Исследование и разработка информационно-измерительной системы для непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций

• Автор: Краячич, Александр Валерьевич
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 203 с. : ил.

Содержание
Список условных сокращений
Введение
Глава 1 Структура построения ИИС для непрерывного мониторинга состояния сложных механических конструкций
1.1 Анализ требований к системе непрерывного мониторинга состояния прочности конструкций и определение
необходимых типов первичных преобразователей
1.2 Определение сил для контроля массы и центровки самолета
1.3 Структура и основные характеристики ИИС
1.4 Требования к составу сервисного и специального программного обеспечения ИИС
Выводы к главе
Глава 2 Разработка методики и средств получения метрологических характеристик ИИС
2.1 Методика и средства получения метрологических характеристик измерительных каналов ИИС
2.2 Разработка автоматизированной калиброванной меры, имитирующей первичные преобразователи
2.3 Определение характеристик погрешности автоматического калибратора мер
2.4 Автоматизация процесса получения метрологических характеристик ИИС с программно-управляемой
структурой измерительной части
Выводы к главе
Глава 3 Алгоритмы калибровки и коррекции результатов измерения ИИС
3.1 Организация контроля измерительных каналов
3.2 Алгоритмы и программы калибровки измерительных каналов
3.3 Алгоритмы и программы коррекции результатов измерения
Выводы к главе
Глава 4 Обработка данных непрерывного мониторинга состояния прочности конструкций. Опыт применения
4.1 Разработка алгоритма и особенности применения программ сбора и обработки тензометрической
информации
4.2 Тензометрия и спектральный анализ в мониторинге состояния прочности конструкций и их программная реализация
4.3 .Алгоритмы и программы представления данных мониторинга состояния прочности конструкций
4.4 Специальное и сервисное программное обеспечение
4.5 Анализ опыта применения ИИС для мониторинга состояния прочности мостовых конструкций
4.6 Исследования измерительного модуля с методическим объектом, имитатора полуоси шасси
Выводы к главе
Заключение
Литература
Приложение 1 Формирование калибровочных значений АКМ
Приложение 2 Результаты метрологических испытаний

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АБС - Адаптер беспроводной связи
АКМ - Автоматическая калиброванная мера
АЦП - Аналогово-цифровой преобразователь
АЦП (АОБ) - Аналого-цифровой преобразователь
ИВМ - Измерительно-вычислительный модуль
ИИС - Информационно-измерительная система
ИК - Измерительныйканал
ИЧ - Измерительная часть
КВ - Коммутатор входной
КИ - Контрольные измерения
МВК (МУК) - Мультиплексор входных каналов
МИ - Метрологические измерения
МИП - Многокомпонентный измерительный преобразователь
МК (МК) - Микроконтроллер
МХ - Метрологическая характеристика
НДС - Напряженно-деформированное состояние
НК - Номер канала
НКТ (№СТ) - Номер контрольной точки
НМ - Номер модуля
НМС - Непрерывный мониторинг состояния !
НР (N1) - Номер режима
ПИ - Программа измерений
ПИТ (Р1Т) - Программируемый источник тока
ПНП - Программируемый нормирующий преобразователь
ПО - Программное обеспечение
ПФ (РР) - Программируемый фильтр
ПЭВМ - Персональная электронная вычислительная машина
РИ - Рабочие измерения
ТР - Тензорезистор
ТС - Термометр сопротивления
УВХ (иУХ) - Узел выборки и хранения
У И - Узел измерения
УИС (1ЛБ) - Узел интерфейсной связи
УИУ (1Ли) - Узел измерительных усилителей
УКД (иКБ) - Узел контрольных датчиков
УКИ (11К1) - Узел коммутации измерительной части
УНН (иНИ) - Узел номинальных напряжений
УП (ИР) - Узел питания
УУ (Ли) - Узел управления
ФП - Флешь-память (энергонезависимая память)
ЭВМ - Электронная вычислительная машина

