System monitoringu wałów

Implementacja nowatorskich metod tomografii impedancyjnej do badania stanu wałów przeciwpowodziowych

 

W przypadku nasilania się powodzi wzrasta niebezpieczeństwo przerwania wału. Doraźne badanie ich stanu, czy bieżący monitoring może zapobiec katastrofom powodziowym lub ostrzegać o grożącym niebezpieczeństwie. Jak ważny jest to problem, pokazały powodzie w Polsce i na świecie. System pomiarowo-monitorujący mógłby odpowiednio wcześniej wykryć grożące niebezpieczeństwo.
Celem projektu jest opracowanie nowoczesnego systemu do badania i monitoringu stanu wałów przeciwpowodziowych. Proponowane rozwiązanie to innowacyjny produkt, będący nowatorską i nowoczesną metodą niespotykaną w takiej formie obecnie na rynku ze względu na zastosowane technologie oraz złożoność i różnorodność algorytmów rekonstrukcji właściwości badanych obiektów.

Główne elementy projektu:

  • opracowanie nowych algorytmów służących do otrzymania rozkładu przewodnictwa właściwego,
  • utworzenie innowacyjnych metod badania stanu wałów,
  • utworzenie nowych algorytmów do monitorowania stanu wałów w trybie on-line,
  • skonstruowanie prototypu system.
Tomografia impedancyjna (TI) jest niedestrukcyjną techniką obrazowania posiadającą wiele zastosowań. Aby używać tej metody w sposób efektywny konieczne staje się opracowanie odpowiednich algorytmów do rozwiązywania zagadnień: prostego oraz odwrotnego. Pojawia się tutaj potrzeba poprawy wydajności pewnych metod numerycznych. Rozwiązanie typowego dla tomografii impedanccyjnej problemu polega na identyfikacji nieznanego brzegu obszaru wewnętrznego na podstawie pomiarów napięcia dokonanych na powierzchni badanego obiektu.

System monitoringu składa się z następujących elementów (rys. 1):

  • elektrod pomiarowych,
  • systemu zbierania danych,
  • bazy danych,
  • systemu zarządzania (sterowania),
  • algorytmów rekonstrukcji obrazów,
  • modułu analiz,
  • modułu wizualizacji.
Rys. 1. Architektura systemu
W wałach przeciwpowodziowych mogą występować różne uszkodzenia, takie jak: erozja kanalikowa, erozja skarpy, mikro niestabilność, napór lodu, poślizg skarpy zewnętrznej, przelew falowy, przelew wody, upłynnianie gruntu (rys.2).
Rys. 2. Przykłady uszkodzeń wału

 

System pomiarowy oparty jest na modelu tomografu impedancyjnego. Do dwóch elektrod dołączane jest źródło pobudzające. Pozostałe elektrody służą do pomiarów napięcia na brzegu obszaru. Pomiary wykonywane są dla wszystkich możliwych sposobów podłączenia źródła zasilania, w celu zwiększenia liczby informacji o obiekcie oraz poprawy stosunku sygnału do szumu. Po wykonaniu pierwszej serii pomiarów następuje przełączenie układu pobudzającego na elektrody sąsiadujące. Proces pomiarowy powtarzany jest sekwencyjnie dla wszystkich możliwych układów połączeń źródła pobudzającego (rys.3).
wał przeciwpowodziowy
Rys. 3. Rozmieszczenie elementów na brzegu wału przeciwpowodziowego

 

Rekonstrukcję obrazu oparto na metodzie optymalizacyjnej, w której drogą do wyznaczenia rozwiązania jest minimalizowanie funkcji celu jako średniokwadratowa wartość błędu rekonstrukcji odniesiona do wektora napięć międzyelektrodowych.
Do obliczenia zagadnienia prostego oraz określenia składowej potencjału i składowej zmian krzywizny, kolejny algorytm wykorzystuje metodę elementów skończonych, metodę granicy podobszarów lub metodę elementów brzegowych. Wewnętrzne obiekty badanej przestrzeni opisane są przez funkcję zbiorów poziomicowych, która jest dyskretyzowana na stałej siatce kartezjańskiej. Do zadania optymalizacyjnego używane są również metody gradientowe i algorytmy inteligencji obliczeniowej.

