Оптоэлектронный метод и прибор для контроля плановых смещений гидротехнических сооружений

Актуальность темы

Одной из тенденций развития современного общества является повышение требований к промышленным предприятиям с точки зрения сохранения экологии окружающей среды и рационального природопользования, что, в свою очередь, порождает спрос на технологии мониторинга природно-техногенной сферы и обеспечения безопасности промышленных объектов.

Плотины гидротехнических сооружений являются объектами повышенной опасности и требуют непрерывного всеобъемлющего контроля за состоянием их целостности и прогнозирования динамики их прочности как в период строительства, так и в период эксплуатации, что отражено в Федеральном законе о безопасности гидротехнических сооружений и иных нормативных актах Российской Федерации.

Особую важность представляет проблема геодезического контроля плановых смещений тела плотины, которая в общем случае решается измерением смещений контрольных точек от положения вертикальных струнных отвесов, заложенных в конструкцию гидротехнического сооружения на этапе строительства.

Имея достоверную информацию о перемещении системы струнных отвесов, можно не только оценить текущие смещения тела плотины, но и осуществлять краткосрочный и долговременный прогноз поведения плотины в периоды наполнения и сброса воды.

В настоящее время в России автоматизированное измерение плановых смещений контрольных точек плотины по прямым и обратным струнным отвесам производится двухкоординатными преобразователями координат индуктивного типа.

Проведённый анализ выявил, что данные средства измерения на сегодняшний день в моральном и техническом плане полностью устарели, обладают рядом существенных недостатков: малое межградуировочное время, аналоговый интерфейс, низкая помехоустойчивость и др., вследствие чего требуют серьёзной модернизации или полной замены.

В то же время анализ научно-технической информации по проблеме измерений координат струнных отвесов гидротехнических сооружений позволяет сделать вывод, что существующие в мировой практике альтернативные методы и средства измерений (оптико-механические и оптоэлектронные) также обладают рядом значительных недостатков, среди которых общими являются низкий уровень автоматизации и высокая стоимость установки и эксплуатации изделий.

Например, цена ручного оптического координатографа производства «Фрайбергер прецизионс-механик-ГмбХ», Германия при точности измерений в 100 мкм составляет порядка 10 000 $. Неавтоматизированный оптический «Ecartometr» (Германия) при точности 100 мкм и диапазоне перемещений 25 мм предлагается за 6500 Euro.

Таким образом, проблема автоматизированного геодезического контроля гидротехнических сооружений и получения качественной оперативной информации о состоянии плотины продолжает оставаться весьма актуальной, учитывая, что данная проблема напрямую связана с проблемой безопасности целых регионов.

Применение системного подхода позволяет сделать вывод, что наиболее оптимальный результат по критерию цена/качество на пути решения обозначенной проблемы состоит в разработке новой оптоэлектронной технологии измерений, с использованием датчиков координат нового типа, на основе современных достижений микроэлектроники, схемотехники, приборостроения, технологий создания и управления корпоративными базами данных, а также современных методов построения сетей передачи данных по цифровым каналам связи.

Тема работы соответствует следующим позициям перечня «Приоритетные направления развития науки и техники и критические технологии федерального уровня» /1/:

Экология и рациональное природопользование:

• Технологии мониторинга природно-техногенной сферы.

• Технологии обеспечения безопасности продукции, производства и объектов.

Информационные технологии и электроника:

• Оптои акустоэлектроника.

Целью работы является разработка оптоэлектронной технологии измерений координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, позволяющая получить оценку координат струнного отвеса на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник, и включает в себя в т. ч. следующие задачи исследования:

1. Исследование и научное обоснование оптоэлектронного метода измерений координат протяжённого объекта на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник.

2. Разработка методики расчёта оптической системы, позволяющей получить на поверхности фотоприёмного устройства изображение регистрируемого объекта требуемого качества и масштаба при заданных условиях измерений.

3. Разработка математической модели оптоэлектронной системы как инструмента для моделирования процесса измерений с целью оценки параметров оптоэлектронной системы при заданной точности измерений.

4. Экспериментальное исследование оптоэлектронного метода измерений по п. 1, в т. ч. создание опытного образца измерителя и оценка достигаемой точности измерений.

5. Исследование методов определения координаты изображения объекта на поверхности фотоприёмника.

6. Исследование и оценка факторов, влияющих на точность измерений.

7. Исследование возможности переноса технологии оптоэлектронных измерений на другие задачи измерений в геодезии.

Методы исследования. В диссертационной работе, для решения поставленных задач использовались методы геометрической и дифракционной оптики, метрологии, математической статистики, теории вероятностей, математический анализ, экспериментальные методы, методы вычислительного моделирования.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

• Комплексно исследована проблема дистанционного контроля плановых смещений данной точки гидротехнического сооружения от положения вертикали струнного отвеса.

• Дано научное обоснование оптоэлектронного метода и алгоритма измерений координат протяжённого объекта на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник.

• Разработана математическая модель оптоэлектронной системы для исследуемой задачи, позволяющая оценить параметры оптоэлектронной системы при заданной погрешности измерений.

Практическая значимость и внедрение результатов исследований: На основе разработанной методики расчёта оптической системы реализован программный продукт, позволяющий производить оценку основных параметров оптической системы для заданных условий измерений, полученные результаты использованы при решении практических задач, связанных с экспериментальной проверкой предложенного метода измерения.

