Plněautomatický vícesenzorový měřicí systém MSM pro zjišťování svislé linie ohybu přehradních hrází

[Vollautomatisches Multi-Sensoren-Messsystem - MSM zum Bestimmen der vertikalen Biegelinie von Staumauern] / Henryk Bryś, Grzegorz Mirek. - In: AVN Allg. Vermess.-Nachr. - ISSN 002-5968. - Roč.112, č.5 (2005), s.182-187 - Res. něm. a angl. - Lit.4.

Přeložil Z. Vyskočil (zkráceno)
Zdiby : VÚGTK, 2006. - 5 s.

Klíčová slova: automatizace měření, průhyb přehradní hráze

Autoři představují vícesenzorový systém pro měření průhybu přehradních hrází. Popsáno je spektrum automatizace měřicího procesu, pořizování dat senzory, vyhodnocení signálu a jeho interpretace.

Výsledky měření spojitých pozorování stability a časoprostorového chování přehradních hrází jsou bezpochyby nejspolehlivější kritérium pro hodnocení bezpečnosti údolní nádrže. Při geodetických měřeních deformací jsou nasazovány osvědčené měřické postupy a přístroje nejvyšší třídy přesnosti. Zvláště musí být zdůrazněn význam senzorové techniky při zlepšování získávání informací a při přenosu naměřených hodnot. Jistou roli při registraci prostorových krátkodobých deformací hraje v mnoha případech nutná krátkost času pozorování nebo popřípadě současné provádění provozně-technických preventivních opatření.

Polohová a geometrická stabilita přehradní stěny je podmíněna především odolností vůči poruchám vnitřního napětí, geologickou strukturou skalního podkladu a částečně i přetvořením základů. Moderními dálkovými měřicími systémy se zjišťuje reakce konstrukce tělesa hráze jako opožděná odpověď na integrované síly, zvětšenou masu vody a měnící se vlivy pnutí, způsobených oteplováním či ochlazováním. Jako následek intenzivního slunečního osvitu hráze vzniká elastické prohnutí vzdušné strany betonové stěny v opačném směru k tlaku vody. Výsledky měření jsou závislé na kompenzaci okolních vlivů, vystupujících téměř celý den.

Výsledky přetvoření tvoří svislou průhybovou linii hráze. Díky nepřetržitému pořizování dat je možné odlišit elastické deformace od trvalých a zjišťovat posun jednotlivých měřených bodů.

V určených výškách stěny šachty jsou měřeny vektory vodorovných posunů pomocí senzorů. Z naměřených hodnot je aproximována svislá linie ohybu v průřezu hráze v čase t_i a po-rovnávána s přípustnými mezními hodnotami. Tento příspěvek popisuje autory navržený a zkon-struovaný měřicí systém s automatickým řízením měřicího procesu.

K masovému pořizování, registraci, zpracování, vyhodnocení a přenosu měřených dat ze sledovaných přehradních hrází slouží aktuálně výlučně různé senzory a velkokapacitní počítače. Zpracované výsledky měření s hodnocením přesnosti jsou zobrazovány na displeji.

Měřiče, umístěné v různých výškách pozorování umožňují synchronní a kontinuální měření výchylek výkyvných vodičů s frekvenčním přenosem a dálkový přenos v reálném čase na počítačovou ústřednu. Princip měření vektorů posunu u_xi spočívá v záznamu všech senzorových měřicích signálů a v určení středních hodnot v libovolném časovém bodě t_i, např. ve tříhodinových krocích. Analogové měřicí signály jsou digitalizovány, t.j. jedna konverze signálu na digitální signál, který následuje ve formě jednoho bitu je dále postoupen do počítače.

