Принцип работы беспроводной системы температурно-прочностного мониторинга бетонной смеси. Основные компоненты системы

Прототип системы мониторинга состояния возводимых монолитных конструкций построен на основе беспроводной системы мониторинга ML-SM, представляющей собой аппаратно-программный комплекс для организации беспроводной радиочастотной автоматического сбора данных от распределенных в пространстве датчиков. Система ML-SM основана на аппаратно-программной платформе MeshLogic, предназначенной для построения беспроводных сенсорных сетей и обладает следующими особенностями:

- поддержка полностью многоячейковой топологии сети;

- все узлы равноправны и являются маршрутизаторами;

- самоорганизация и автоматический поиск маршрутов;

- устойчивость к соканальной интерференции;

- высокая масштабируемость и надежность доставки данных;

- работа всех узлов сети от автономных источников электропитания.

Состав системы рисунок 3.11.

Рисунок 3.11 - Общая схема организации сети.

- сервер (персональный компьютер или ноутбук);

- беспроводной шлюз ML-SM-G.

- беспроводные узлы ML-SM-N;

- модули сопряжения для подключения отдельных датчиков.

- датчики;

Описание основных компонентов системы рисунок 3.12.

а) б) в)

Рисунок 3.12 - Основные компоненты системы

а) Беспроводной шлюз;

б) Беспроводной узел;

в) Модуль сопряжения.

Таблица 3.1. Основные технические характеристики канала радиосвязи беспроводного шлюза

Тип радиочастотного канала	IEEE 802.15.4
Диапазон частот	2400-2483,5 МГц
Количество частотных каналов	16 (1 основной и 15 резервных)
Максимальная мощность передатчика	20 дБм (100 мВт)
Чувствительность приемника	-98 дБм
Тип антенны	всенаправленная антенна (50 Ом)
Разъем антенны	SMA
Дальность связи	до 1000 м
Сетевой адрес	от 1…65534

Подключения беспроводного шлюза к серверу осуществляется по интерфейсу USB.

В беспроводных узлах основным источником питания являются встроенные Li/SOCLl-батарей (4 шт. типоразмера AA), что обеспечивает их автономную работу. Также возможно дополнительно подключить внешнюю батарею (или аккумулятор) большей емкости или стационарный блок питания.

К каждому беспроводному узлу может быть подключено 1…4 модуля сопряжения для подключения внешних датчиков. Модули сопряжения обеспечивают масштабируемость системы: в случае необходимости контроля дополнительных параметров с использованием неприменяемых ранее типов датчиков – для них могут быть разработаны дополнительные модули сопряжения, что обеспечить возможность их интеграции в систему мониторинга.

Для мониторинга тепловыделения бетонных конструкций, а также для контроля тепловлажностного режима и атмосферного давления в районе строительства было решено использовать датчики с цифровым выходом 1-Wire и I2C/SHTx. С целью обеспечения возможности их подключения был разработан модуль сопряжения ML-SM-S1W. Подключение датчиков с интерфейсом 1-Wire к модулю сопряжения может быть реализовано по 4 независимым шинам, каждая из которых имеет отдельные линии питания и передачи данных. Поэтому в случае возникновения неисправности в одной из шин 1-Wire (например, короткое замыкание или обрыв линий питания) датчики, подключенные к остальным шинам, сохранят работоспособность и будут опрашиваться в штатном режиме. Разделение шин позволяет выбирать между степенью надежности системы сбора данных и удобством монтажа большого числа датчиков.

Модуль способен обслуживать до 16 каналов измерения. Если интерфейс I2C/SHTx не задействован для контроля параметров температуры, влажности и давления в районе строительства, то по всем шинам 1-Wire может быть подключено до 16 датчиков. Если же по интерфейсу I2C/SHTx подключен, например, комбинированный датчик температуры и относительной влажности (2 канала измерения), то данный модуль сопряжения сможет опрашивать по интерфейсу 1-Wire не более 14 датчиков.

