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):

  1. Терминал измерительный «T»
  2. Блок предварительной коммутации «БПК» (1-2 шт. на один терминал)
  3. Релейный коммутатор «РК» (1…16 шт. на один БПК)
  4. 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»

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:

  1. 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.
  2. Контроль параметров отклика датчика: измерение декремента затухания, контроль формы огибающей и амплитуды сигнала.
  3. 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) 10 + 0,1*(25/U_i - 1) %
9 Диапазон контролируемого декремента затухания (0,5-10,0)*10^-3
10 Погрешность оценки декремента затухания сигналов отклика СД 5 + 0,2*(10*10^-3/d_i - 1) %
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
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

Блок предварительной коммутации БПК («начинка»)

Релейный коммутатор РК

Релейный коммутатор РК со снятой крышкой