Programem jsou sledované posuny měřených bodů přepočteny a zobrazeny na monitoru v gra-fickém zobrazení průhybové křivky vyzdívky. Pro horizontální posuvné vektory průhybové čáry v libovolné pozorovací linii h_i kolmo k ose stěny, bez uvažování natáčení přehradního tělesa vychází posuny částic (výchylka), platí:

u_xi = ΔO_o- ΔO_i                                                                                                           (1)

a po zohlednění vnějšího naklopení pro určité měřicí výšky h_i ze vztahu (Brys 2002):

u_xi = (ΔO_o - ΔO_i) - h_{i .}·tan(± α)                                                                                  (2)

kde:

ΔO_o = O´_o - O_o

ΔO_i = O´_i – O_i

O_o, O_1, O_2, ....... O_k

snímané polohy vodičů v časovém okamžiku t_o (začátek měření vztažený k počátečnímu stavu)

O´_o, O´_1, O´_2,…… O´_k

-snímané polohy vodičů v časovém okamžiku t_i (začátek měření vztažený k počátečnímu stavu)

- kladný či záporný úhel zahnutí svislé linie od paty hráze v rovině příčného řezu

Provážení šachty umožňuje pozorovat vodorovné vychýlení každého bodu hráze. Okamžitá svislá referenční přímka je tvořena strunou z nerezové oceli o průměru 0,6 mm a její poloha je synchronně snímána senzory. Těleso kyvadla má tvar rotačního válce, váží 15 kg a je vybaveno šesti kolmými křídly, které v nádobě s těžkým olejem a dřevěnými pilinami tlumí kývaní. Takto modernizované závaží zajistí stabilitu kyvadla. Vysoká frekvence měření odstraní vliv kroucení drátu a vliv Coriolisovy síly.

Hlavní prvek čidla je tvořen snímačem, pracujícím na principu Hallova jevu. Magnetické pole kolmé na elektrický proud způsobuje zvláštní jev: volné nosiče elektrického proudu jsou ve vodiči vychylovány z podélného směru a vytlačovány k okraji. Příčinou této odchylky je elektromagnetická Lorenzova síla. Mezi okraji vodiče se tedy vytvoří rozdíl potenciálů, kolmý na směr proudu.

Snímač je umístěn na pohyblivém rameni, které se dotýká drátu kyvadla prostřednictvím opěrného ložiska s úzkým magnetickým elementem. Vychýlení drátu je přenášeno na posuvné rameno s upevněným permanentním magnetem. Určení okamžité hodnoty vychýlení je zpro-středkováno Hallovým senzorem. Výstupním signálem senzorů je výstupní napětí, jehož hodnoty od 0 do 5 voltů jsou závislé na poloze pohyblivého ramene čidla. V rámci kalibrace snímače je zprostředkováván funkční vztah mezi signálem napětí a posunutím. Každá křivka průhybu byla aproximována polynomem, ale jelikož ani členité polynomy nevystihují ideálně skutečnou křivku, byl polynom nahrazen spline-křivkou. Posunutí měřených bodů je možné sledovat průběžně či v určitých časových intervalech.

Snímač má tyto parametry:
rozsah měření : 0 až 25 mm
nejmenší jednotka čtení: 0,01 mm
přesnost čtení: 0,02 mm
napájecí napětí: 9 V
hmotnost: 200 g
rozměry 15 x 10 x 5 cm

Převodník změní vstupní analogový signál z čidel na binární kód, který je veden optickým vláknem do centrálního počítače. Z geodetického hlediska je důležité, do jaké míry je analogový signál ze snímačů zatížen chybami. Pro zaručení vysoké přesnosti měření posunu (0,05 mm) by mělo rozlišení převodu analogového signálu na binární kód činit asi 1 mV. Pro rozlišení signálu platí rovnice:

kde LSB je hraniční bit binárního systému,

B_max - rozsah oblasti převodu analogového signálu,

N - počet bitů převodníku.

Z rovnice vyplývá, že pro 25 mm rozsah měření průhybu je třeba minimálně 12-ti bitový A/D převodník. Při odhadu chyb přicházejí v úvahu tyto nevyhnutelné chyby:
chyba kvantování
chyba z nestability nulového bodu
integrační a diferenciační chyba
chyba z roztažnosti

Chyba kvantování je nahodilá chyba, která je spojená s konstrukčními překážkami a může dosáhnout hodnoty 0,5 LSB. Chyba z posunu nulového bodu je jako systematická chyba měření zanedbatelná, jelikož jsou v potaz brány pouze rozdíly signálního napětí. Integrační a diferencia-ční chyba, vyvolaná odchylkami od ideální charakteristické křivky obvodu, je výrobcem udávána jako 0,5 až 1,0 LSB. Teplotní výkyvy, podmíněné roční dobou, dosahují v revizní šachtě cca 8°C a způsobují teplotní roztažení snímače maximálně o 0,022 mm. Celková střední chyba měření při zohlednění výše uvedených chyb nepřesahuje hodnotu 0,026 mm.

