Seria: BUDOWNICTWO z. 82 Nr kol. 1308
Mieczysław SMÓŁKA Politechnika Śląska
PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA SYSTEMU
PRZEZNACZONEGO DO ZDALNEGO, AUTOMATYCZNEGO POMIARU PRZEMIESZCZEŃ LINIOWYCH I KĄTOWYCH
Streszczenie. Omawiany system pomiarowy służy do zdalnego, automatycznego pomiaru przemieszczeń liniowych i zmian pochyleń oraz temperatury wybranych elementów dużych obiektów. Obiektami pomiarowymi mogą być: zapory wodne, budowle ziemne, m osty i wiadukty oraz konstrukcje metalowe i duże maszyny. N a podstawie uzyskanych w yników pomiarowych można określić przemieszczenia i deformacje badanych obiektów.
EXAMPLES OF PRACTICAL UTILIZATION OF A SYSTEM OF REMOTE, AUTOMATED MEASUREMENTS OF ANGULAR
AND HORIZONTAL DISLOCATIONS
Sum m ary. The discussed measuring system is used for remote, automated measurements o f linear dislocations and changes o f slopes and temperature o f selected elements o f large obiects. Measured obiects may include: water dams, earth constructions, bridges and viaducts, metal constructions and large machines. Dislocations and deformations o f investigated obiects may be determined on the basis o f results o f measurements.
1. WSTĘP
Opracowany w Instytucie Geodezji i Kartografii now y system pomiarowy może być zastosowany do zdalnego, automatycznego pomiaru różnych w ielkości fizycznych. W wersji prototypowej jest on przeznaczony do pomiaru przemieszczeń liniowych i zmian pochyleń oraz temperatury wybranych fragmentów dużych obiektów. Obiektami pomiarowymi mogą być:
zapory wodne, budowle ziemne, budynki, mosty i wiadukty, różne konstrukcje metalowe
110 M. Smółka
(np. maszty radiowe i telewizyjne), duże maszyny itp. Na podstawie zinterpretowanych wyników pomiarowych można określać zarówno zmiany położenia badanego obiektu, jak również zmiany jego cech geometrycznych; można także wniskować o niektórych zmianach zachodzących w podłożu i otoczeniu badanych obiektów. System ten pozwala szybko mierzyć wybrane w ielkości w różnych warunkach atmosferycznych i zapewnia natychmiastową automatyczną rejestrację w yników pomiarowych. Poniżej podano krótki opis prototypowego systemu pomiarowego oraz kilka przykładów jego zastosowania. Przykłady te mają na celu zwrócenie uwagi na m ożliw ość opracowania nowych metod pomiarowych z zastosowaniem tego systemu. Opracowany system pomiarowy będzie użyteczny zwłaszcza w takich sytuacjach, w których dotychczasowe instrumenty i metody pomiarowe nie dają zadowalających wyników lub nie znajdują zastosowania.
2. SYSTEM POMIAROWY
Schemat systemu przeznaczonego do zdalnego, automatycznego pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych oraz do pomiaru temperatury pokazano na rys. 1.
Poszczególne przyrządy, przemieszczeniomierze P, szczelinomierze S, pochyłomierze grawitacyjne PG, niwelatory hydrostatyczne NH, a także termometry T, są przytwierdzane do badanego obiektu za pom ocą elementów stabilizacyjnych. Przyrządy te mogą być instalowane wewnątrz lub na zewnątrz badanych obiektów na różnych wysokościach, a także w kopalniach.
Występujące w badanym obiekcie przemieszczenia lub deformacje wywołują w przyrządach odpowiednie zmiany, które są przetwarzane na sygnały częstotliwościowe i przesyłane do centrali pomiarowej CP za pomocą ekranowanych kabli KE. Dzięki odpowiedniemu oprogramowaniu centrali przesłane sygnały są automatycznie przetwarzane na wartości pomierzonych w ielkości i zarejestrowane w ustalonych jednostkach, np. mm, s. lub °C. Centra
la pomiarowa, wyposażona w komputer, służy również do sterowania procesem pomiarowym, a także może być wykorzystywana do analizowania uzyskanych wyników pomiarowych. Zakresy i dokładności pomiarowe poszczególnych przyrządów są dostosowywane do potrzeb każdego obiektu i wynoszą np. dla przemieszczeniomierzy od kilku milimetrów do kilku centymetrów, a dla pochyłomierzy od kilku minut do kilku stopni. Dla prototypów wymienionych przyrządów odpowiednie parametry wynoszą: 30 mm i 0,05 mm dla przemieszczeniomierza oraz + / - 45' i 5 ” dla pochyłomierza.