С учетом наличия 4 слотов подключения модулей сопряжения в каждом беспроводном узле, в общей сложности к каждому узлу может быть подключено до 64 температурных датчиков (по 4 датчика на каждую шину), либо 16 независимых датчиков (1 датчик на шину). Наиболее рациональным видится подключение 14 температурных датчиков 1-Wire для контроля тепловыделения внутри бетонного массива (так как эти датчики имеют очень низкую себестоимость) и 1 датчика I2C/SHTx для контроля параметров окружающей среды на каждый узел.

3.4 Выводы по результатам теоретических исследований косвенных методов определения температуры бетона

Косвенный МОТБ с применением пирометров.

Практическими наблюдениями подтверждены теоретические посылки о значимом влиянии скорости ветра на температуру палубы, т.е. на точность косвенного определения температуры бетона при использовании ИК термометрии. Тем не менее, расчёты температуры бетона при ИК измерении температуры поверхности опалубки может выполняться по аналитической зависимости на основе стационарного уравнения Фурье теплопроводности первого рода, если ввести ограничение на скорость ветра вдоль исследуемой поверхности до 0,5м/с.

Косвенный МОТБ с использованием теплоизолирующих накладок.

При использовании метода косвенных измерений температуры бетона через опалубку с использованием теплоизолирующих накладок, скорость ветра не оказывает заметного дестабилизирующего влияния (в исследовавшемся диапазоне R=0,5...1,2м^2*°С/Вт) и может быть исключена из числа учитываемых факторов. На точность этого метода измерений более существенно влияют условия совместной работы накладок и палубы, которые в основном определяются типом накладок и плотностью их прилегания к палубе.

Расчёты температуры бетона могут выполняться по экспериментальным линейным зависимостям вида 2.12. При размерах накладок более 300мм расчеты могут выполняться, по стационарному уравнению Фурье теплопроводности первого рода для плоской стенки.

Ограничения на скорость изменения температуры бетона.

Косвенные способы определения температуры бетона через опалубку в стационарной постановке корректно работают при скоростях изменения температуры бетона до 8-10град/час (на фанере толщиной 21-18мм соответственно). При более высоких скоростях нагрева бетона имеет место отставание температур на поверхности палубы из-за её тепловой инерции.

Регулирование глубины измерений расчётными методами: исследование применимости.

При выполнении измерений косвенными методами определяется температура бетона непосредственно под опалубкой. Может ли она служить для определения температуры бетона с заглублением на 5-10см?

Принципиально, для случая стационарного распределения, температуру в глубине бетона можно вычислить, решив задачу равенства тепловых потоков (3.2 или 3.7) увеличив при этом термическое сопротивление ограждения на величину сопротивления слоя бетона нужной, толщины. Однако, как показывают практические наблюдения, равномерность температурных распределений в поверхностной зоне бетона конструкций сильно искажается за счёт локальных возмущений температур от расположенных в ней нагревателей и часто носит вследствие этого разнородный по конструкции нелинейный характер.

Таким образом, существуют основания полагать, что определять температуру бетона на некоторой глубине от его поверхности расчётными методами представляется возможным только в случае, если в прилегающем к опалубке слое бетона нет линейных нагревателей.

Выводы по главе

1. Теоретически исследован метод косвенного определения температуры бетона по температуре палубы опалубки с использованием ИК термометрии. Сформулированы аналитические расчётные алгоритмы вычисления температуры бетона. Теоретически установлено количественное и качественное влияние основного дестабилизирующего фактора - скорости ветра на изменение температуры поверхности различных ограждений. Установлены основные производственные факторы, влияющие на точность расчёта температуры бетона при косвенных ИК измерениях.

2. Теоретически исследован метод косвенных измерений с применением теплоизолирующих накладок в производственных условиях. Установлены основные факторы, влияющие на точность расчёта температуры бетона. Предложена оптимальная конструкция накладки малых размеров.

3. В ходе исследований сформулированы правила выполнения измерений при определении температуры бетона косвенными методами.

4. Теоретически исследован метод определения температуры бетона с использованием температурных датчиков. Проведен анализ работы беспроводной системы температурно-прочностного мониторинга бетонной смеси. Представлены преимущества беспроводной системы температурно-прочностного мониторинга.