Zaproponowana została następująca procedura numeryczna:

  • inicjalizowany jest zerowy zbiór poziomicowy funkcji obejmujący nieznany kształt,
  • rozwiązywane jest równanie Laplace’a w badanym obszarze,
  • obliczana jest różnicy pomiędzy wartością napięcia obliczoną a pomierzoną,
  • rozwiązywane jest równanie sprzężone do równania stanu,
  • wyznaczana jest składowa normalna prędkości do brzegu,
  • uaktualniana jest funkcja zbioru poziomicowego,
  • wykonywana jest reinicjalizacja.

Proces rozwiązania powtarzany jest tak długo, aż zostaną osiągnięte zadowalające warunki zbieżności.

wal_3D_10
Rys. 4. Model typowego wału przeciwpowodziowego. Na rysunku zaznaczono elektrody systemu kontrolnego (tomografu).

 

 

Rys.5. Dwuwymiarowy model geometryczny uszkodzonego wału przeciwpowodziowego. Model został przygotowany w celu rozwiązania zagadnienia prostego za pomocą metody elementów brzegowych. Zaznaczono węzły elementów brzegowych oraz wektory normalne. Przewodnictwo właściwe jest stałe w obrębie danego podobszaru.
 

Koncepcja komunikacji i przetwarzania danych systemu

Założenia pracy systemu zdeterminowane zostało przez obszar w którym system powinien działać. Pokrycie obszaru około 80m zapewnione jest przez 16 elektrod umieszonych równomiernie pełniących rolę elektrod pomiarowych oraz 1 elektrodę pełniącą funkcję nadrzędną w prezentowanym układzie. Cały układ pomiarowy łączy się z serwerem pełniącym funkcję kontroli i monitorowania.
Rozkład elektrod pomiarowych przedstawia poniższy schemat.
Rys.6. Schemat komunikacji systemu

 

System, ze względu na pełnione role, obejmuje przede wszystkim:

  • źródło o zmiennej częstotliwości,
  • multiplekser,
  • system akwizycji danych,
  • moduł sterujący z procesorem sygnałowym.
Rys.7. Diagram systemu akwizycji danych

 

Stworzony został 16-to elektrodowy systemu gromadzenia danych pomiarowych dla systemu elektrycznej tomografii impedancyjnej. Jego schemat prezentuje poniższy rysunek.
Rys. 8. Schemat systemu

 

Głównymi elementami szesnastoelektrodowego systemu zbierania danych dla systemu tomografii impedancji elektrycznej są:

 

  • 24-bitowy, 16-to kanałowy przetwornik analogowo-cyfrowy,
  • analogowe multipleksery (CD4067) odpowiedzialne są za selektywnie przełączane napięcia pochodzącego z układu zasilającego do poszczególnych elektrod,
  • układ zasilania zbudowany w oparciu o układ MC34063 oraz wzmacniacz TDA7056 dostarcza napięcie zmienne o amplitudzie od 0.5 do 10 V oraz częstotliwości do 10 kHz,
  • wanna pomiarowa wraz z 16-toma elektrodami pomiarowymi ze stopu chrom-nikiel oraz kabli ekranowanych o oporności 50 Ω,
  • układu wzmacniaczy operacyjnych (OPA365) tworzących bufor wejściowo-wyjściowy mający także na celu zmniejszenie i przesunięcie dryftu do bardzo niskich poziomów.

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej.

Zaloguj się: b2b.net-art.lublin.pl

Zapisz

Zapisz

Zapisz

Zapisz

Zapisz