Omawiany system, w porównaniu z tradycyjnymi instrumentami używanymi do pomiaru przemieszczeń i odkształceń, charakteryzuje się wieloma nowymi cechami, spośród których wymienię tylko kilka.
1. Instalowanie przyrządów pomiarowych odbywa się raz na cały okres pomiarowy, niezależnie od długości jego trwania, np. tydzień lub kilka lat. Po zakończeniu pomiarów na jednym obiekcie przyrządy mogą być przenoszone i instalowane na innch obiektach.
2. Przyrządy m ogą być instalowane w miejscach trudno dostępnych lub niedostępnych po ich zabudowie i m ogą poprawnie funkcjonować przez wiele lat bez potrzeby ich napraw i konserwacji.
3. Pomiar wybranych wielkości wykonywany jest w każdych warunkach atmosferycznych bez udziału człowieka w miejscach zainstalowania przyrządów pomiarowych. Jedna osoba zatrudniona w centrali obsługuje cały system pomiarowy.
4. Wyniki pomiarowe są otrzymywane w ustalonych jednostkach i natychmiast rejestrowane w najkorzystniejszym uporządkowaniu.
5. Czas pomiaru i rejestracji jest bardzo krótki i np. dla pojedyńczego pomiaru w ynosi on około 10 sekund. Zatem dla systemu wyposażonego w kilkanaście przyrządów pomiarowych czas pomiaru jednej serii na wszystkich stanowiskach wynosi zaledwie kilka minut. Kolejność i częstotliwość pomiarów może być ustalana przez użytkownika.
Rys. 1. Schemat systemu pomiarowy Fig. 1. Measuring system diagram
112 M. Smółka
3. POMIARY ZMIAN NACHYLEŃ MASZTÓW RADIOWYCH I TELEWIZYJNYCH
Om ówiony system może znaleźć zastosowanie do jednoczesnego pomiaru zmian pochylenia masztów radiowych oraz telewizyjnych i ich fundamentów (rys. 1). Jeżeli fundament F jest
„cienki” oraz rozległy i może ulegać nie tylko zmianom pochylenia, ale również odkształceniom, to do jego badania należałoby zastosować niwelator hydrostatyczny NH współdziałający z centralą pomiarową. Przy sztywnym fundamencie wystarczy zainstalować dwa pochyłomierze grawitacyjne PG usytuowane w dwóch pionowych i prostopadłych do siebie płaszczyznach.
W takim układzie każdy pochylomierz podaje aktualne pochylenie fundamentu względem swojej płaszczyzny odniesienia i nie jest wrażliwy na boczne wychylenia, które są mierzone przez drugi pochylomierz. Zatem w wyniku każdego pomiaru uzyskuje się kolejną informację o w ielkości i kierunku pochylenia całego fundamentu.
W taki sam sposób m ogą być wykorzystywane pochyłomierze PG zamocowane do odpowiednich elem entów masztu. Pochłomierze te w pierwszej kolejności mogą służyć do kontroli pozycjonowania tych elementów, do których są przytwierdzone, a po zakończeniu budowy lub remontu pełnią funkcje kontrolne.
Centrala systemu pomiarowego może być wykorzystana również do pomiaru i rejestracji niektórych w ielkości charakterystycznych dla podłoża i otoczenia badanego obiektu, jak np.
wilgotności, temperatury, siły i kierunku wiatru itp. Tak kompleksowe pomiary pozwoliłyby nie tylko na dokładne określenie zmian cech geometrycznych badanego obiektu ale, po odpo
wiedniej interpretacji w yników pomiarowych można by ustalić przyczyny wywołujące te zmiany.
