מבוא לרכישת נתונים עבור Strain Gauge Networks

פרויקטים מודרניים להנדסה אזרחית מסתמכים על ניטור בריאות מבני מתמשך כדי להבטיח בטיחות, להאריך את חיי השירות, וייעל תקציבי תחזוקה. רשתות Strainמוד טופס עמוד השדרה של מערכות ניטור רבות, מתן מדידות בזמן אמת של עיוות גשרים, סכרים, בניינים גבוהים, מנהרות, ותוכנות קריטיות אחרות.פיתוח מערכת רכישה נתונים חזקה (DAQ) עבור רשתות אלה דורשות שיקול זהה זהה של בחירה, זהות, עמידות סביבתית, קווי מתאר חיוניים, ופעולות ניהול נתונים חיוניים, כדי לספק החלטות ניהול נתונים קריטיות על פני שנים.

מדוע מערכת DAQ ייעודית חשובה עבור סטרין גאגס

מדד סטרין מייצרים אותות אנלוגיים קטנים - באופן חד-משמעי בטווח המילימטר - רגישים לרעש, סחף ואפקטי טמפרטורה. Off-the-shelf Consumer data loggers לעתים קרובות חסר את ההחלטה, ספירת ערוצים או עמידות סביבתית הנדרשת עבור מטעני ציבור קבועים.מערכת DAQ תכלית-תכליתית מתייחסת לאתגרים אלה על ידי מתן תאורה מדויקת, שיעורי דגימה גבוהים, בידוד בזבזני, וגילויים מרובים של נתונים, אשר מאפשר גם מודלים קריטיים, אשר מאפשר מודלים.

ללא מערכת רכישה מעוצבת היטב, מדידות זנים יכול להיות חסר משמעות או מטעה. רעש מקווי חשמל סמוכים, לולאות קרקע, ⁇ תרמיים, ו כרוב יכול להציג שגיאות כי מעבר בפועל נמדד. מערכת DAQ חזקה מקטין את הבעיות האלה באמצעות מגן הולם, סינון וטכניקות מדידה שונות.

ראשי תיבות של Robust DAQ System for Strain Gauges

כל מערכת מדד DAQ של הזן כוללת מספר רכיבים מקושרים שצריכים לעבוד יחד בצורה חלקה.האלמנטים העיקריים כוללים חיישנים, מודולים של התניה, יומני נתונים או ספרותיות, ציוד חשמל, ממשקי תקשורת, אחסון או פלטפורמות מחשוב.כל רכיב משפיע על ביצועי המערכת הכוללת ואמינות.

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ : 1 (ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) תנאי זר: FLT:1 ⁇ גשר חיטה מעגל השלמת מעגל, מגברי כלי, מסננים אנלוגיים, ו-Receing מתח רגולטורים.
  • (FLT:0Data Loggers / Digitizers:BuildFLT:1 ), ממירים אנלוגיים-ל-דיגיטליים (ADCs) עם 16 סיביות לרזולוציה של 24bit, sampling rate מ 1 הרץ עד 1 kHz בהתאם ליישום.
  • (ב) אספקת חשמל:0) ,Rate DC אספקה עם קרוע נמוך, לעתים קרובות מגבה על ידי סוללות או מקורות כוח בלתי ניתנים להפרדה לאתרים מרוחקים.
  • (FLT:0) Communication Interface:FLT:1 ,Wi-Fi (RS-485, Ethernet, סיבים אופטיים) או אלחוטי (LoRa, 4G/5G, Wi-Fi) להעברת נתונים לשרתים מרכזיים.
  • (FLT:0) ניהול נתונים: ההרחבה 1 (DesfLT:1), רכיבי מחשוב בענן, או שרתים מקומיים שמאוחסנים, תהליך ודמיינו נתונים של זנים.

בחירת השילוב הנכון של רכיבים אלה הוא סחרחור בין עלות, דיוק, גבולות סביבתיים, ומגבלות ההתקנה.לדוגמה, גשר באזור הררי מרוחק עשוי לדרוש צמתים אלחוטיים בעלי כוח נמוך עם טעינה סולארית, בעוד שבדיקת מעבדה יכולה לסבול צריכת חשמל גבוהה יותר וחיבורים מחווטים.