Jelikož je čtení signálu prováděno s frekvencí až 100Hz, lze vhodným vzorkováním eliminovat nejistotu A/D převodu či makroseismické vlivy (strojní provoz, dopravní otřesy, vlnění hladiny vody apod.). Zhotovení snímače s amplitudou prohnutí od 50 mm výše je podmíněno zvýšením rozlišení převodu signálu na 14 až 16 bitů. Přenos signálu je pak realizován moderními systémy přenosu naměřených dat jako jsou optické kabely, telefonní, rádiový či satelitní přenos dat.

V autorském programu jsou prováděny následující úlohy:
komunikace počítače se snímači, příjem signálu a přepočet na lineární hodnoty, ukládání toku dat, distribuce naměřených hodnot,
porovnání čtení snímače se základním stavem (nulový stav polohy sledované struny),
zjištění vektorů prohnutí pro jednotlivé horizonty s ohledem na torzi struny,
interpolace svislé křivky průhybu hráze pomocí spline - křivky, numerická aproximace křivky polynomem,
měření a lokalizace největšího zakřivení křivky průhybu,
ukládání dat v databance vyhodnocených parametrů přetvoření.

Kalibrace, stejně jako plánovaná hodnota prodloužení vertikál, při testovacím pozorování byly vypočteny u všech čtyř snímačů. Za účelem empirické průkaznosti dat zjištěných ze snímačů byl v rámci podrobnějších měření na konstrukci upevněn třmenový mikrometr. Pohyblivý výložník se snímači byl v jednomilimetrových krocích posouván a prodloužení bylo odečítáno na monitoru. Měření bylo provedeno pro 20 předepsaných poloh v rozsahu naměřených hodnot od 0 do 24,5 mm a vzorový výsledek měření je zobrazen v tabulce 1.

Celkem vzato, lze tyto výsledky kladně ocenit. Zobrazení střední hodnoty standardních odchylek měření ukázalo pro všechny testované snímače s < 0, 02 mm, což je reálná přesnost výstupů. Naměřená data (celkem 2000 jednotlivých měření, tj. 500 na každý snímač) prokázala, že vykazují plánované a skutečné odchylky čistě náhodného charakteru a digitalizací analogových senzorových signálů a jsou spojené s jejich konverzí. Podle všeobecně platného zákona o rozmístění náhodných chyb byla pro zjištěné posunutí (určené ze vzorce (1)) určena střední chyba 0,03 mm. Tato přesnost měření souhlasí s teoretickým chybovým oceněním a shodně potvrzuje stejnou úroveň vnitřní přesnosti automatických monitorovacích systémů. V TGL 2 i 239/06 normě (zdymadla, údolní nádrže, kontrola staveb) je požadována přesnost měření s_Uxi = 0,2 mm (Köhler, 1989).

V příspěvku prezentovaný multisenzorový systém MSM pro kontrolu funkční bezpečnosti přehradních nádrží v reálném čase byl vyvinut, propracován a odzkoušen na Katedře inženýrské geodezie Technické university v Krakově. Protože bezpečnost přehradních staveb musí být trvale přezkušována, nabízí automatizovaný měřicí systém široké možnosti praktického využití a dlouhodobý provoz.

Měření deformací a prodloužení mají obzvláště význam pro stanovení rizik při:
zkouškách staveb k porovnání předběžně vypočtených hodnot s údaji naměřenými,
chování za mimořádných meteorologických a hydrologických podmínek,
dosažení mezních hodnot spolehlivých deformací a hodnot posunu,
chování při zemětřesení a otřesech,
vývoj při nepříznivých geologických procesech (eroze betonu, eroze pod tělesy hrází, statická migrace apod.).

Provedení laboratorních měření je spolehlivé, funkčně schopné s prokázanou přesností měřicích systémů se standardní odchylkou jednoho pozorování od s < 0,02 mm. Tím jsou zajištěny vysoké požadavky na přesnost měření, udávané instrukcemi pro měření deformací hydrotechnických staveb. Měřicí systém se výborně hodí pro dálkové a dlouhodobé měření.

Tab.1 část výsledků laboratorních měření.