4. POMIARY PRZEMIESZCZEŃ I ODKSZTAŁCEŃ MOSTÓW I WIADUKTÓW
N a rys. 2. pokazano schematycznie przykład zastosowania omawianego systemu do pomiaru niektórych przemieszczeń i deformacji wiaduktu lub mostu. Zamocowane na filarach pochyłomierze PG pozwalają mierzyć ich wychylenie zarówno wzdłuż osi obiektu, jak również wychylenia boczne. Rozmieszczenie w punktach 1-5 odpowiedniej liczby pochyłomierzy na całej długości przęsła umożliwia, w miejscach ich stabilizacji, mierzenie zmian nachylenia, na podstawie których można wyliczyć strzałki ugięcia. Szczelinomierze S umożliwiają pomiar względnych przemieszczeń sąsiednich elementów badanego obiektu. Uwzględniając możliwość pomiaru temperatury zespołów składowych można np. określić, jaka część pomierzonego przemieszczenia jest spowodowana obciążeniem, a jaka zmianą temperatury badanego obiektu.
Zastosowanie takiego systemu może być szczególnie korzystne w okresach budowy, remontów lub badania m ostów i wiaduktów. Występują wtedy na obiekcie duże i częste zmiany obciążenia powodujące przemieszczenia i deformacje jego poszczególnych zespołów składowych.
System ten zapewnia szybki pomiar w przerwach pomiędzy kolejnymi operacjami technologicznymi, a nawet w trakcie tych operacji. Pomiary mogą być wykonywane w każdych
warunkach, a więc nocą bez oświetlenia, w miejscach zasłoniętych lub tam, gdzie występuje zagrożenie dla ludzi. Uzyskane na terenie budowy wyniki pomiarowe m ogą być pomocne przy sterowaniu procesem budowy lub montażu wznoszonego obiektu. Warto zwrócić uwagę, że rozlokowane przyrządy pomiarowe wyznaczają sw go rodzaju lokalną sieć pomiarową, która może być zintegrowana z inną siecią pomiarową.
Rys. 2. Przykład zastosowania systemu pomiarowego Fig. 2. An example o f measuring system usage
5. POMIAR POŁOŻENIA I PROSTOLINIOWOŚCI DŁUGICH PROWADNIC
W przykładach omówionych wyżej poszczególne przyrządy pomiarowe systemu są przytwierdzane bezpośrednio do badanych obiektów za pom ocą odpowiednich elementów stabilizacyjnych. Powstaje wtedy na czas pomiaru system stacjonarny.
Po odpowiedniej modyfikacji przyrządów pomiarowych systemowi temu można nadać cechy układu przenośnego. Jeden z przykładów takiej modyfikacji pokazano na rys. 3.
Rys. 3. Przykład modyfikacji systemu pomiarowego Fig. 3. An example o f measuring system modification
114 M. Smółka
Pochyłomierz grawitacyjny PG sprzęgnięty z odpowiednim wózkiem W staje się przyrządem przesuwnym i można go traktować jak niwelator, który umożliwia pomiar nachylenia kolejnych, jednakowych odcinków L, np. długiej prowadnicy DP suportu obrabiarki. Uzyskana z takiego pomiaru niweleta pozwala określić zarówno nieprostoliniowość prowadnicy, jak również jej nachylenie względem płaszczyzny poziomej.
6. POMIARY DEFORMACJI GÓROTWORU
Przykład wykorzystania przemieszczeniomierza P do pomiaru odkształcenia górotworu pokazano n a iy s . 4.
Rys. 4. Przykład zastosowania przemieszczeniomierza Fig. 4. An example o f dislocation unit usage
Przemieszczeniomierz jest połączony z bolcem stabilizacyjnym BI, zaś z analogicznym bolcem B2, oddalonym o wielkość HI, sprzężony jest inwarowy reduktor odległości IR stykający się z trzpieniem pomiarowym TP przemieszczeniomierza. Każda zmiana dH odległości pomiędzy bolcami stabilizacyjnymi, spowodowana zmianą nacisku dN lub wywołana innymi przyczynami, mierzona jest z dokładnością do 5 mikrometrów i rejestrowana z jednoczesnym zapisem daty i czasu pomiaru. System taki pozwala nie tylko wcześnie wykryć i pomierzyć małe odkształcenia, ale podaje również tempo jego narastania.
dN
7. KONTROLA MONTAŻU TURBOGENERATORA
Na rys. 5. przedstawiono propozycję zmodyfikowanego i bardziej 2łożonego systemu, jaki można by opracować z przeznaczeniem do jednoczesnego pomiaru zarówno przemieszczeń i deformacji elementów turbogeneratora, jak również przemieszczeń i odkształceń jego fundamentu.