בחירת חיישנים

מדדי סטרין זמינים בתצורה שונה: uniaxial, Rosette (שניים או שלושה-element), וסוגים ב-bridge מלאים. עבור פרויקטים אזרחיים, מדדים עם פולימיד או מחוסנים הם נפוצים כי הם מתנגדים לחות ונזק מכני.

  • (FLT:0)Gauge factor: FLT:1 בדרך כלל סביב 2.0 עד 2.2 עבור סגסוגת קבוע; גורמים גבוהים יותר של מד לשפר את הרגישות אבל עשוי להגדיל את הרגישות הטמפרטורה.
  • (FLT:0)Resistance: FLT:1 120 ⁇ , 350 ⁇ , או 1000 ⁇ .התנגדות גבוהה יותר מפחיתה צריכת חשמל ואפקטים אלחוטיים, אשר מועיל עבור ריצות כבל ארוכות.
  • (FLT:0) פיצוי זמני: גרף 1; Gauges תואמות את ההתרחבות התרמית של חומר המארח (למשל, פלדה או בטון) להפחית את המתח הנראה לעין משינויים בטמפרטורה.
  • (ב) חיים:0 (FLT:1) עבור ניטור דינמי של גשרים תחת תנועה, בחר מדנים מדורגים עבור 107 מחזורים או יותר.

חשוב גם לאמת את טווח הטמפרטורה התפעולי של המד.יש כמה יישומים אזרחיים, כגון סכרים באזורים קדחתניים או מבנים מכוסי אש, מדדי הביקוש מדורגים מ -40 מעלות צלזיוס ל +80 ° C או גבוה יותר.

המונחים: ניקוי אותות החזירים

אותות פלט של סטרטין מד הם בדרך כלל רק כמה מילימטרים למיקרו-סול. A 120 ⁇ מד עם 5 V exציטוט מייצרת בערך 1 mV עבור כל 100 מיקרו-אימון. כדי לדיגיטלת אותות קטנים כאלה ללא השפלה, התניה היא חובה.

  • (FLT:0Wheatstone Bridgeשל:FLT:1, רוב מדדי הזנים הם מעוותים בתצורה של רבע, חצי, או בתצורה מלאה של גשר. DAQ חייב לספק התנגדות להשלמת דיוק ומיזוג של מעגל.
  • (FLT:0)Exציטוט: 1.10LT (וולקאז') או הציטוט הנוכחי חייב להיות יציב בתוך 0.01% כדי להימנע מסחף מדידה.
  • (ב) ,0) ,ההגברה: ⁇ 1:1 ,התמרומים עם יחס דחייה משותף גבוה (CMRR > 100 dB) מגביר את אות המילימטר לרמה שמתאימה למגוון קלט ADC.
  • (FLT:0) אנלוג המסנן: FLT:1ird נמוך מסננים עם תדרי חיתוך בין 1 הרץ ו -100 הרץ להסיר רעש גבוה מהתערבות חשמלית ו רטט.

(הופנה מהדף ויקרא י"ד) ו"התמ" (ב) ,"ה) "התמכים" (ה) "ומחסנים" (ה)" (ה)"ב) הם אלה אשר מבדילים את כל הפונקציות הללו בחבילה קומפקטית, כמו אלה מ-FLT:0 National InstrumentsFLT:1 או FLT2:HBMLT 3:3 ).

תכנון מערכת רכישת נתונים לפרויקטים אזרחיים

עיצוב מערכת מתחיל עם ניתוח דרישות יסודי.מהנדסים חייבים לקבוע את מספר ערוצי מדדי הזנים, נקודות מדידה, שיעורי הדגימה, דיוק נדרש (לעתים קרובות ±1 מיקרו-אימון או טוב יותר), ואת התנאים הסביבתיים (טווח הזמן, לחות, רטט, חשיפה למים או כימיקלים). תהליך העיצוב יכול להיות שבור לכמה שלבים.

ערוץ הרוזן ואסטרטגיה

מבנים אזרחיים גדולים עשויים לדרוש מאות מדדי זנים.ד.האסאסה יחיד יכול להכיל 16 עד 64 ערוצים; עבור רשתות גדולות יותר, מספר רב של כאסאסים מסונכרנים באמצעות פרוטוקולים של זמן כמו IEEE 1588 (פרוטוקול זמן חיזוי).

