Беспроводная сенсорная система для непрерывного мониторинга деформации моста
Беспроводные датчики на солнечных батареях, разработанные инженерами Drexel, могут обеспечить непрерывный мониторинг мостов. Предоставлено: Университет Дрекселя
Исследователи из Инженерного колледжа Университета Дрекселя разработали беспроводную сенсорную систему на солнечных батареях, которая может постоянно контролировать деформацию моста и может использоваться для оповещения властей о значительном ухудшении характеристик моста. По данным Американского общества инженеров-строителей, более 46 000 мостов по всей стране считаются находящимися в плохом состоянии, и такая система может быть как важной мерой безопасности, так и помочь в ремонте и техническом обслуживании.
Система, которая измеряет деформацию моста и непрерывно работает на фотоэлектрической энергии, была представлена в недавнем выпуске журнала IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics в статье, написанной исследователями Инженерного колледжа Дрекселя, Иваном Бартоли, доктором философии, Мустафой Фурканом, доктором философии, Фэй Лу, доктором философии, и Яо Ваном, докторантом колледжа.
«С таким количеством устаревшей инфраструктуры, как в США, нам нужен способ внимательно следить за этими критически важными активами 24/7», — сказал Бартоли, который возглавляет Альянс интеллектуальной инфраструктуры в Инженерном колледже. «Это насущная необходимость не только для предотвращения катастрофических и часто трагических сбоев, но и для понимания того, какие мосты должны иметь приоритет для обслуживания и замены, чтобы мы могли эффективно и устойчиво подходить к сохранению и улучшению нашей инфраструктуры».
Более 40% из 617 000 мостов Америки имеют возраст более 50 лет. Несмотря на то, что они рассчитаны на длительный срок службы, их также необходимо регулярно проверять — каждые два года, по словам Бартоли, профессора кафедры гражданской, архитектурной и экологической инженерии колледжа. По его словам, нынешняя практика заключается в том, чтобы проводить визуальный осмотр и, в редких случаях, контролировать только мосты, которые считаются «проблемными конструкциями».
Но количество мостов, требующих внимания, растет, согласно «Табелю успеваемости по инфраструктуре Америки» ASCE. Такая система, как у Дрекселя, могла бы помочь федеральным агентствам и инспекторам справиться с этой проблемой и снизить общую потребность в инспекциях по мере строительства новых мостов.
Их беспроводной датчик смещения состоит из солнечного фотоэлектрического элемента, устройства измерения деформации, называемого потенциометром смещения, и приемопередатчика интерфейса мониторинга. Все три установлены на мосту, чтобы проводить непрерывные измерения его деформации при движении транспорта по нему и передавать эту информацию на удаленную станцию мониторинга.
Потенциометр смещения представляет собой небольшое, прочное и легкое устройство, которое крепится к балке моста. Он измеряет смещение или движение балки, поскольку мост временно деформируется, когда по нему проезжают транспортные средства. Изменения в этой картине деформации могут быть ранним индикатором структурных проблем.
Поскольку система потребляет энергию от солнечного элемента и резервной батареи, несколько потенциометров могут быть установлены на мосту без проводки. Система может вмещать ряд различных датчиков, которые контролируют движения моста, такие как ускорение, наклон и смещение, среди прочего. Интеграция нескольких типов датчиков в систему может обеспечить более полную картину состояния моста.
«Основным преимуществом этой системы является удаление сотен, а иногда и тысяч футов кабелей, которые являются дорогими, могут быть повреждены, требуют осторожности во время установки и увеличивают общую стоимость сенсорной системы», — сказал Бартоли. «Другое преимущество заключается в том, что с помощью одной беспроводной платформы мы могли одновременно считывать множество различных типов датчиков, не только смещения, но и акселерометры, наклономеры и тензодатчики».
Команда инженеров-электриков из отдела электротехники и вычислительной техники Drexel разработала блок питания для системы и оптимизировала его для обеспечения выносливости и долговечности в любых климатических условиях. Он включает в себя 21-ваттный фотоэлектрический элемент размером 8,35 на 10 сантиметров и литий-ионный аккумулятор большой емкости 14,8 В для хранения и распределения энергии, которую он собирает. Они протестировали его в лаборатории и на улице в середине зимы в Пенсильвании, чтобы убедиться, что он может продолжать обеспечивать питание в самых сложных погодных условиях.
“We want to ensure that the sensors can continually take measurements and transmit data throughout the entire day, so we used a large-capacity battery so that it can power the system overnight or if it is cloudy for long periods of time,” said Wang, who led the development of the power system. “This configuration is expected to provide uninterrupted power for years and the battery can provide power on its own for three weeks if it’s cloudy or the solar cell has been disabled.”
Команда надеется, что доказательство того, что доступная, простая в установке матрица датчиков достаточно прочна, чтобы выдерживать элементы с минимальным обслуживанием или без него в течение многих лет, позволит осуществлять непрерывный мониторинг многих мостов, а не только тех, которые находятся в плохом состоянии. Этот уровень сбора данных поможет определить, каково «нормальное» структурное поведение для каждого моста, и поднять тревогу, когда это поведение неожиданно изменится.
«Цель состоит в том, чтобы датчик прослужил неограниченное время с минимальной потребностью в обслуживании или без нее», — сказал Бартоли. «Надежный, непрерывный мониторинг гарантирует, что эти структуры работают должным образом. Это позволяет нам собирать данные о перегрузках и деформации конструкции, вызванных большими нагрузками на мост. Это также позволяет нам видеть, как структура деформируется из-за факторов окружающей среды, таких как ветер и изменения температуры, поэтому мы можем гарантировать, что все эти деформации находятся в ожидаемом диапазоне.
Хотя система в настоящее время готова к развертыванию, команда планирует продолжить тестирование и доработку ее в лаборатории, добавив дополнительные типы датчиков и определив полный срок службы источника питания.
Оригинал статьи: Yao Wang et al, Power Self-Sustained Wireless Bridge Deformation Monitoring System Based on Solar Photovoltaic, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics (2022). DOI: 10.1109/JESTIE.2022.3204487 🔗
Нашли ошибку в тексте? Напишите нам.