится измерение периода свободных колебаний струны в процессе их затухания. В процессе тарировки аппроксимируется (степенными полиномами) зависимость периода свободных колебаний струны от силы воздействия. Именно при таких воздействиях и оговоренных в паспорте на датчик ограничениях на измерительный интервал, изготовитель гарантирует соответствие метрологических характеристик прибора – заявляемым, а применение полиномов, определяемых паспортом – правомерным.
Поскольку физически измерительное оборудование оказывается на значительном удалении (до нескольких сотен метров) от датчиков, заложенных в теле плотины, то сигналы от датчиков оказываются сильно зашумлены индустриальными помехами, а их уровень зачастую значительно ниже заявленного в паспорте. В процессе многолетних наблюдений и по результатам сбора информации с объектов, на которых работают системы «Струна», отработан ряд технических решений и методик, реализованных в аппаратуре и программном обеспечении последних модификаций, позволяющих получать достоверные результаты при большой зашумленности сигнала и воздействии сильных сосредоточенных помех. Данные решения находятся в строгом соответствии с требованиями к методам работы со струнной КИА. Аппаратура «Струна» позволяет производить измерения в условиях, когда другие цифровые частотомеры (периодомеры) выдают ошибочные результаты либо не работают. Имеющийся, программно-аппаратный инструментарий позволяет анализировать техническое состояние каждого датчика, помеховую обстановку в сигнальных цепях и настраивать режим воздействия и режим измерения индивидуально для каждого датчика.
В период с 2002 ÷ 2005 г. в нашей организации проводились исследования способов возбуждения струнных датчиков с целью поднять уровень полезного сигнала на входе измерительного устройства. В результате был предложен и запатентован метод (Патент на изобретение № 2280846), суть которого (не вдаваясь в детали) заключается в том, что струна датчика раскачивается на ее резонансной частоте. Это может быть некое подобие системы с ФАПЧ, либо различные комбинированные методы. Данный метод прошел длительные стендовые испытания, однако было принято решение в промышленных образцах его не применять. В процессе испытаний были обнаружены параметрические эффекты, такие как зависимость частоты, на которой система настраивается в резонанс, от амплитуды сигнала до которой раскачивается струна. Исследование причин данного эффекта – тема для отдельной статьи. Можно лишь сказать, что датчик струнного типа – весьма сложный электромеханический прибор, рассматривать который как идеальную колебательную систему, на наш взгляд, некорректно. Особенно это относится к приборам, отработавшим в массиве бетона достаточно длительное время.
В связи с вышесказанным все усилия при разработке новых модификаций системы «Струна» были сосредоточены на поиске оптимальных методов приема сигнала от датчиков при строгом соблюдении требований к способу возбуждения этих датчиков. Следует отметить, что в аппаратуре системы «Струна» дополнительно предусмотрена возможность подключения любых датчиков, имеющих стандартный токовый выход 4 ÷ 20 мА. Кроме того, по опыту работы на Саяно-Шушенской ГЭС, в аппаратуру введены режимы, позволяющие работать со струнными датчиками производства американской компании Geokon и требующими возбуждения сигналом ЛЧМ (линейная частотная модуляция).
Реализованные проекты систем на базе аппаратуры «Струна»
Система «Струна-4М» в настоящее время запущена в эксплуатацию на Усть-Илимской ГЭС и частично (на 1/3 объема опрашиваемых адресов) на Саяно-Шушенской ГЭС. Модификации этой системы — «Струна» и «Струна-МП» успешно эксплуатируется с 1999 г. на Красноярской ГЭС и с 2002 г. на Зейской ГЭС в Амурской области.
Блок предварительной коммутации БПК («начинка»)
Релейный коммутатор РК со снятой крышкой