  • (FLT:0) עומסים סטטיים: 1 הרץ 1 עד 10 הרץ הוא מספיק עבור זחילה, התיישבות או מתח מושרה טמפרטורה.
  • (ב) ⁇ (בדוגמא: ⁇ ) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) (בלטינית:0) ⁇ (למשל, רטט מושרה רוח): ⁇ 5 הרץ 1 500 הרץ ל-1 kHz נדרש כדי ללכוד תדרים מודוליים.

יש להימנע על ידי הבטחת קיצוץ מסנן אנלוגי נגד הפליה הוא פחות ממחצית שיעור הדגימה (קריטריון Nyquist). מערכות DAQ רבות כוללות מסננים שניתן לבצע.

פרוטוקולי תקשורת: Wired vs. Wireless

הבחירה בין העברת נתונים אלחוטית ו-WiFi תלויה בזמינות תשתיות, מרחק ודרישות אמינות.

  • (FLT:0)Wired (RS-485, Ethernet, סיבים אופטיים): 1FLT:1 מציע שקיפות נמוכה יותר, רוחב פס גבוה יותר, וחסינות להתערבות רדיו. RS-485 יכול לשדר אותות עד 1.2 ק"מ עם אותות שונים.fi אופטיקה אידיאלי עבור אתרים עם התערבות אלקטרומגנטית גבוהה (למשל, קווי חשמל קרובים).
  • (FLT:0)Wireless (LoRa, 4G/5G, Wi-Fi, לווין): אנדרט 1 מצמצם את עלויות ההתקנה ומאפשר ניטור של אזורים קשים ל-reach. LoRa מספק טווח ארוך (עד 15 ק"מ קו-of-sight) עם צריכת חשמל נמוכה, אך שיעור נתונים מוגבל (כמה kbps) עבור מדידות דינמיות, 4G או מערכות אבטחה, יש צורך.

גישה היברידית היא נפוצה: יומני נתונים באתר חיישן לאחסן נתונים באופן מקומי ולהעביר סיכומים או התראות על רשת סלולרית, עם עלייה מסיבית דרך Wi-Fi.

דרישות אספקה

כוח הוא הנקודה הנפוצה ביותר של כשל במתקני DAQ מרחוק.עיצוב חזק כולל:

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ (ב) ,ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]
  • (ב) ,0) , Backup Power: 1 הבנקים של סוללות עם מעבר אוטומטי עבור בחוץ שעות ארוכות עד ימים.
  • מקורות חדשים: 1.10 לוחות סולאריים בגודל של תמיכה במגירה הממוצעת של כוח בתוספת יכולת טעינה לתקופות מעוננים.
  • (FLT:0) מרכיבים של כוח-כוח: FLT:1 , יומני נתונים נבחרים שיכולים לפעול במצב שינה בין דגימות, ציור מיקרו-אמפים.

תקציב כוח הוא קריטי.לדוגמה, מערכת 32 ערוצים המפיצה ב -100 הרץ עם מודם סלולרי עשויה לצרוך 10-20 W. A 100 אה סוללה ב 12V יכול להפעיל מערכת כזו במשך כ 60 שעות, אבל תוספת השמש נדרשת עבור הפעלה בלתי-ממצה.

הבטחת הסתמכות ויציבות לטווח ארוך

המבחן האמיתי של מערכת DAQ מתרחשת שנים לאחר ההתקנה.חשיפה סביבתית, הזדקנות רכיב והשפלה בכבלים יכול להתפשר על איכות נתונים. אסטרטגיות מסוימות מקטין את הסיכונים האלה.

רדיפת וסבלנות

מבנים קריטיים לעתים קרובות דורשים מסלולי מדידה אדומים.זה יכול להיות גם מדקות כפולים במקומות מפתח, או לפחות יומני נתונים מקודמים שיכולים לעבור אם את נכשל הראשי.נתיבי תקשורת צריך להיות גם מוקרן: לדוגמה, הן קישור Ethernet חוטד וגיבוי סלולרי. ברשתות גדולות, יומני נתונים מרתיעים יכול ליצור נקודות אחד של כשל; במקום זאת, כוכב או mesh הוא יותר גמיש.

המונחים: viration

מד סטרין מתרחטט לאורך זמן בשל מצמרר דבק, ספיגת לחות, ורכיבי אופניים טמפרטורה.ליבריון צריך להתבצע במרווחים המומלצים על ידי יצרן החיישן (בדרך כלל כל שישה חודשים עד שנתיים) ב caulibration ניתן לעשות על ידי דחיית התנגדות מדויקת על פני זרוע אחת של גשר החיטה, מדגימה זן ידוע.