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. С развитием информационных технологий и совершенствованием измерительной техники, появилась возможность создания систем непрерывного мониторинга состояния прочности сложных механических конструкций с целью обеспечения их безопасной эксплуатации. К таким сложным механическим конструкциям можно отнести самолёты, продуктопроводы и резервуары в нефтегазовой и химической отраслях, трубопроводную обвязку атомных реакторов и газоперекачивающих станций, плотины, мостовые и современные строительные сооружения и многие другие.
Непрерывный мониторинг состояния прочности позволяет в течение длительного времени получать информацию о напряженно-деформированном состоянии (НДС), о нагрузках, различных воздействиях и других показателях эксплуатации конструкции и принимать эффективные решения по управлению режимом эксплуатации. Средства непрерывного мониторинга состояния (НМС) прочности конструкции это система наблюдения за условиями работы и поведением конструкции, направленная на обеспечение сохранения её функциональных потребительских свойств в заданных пределах с использованием измерительной аппаратуры, обеспечивающей предоставление информации о состоянии конструкции в реальном масштабе времени.
Традиционно оценка технического состояния сложной механической конструкции осуществлялась на основе осмотров, обследований (осмотров сооружения, сопровождаемых инструментальными измерениями) или испытаний [1, 2, 3, 35,36].
Осмотры сложных конструкций являются трудоемкими процессами из-за большого объема обследования и сложности доступа к контролируемым узлам конструкции. В результате осмотров могут быть выявлены лишь те дефекты, которые очевидно нарушают внешние конструктивные параметры конструкции (трещины, недопустимые деформации и т.п.). При этом причины появления указанных дефектов не всегда могут быть точно установлены, что затрудняет принятие решений по их конструктивному устранению и предупреждению.
Применение НМС позволяет фиксировать условия работы и реакцию конструкции непрерывно на внешние воздействия, поэтому внештатные или пиковые воздействия, такие как землетрясения, ураганные порывы ветра и т.п. вместе с соответствующими изменениями в условиях работы конструкции будут зарегистрированы.
Важное преимущество НМС сложной механической конструкции это накопление экспериментальных данных о нагрузках и воздействиях, об условиях работы конструкции, которые могут быть эффективно использованы для повышения надежности и сроков

Проведение тензометрии, регистрация значений для последующего спектрального анализа, определение повторяемости максимумов и минимумов в процессе нагружения и т.п. должно быть реализовано в основной программе для работы с ИВМ.
Первичная обработка полученной информации представляет собой ее расшифровку, сортировку и сохранение в удобном для пользователя виде. Все данные для сокращения объёма должны запоминаться в двоичном виде. Структура этих файлов с программами для перевода этих данных в текстовую форму (в инженерных единицах) должна быть открыта пользователю. Такой подход позволяет использовать для дальнейшей обработки данных, как собственные программы, так и широко распространённые программы типа MS Excel, MatLab и другие.
Сервисное программное обеспечение ИИС должно обеспечивать полный комплекс средств разработки ПО ИВМ, его записи в микроконтроллер и отладки, а так же средства для получения информации от ИИС и ее обработки. Сервисное ПО должно включать в себя:
- отладочный программный комплекс для разработки программ для микроконтроллера;
- комплекс программ для записи и чтения программ в памяти микроконтроллера;
- программный комплекс для настройки беспроводного модуля обеспечения сопряжения
микроконтроллера с персональной ЭВМ;
- среда программирования и отладки для разработки ПО персональной ЭВМ;
Программный комплекс для разработки программ для микроконтроллера должен
обеспечивать создание новых проектов, отладки уже имеющихся программ, а также программирование микроконтроллера.
Необходимо обеспечить несколько режимов связи с персональной ЭВМ, предназначенных для различных режимов работы: рабочий режим, режим программирования микроконтроллера, режим программирования адаптера беспроводной связи. В рабочем режиме функционирует основное специальное ПО ИИС, требования к которому описаны выше.
Установку внутренних настроек, режим работы, рабочую частоту, запись, чтение и верификацию записанных данных должен обеспечивать специальный комплекс программ для записи и чтения программ в памяти микроконтроллера.
Настройку модуля беспроводной связи необходимо осуществлять по стандартному протоколу с помощью специализированных герминальных программ.
Для разработки специального ПО ИИС необходимо использовать визуальную среду разработки, основанную на высокоуровневом языке программирования, например C++.
Подробное описание используемого программного обеспечения приведено в главе 4.