Rys. 5. Przykład zmodyfikowanego systemu pomiarowego Fig. 5. An example o f modified measuring system
Zastosowanie takiego systemu podczas montażu turbogeneratora um ożliwiłoby szybkie wykonanie pomiarów oraz analizowanie w yników pomiarowych na miejscu w celu potwierdzenia poprawności montażu bądź też stwierdzenia potrzeby wprowadzenia korekt montażowych.
8. ZAKOŃCZENIE
Wstępne badania opracowanego systemu pomiarowego wykazały, że może on poprawnie funkcjonować w różnych warunkach atmosferycznych w zakresie temperatur od - 40° C do + 60° C. Konfiguracja każdego wykonywanego systemu oraz zakresy i dokładności
116 M. Smółka
pomiarowe jego przyrządów mogą być dostosowywane do rodzaju badanego obiektu.
W Instytucie Geodezji i Kartografii prowadzone są nadal prace projektowe i badawcze zmierzające do udoskonalania i rozbudowy omawianego systemu.
LITERATURA
1. Założenia projektowe systemu kontrolno-pomiarowego do zdalnego pomiaru zmian cech geometrycznych obiektów Elektrowni Jądrowej w Żarnowcu, praca zespołowa niepublikowaną Warszawa 1988.
2. Smółka M.: System do zdalnego, automatycznego pomiaru przemieszczeń i pochyleń, referat na konferencję naukowo-techniczną nt.: Problemy automatyzacji w geodezji inżynieryjnej.
Warszawa 15-16 marca 1993.
3. Smółka M.: Geodezyjna aparatura specjalistyczna opracowana i wykonana w Instytucie Geodezji i Kartografii „Przegląd Geodezyjny” 1993, nr 6, s. 22-24.
4. Smółka M.: System do zdalnego, automatycznego pomiaru przemieszczeń i odkształceń dużych obiektów, Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wrocławiu, Geodezja i Urządzenia Rolne XII, nr 251, Wrocław 1994, s. 75-82.
5. Smółka M., Kołodziejczyk M., Markowski W., Skirmunt A.: Pochyłomierz grawitacyjny, zgłoszenie patentowe nr P 298490 z 1993.04.13.
6. Smółka M., Kołodziejczyk M., Markowski W.: Hydroniwelator, zgłoszenie patentowe nr P 299646 z 1993.07.12.
Recenzent: Prof, dr hab. inż. Stefan Cacoń
A bstract
The measuring system, designed at the Institute o f Geodesy and Cartography is used for remote, automated measurements o f linear dislocations and changes o f slopes and temperature o f selected parts o f large obiects. On the basis o f results o f measurements it is possible to determine dislocations and deformations o f investigated obiects and to detect cartain changes within their foundations and environment. The system consists o f measuring devices attached to an investigated object, transmission cables and controlling-and-measuring unit. The desi
gned system enables to perform measurements o f slope changes o f a radio or television mast construction, during the phase o f construction, exploitation or repair. Changes o f slope o f its foundation may be also measured. The system may be also applied for measurements o f dislocations and deformations o f bridges and viaducts, and in particular, changes o f slope o f bridge piers and deflection o f bridge spans. The discussed system has modular characteristics, thus its configuration may be easily changed, in order to adapt to the needs o f investigatin o f various obiects. After introducing appropriate changes, the system may be used for measuring the rectilinearity and horizontal deflections o f long ways o f machine tools. The other
version o f the system may be used for measuring the deformations o f rock masses and determination o f the intensity o f such deformations. The higher developed version o f the system may be applied for simultaneous measurements o f deformations o f elements o f a turbine generator and its foundation during the phase o f its construction or repair.