הפניות חיצוניות כמו סימולטור זן דיוק calibrated (למשל, מ- FLT:0Omega EngineeringFLT:1) יכול לאמת את שרשרת המדידה כולה ממד ועד ספרות.

הגנת הסביבה

יומני נתונים ומודולים מיזוג אותות צריך להיות שוכן בתיבה מדורגים לפחות IP65 לשימוש בחוץ, עם ערכות desiccant או תנורים לשלוט לחות. רשומות כבלים חייב להשתמש בחיתולים gland כדי למנוע מים ingress. עבור יישומים submersible (למשל, זנים על פניות), מדדים מיוחדים מים וקופסאות נדרשים.

יישום ובדיקה של מערכת DAQ

לאחר שלב העיצוב, התקנה פיזית ובדיקות מקיף נדרשות כדי לאמת את הביצועים.

מעבדה אימות

לפני פריסת שדה, להרכיב את המערכת המלאה בסביבה מבוקרת.חבר תת-קבוצה של מדפי זנים ל- DAQ וליישם עומסים ידועים באמצעות calibrated test.בדוק כי מדד תואם ערכים תיאורטיים בתוך הסובלנות המפורטת.בדוק את כל הערוצים, כולל אלה חסונים, ומאשר כי הנתונים תוכנה קלטות במדויק.

טריטוריה וועדת

התקן מודד על פי הכנת פני השטח של היצרן ותהליכי האגרה.כביש כבלים ב conduit או שריון השקוע כדי להגן מפני נזק מכני.לאחר חיבור ל- DAQ, לבצע קריאה ראשונית בסיסית - זה הופך ההתייחסות לכל מדידות המתח עתידיות להפעיל מבחן 24 שעות כדי ללכוד אפקטים עתיריים ולהבטיח שהמערכת תישאר יציבה.

חכם להתקין כמה מדדים אדומים שאינם נדרשים בקפדנות למעקב, אך יכול לשמש גיבויים אם ה- DAQ אינו יכול לדגל פערי נתונים או חריגים באופן אוטומטי.

ניהול נתונים, ניתוח וויזואליזציה

נתוני הזן הגולמי הם של שימוש מוגבל ללא פרשנות.מערכת DAQ חזקה כוללת צינור נתונים שמעבדים, חנויות ומציגה מידע למהנדסים ומקבלי החלטות.

עיבוד מול Cloud Computing

עבור רשתות גדולות, דוחף נתונים מתקדמים לענן יכול להיות יקר ורוחב הפס-חושי. Edge מכשירים מחשוב (למשל, Raspberry Pi או בקרים תעשייתיים) יכול לעבד נתונים מראש - חישוב ממוצעים נעים, גילוי שיאים, וקביעת סטטיסטיקות - לפני שידור רק מדדים רלוונטיים.זה מקטין נפח נתונים על ידי הזמנות של פלטפורמות ענן גודל.

אחסון נתונים וגיבוי

על גבי אתרי נתונים צריך להיות מספיק זיכרון מקומי (כרטיסי SD או כונן מוצק המדינה) לאחסן לפחות 30 ימים של נתונים גולמיים כמו רשת בטיחות.ענן אחסון עם אדמוניות גיאוגרפית (למשל, שני מרכזי נתונים) מונע אובדן מאסונות אתר. פורמטים נתונים צריך להיות פתוח ותיעוד, כגון CSV, HDF5, או קבצים בינאריים עם metadata schema.

חזותיזציה ואזהרות

לוחות דשורד המציגים מזימות של זנים בזמן אמת, מצב בריאות מד ומגמות היסטוריות עוזרות למהנדסים להעריך במהירות מצב מבני.אזהרות אוטומטיות באמצעות דואר אלקטרוני או SMS להודיע לצוות כאשר מתח עולה על סף או כאשר מד הופך ללא אחריות.אינטגרציה עם תוכנת ניטור בריאות מבנית (למשל, SAP2000 או ANSYS) מאפשרת השוואה ישירה בין זנים נמדדים וצפויים.

מחקרים: סטרין מוצלח Gauge DAQ Deployments

דוגמאות בעולם האמיתי ממחישות את העקרונות המכוסים במדריך זה.

גשר ארוך טווח

גשר השעיה גדול באירופה היה כלי עם 250 מדדי מתח מחווטים ו-50 מדפי סייר לאורך כל הסבב הראשי שלה, מגדלים ועגן.מערכת DAQ משתמשת ב 24bit דיגיטמינים עם synchronized logging על רשת טבעת סיבים אופטיים. Power מסופק על ידי שני משככי כלים אדומים עם גיבוי סוללות.

דמי בריאות

סכר כבידה קונקרטי בדרום אמריקה משתמש ברשת של 120 צניחות מד מתוחה במהלך הבנייה.לכל אחד מהם יש רדיו לורה וסוללה של 10 שנים. נתונים מועברים למקלט מרכזי ומועברים באמצעות לוויין למשרד הנדסה מרחוק.העיצוב בעל הכוח הנמוך אפשר להתקין את המערכת ללא כבלים ערוגים על פני הקרנבל, שמירה על השלמות האסתטיקה והמבנית שלה.

תחזוקה ותכנון שדרוג

מערכת DAQ היא ללא תחזוקה. לוח זמנים של בדיקות תקופתיות, שחזור ועדכוני קושחה מבטיחים הפעלה אמינה ממושכת.

תחזוקה Routine

בדיקות חודשיות צריכות לכלול אימות מתחי אספקת החשמל, בדיקת חיבורים כבלים עבור קורוזיה, וביקורת על יומני איכות נתונים מדי שנה, מתחמי ניקוי, להחליף desiccant, ולהפעיל רצף מלא של קלמנט, כל מד שמראה סחף מתמשך או רעש צריך להיות מוחלף לפני שהוא נכשל לחלוטין.

טכנולוגיות

ככל שטכנולוגיית חיישן ותקשורת מתפתחת, ניתן לשדרג הזדמנויות ל LTE-M ל-Falexerant ADCs ב- 16 סיביות ניתן להחליף עם מודולים 24bit כדי לשפר את ההחלטה. תקשורת אלחוטית ניתן לשדרג ל- LTE-M לגישה מרחוק.ענן ניתוח ענן ניתן לשפר עם אלגוריתמי למידת מכונה המזהים סימנים מוקדמים של מצוקה מבנית.

מגמות עתידיות ב- Strain Gauge Data Acquisition

תחום ניטור בריאות מבני מתקדם במהירות.מגמות מפתח אשר יעצבו מערכות DAQ הדור הבא כוללות:

  • רשתות החיישן ללא סייג עם קצירת אנרגיה: אנדרט 1 (Giges המופעלת על ידי רטט או ⁇ תרמיים יסלקו סוללות עבור פעולה ללא תחזוקה אמיתית.
  • (FLT:0)Distributed סיבים אופטיים חישה:FLT:1 סיבים Bragg gratings (FBGs) ו- ensing אקוסטי מבוזר (DAS) יכול להחליף אלפי מדמים דיסקרטיים עם כבל סיבי יחיד, צמצום המורכבות המתפתלת.
  • (FLT:0) AI-oriented anomaly זיהוי: FIRLT:1 מודלים של למידת מכונות מאומן על תבניות זן בסיס יכול באופן אוטומטי לסמן שינויים עדינים שעשויים להצביע על סדקים, התיישבות בסיס, או שטף של קשרים.
  • (FLT:0) אינטגרציה תאומים:FLT:1 בזמן אמת נתונים הזן יאכילו סימולציות תאמיות דיגיטליות שצופות חיי עייפות הנותרים וימליץ על מרווחי בדיקה אופטימליים.

חידושים אלה יפחיתו את העלויות, ישפרו את האמינות, ויאפשרו ניטור מקיף יותר של תשתיות אזרחיות ברחבי העולם.

מסקנה

פיתוח מערכת רכישה נתונים חזקה עבור רשתות מדד בפרויקטים אזרחיים דורש תכנון קפדני, בחירת רכיב ותחזוקה מתמשכת. על ידי השקעה בחיישנים באיכות גבוהה, מיזוג אותות מדויקים, יומני נתונים אמינים, אדריכלות תקשורת מתחשבת, מהנדסים יכולים לקבל המדידות מדויקות יותר מעשור של שירות. Redundancy, calibration, והגנה סביבתית אינם תכונות אמינות אלא חיוניות של כל מערכת תומכת בהחלטות קריטיות.