По результатам исследований в 2003 г создан экспериментальный образец оптоэлектронного устройства для измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений ФПКС-1, в апреле 2003 г. прошедший испытания в лаборатории JITTC ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего», при этом среднеквадратичная ошибка измерений координат не превысила ±-25мкм по каждой координате. По результатам испытаний экспериментальный образец был передан в опытную эксплуатацию на метрологическую точку плотины Саяно-Шушенской ГЭС, которая проводились в период с 25.04.2003 г. по 08.10.2003 г.

С учётом полученных научных и практических результатов создан модернизированный вариант ФПКС-2, в 2004 г прошедший испытания для целей утверждения типа средств измерений «Фотоэлектронные преобразователи координат струнных отвесов ФПКС-2» в Госстандарте РФ.

Два промышленных образца изделия ФПКС-2 в настоящее время установлены на метрологических точках плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

Результаты диссертационной работы вошли в проведённые на базе НТЦР «Мезон», КГТУ, г. Красноярск, в 2001;2004гг. следующие НИОКР:

1) На основе проведённой в 2001 г. НИР «Анализ состояния и разработка технических предложений по модернизации систем автоматизированного контроля гидротехнических сооружений Саяно-Шушенской ГЭС. I этап. Оптимизация технических решений. Договор № 1/01/185 от 12.03.01» было сделано общее теоретическое обоснование необходимости кардинальной смены технологии измерения координат струнных отвесов и предложен оптоэлектронный метод измерений координат на основе показаний двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник.

2) В соответствии с планом НИОКР по ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС им П.С. Непорожнего» на основании договора № 2/02 от 20 мая 2002 г. была проведена НИР «Разработка системы фотооптического преобразователя координат для контроля плановых смещений. II этап. Разработка и изготовление экспериментального датчика ПФК СО». В работе произведено основное теоретическое и экспериментальное обоснование предложенного метода измерений, предложены инженерные формулы для оценки параметров оптической системы.

3) В НИОКР «Разработка и ввод в эксплуатацию автоматизированного геодезического створа плотины Зейской ГЭС. Шифр „Створ 1“. I этап. Выбор технических решений», проведённую на основании договора № 3/02 от 25 февраля 2003 г между НТЦР «Мезон» и ОАО «Зейская ГЭС» был сделан аналитический обзор возможных методов реализации геодезического створа на верхней кромке плотины Зейской ГЭС, приводятся расчетные оценки достижимой точности измерений. Отдельная глава посвящена исследованию возможности построения струнного створа с использованием разработанного оптоэлектронного метода контроля смещений струнных отвесов.

Результаты, полученные в диссертации, позволили повысить точность и достоверность определения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений при полной автоматизации процесса измерений и существенном снижении стоимости эксплуатации соответствующего сегмента АСУ.

Достоверность научных и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается согласованием теоретических расчётов, математического моделирования и экспериментальных исследований, а также:

• актами о внедрении результатов диссертационной работы.

• свидетельством № 10−502 от 03.06.2004 г. о поверке средства измерений «Фотоэлектронные преобразователи координат струнных отвесов ФПКС-2», выдано ФГУП «Сибирский Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Метрологии», г. Новосибирск.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитические выражения, составляющие уравнение связи координат струнного отвеса с параметрами сигналов с двух ортогональных оптоэлектронных систем, позволяющее исключить методическую погрешность измерения координат вследствие зависимости показаний оптоэлектронной системы от расстояния до объекта.

2. Промышленный оптоэлектронный прибор для измерения координат струнных отвесов с точностью не хуже ±100 мкм в диапазоне перемещений струны ±50 мм.

3. Результаты вариационного анализа влияния случайных отклонений параметров оптической системы на общую погрешность измерения.

Апробация работы и публикации: Результаты проводимых исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» в г. Красноярске (2002, 2003, 2004гг), а также на ряде научно-технических советов на ведущих предприятиях гидроэнергетики.

По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе одна статья в рецензируемом журнале «Гидротехническое строительство», подана авторская заявка на изобретение. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ вошли в отчеты по 3-м НИОКР.

Структура и объём диссертации:

Диссертация содержит основной текст на 156 е., 40 иллюстраций, в т. ч. 4 фотографии, 6 таблиц, приложения на 5 е., список использованной литературы из 45 наименований, в т. ч. публикации автора.

Личный вклад автора: в защищаемых материалах автору принадлежит: исследование и разработка теории оптоэлектронного преобразования применительно к исследуемой задаче, разработка и исследование математической модели оптико-электронного преобразования на ЭВМ, исследование ошибок, разработка опытного образца прибора, его лабораторные и натурные испытания.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований вошли в ряд НИОКР, выполненных по заказу ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего» и ОАО «Зейская ГЭС».

Экспериментальные исследования, проведённые с помощью разработанных приборов ФПКС-1 и ФПКС-2 доказали, что предложенный оптоэлектронный метод позволяет создать промышленный прибор с точностью измерения не хуже ±100 мкм в диапазоне перемещений струны ±50 мм.

Высокие метрологические характеристики изделия подтверждены сертификатом Госстандарта Российской Федерации, два промышленных образца изделия ФПКС-2 в настоящее время установлены на контрольных точках плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

Дальнейшим развитием исследований является прежде всего исследование и разработка оптических систем, позволяющих увеличить как точность, так и диапазон измерений, а также разработка теории и изготовление аппаратуры фрагментов автоматизированных подсистем оптоэлектронных преобразователей координат струнных отвесов с использованием современных методов построения аппаратуры АСУ ТП.

Тем не менее, данная диссертационная работа представляет собой законченное исследование, в ходе которого получен и решён на практике ряд новых научно-технических результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основной целью настоящей диссертационной работы являлось комплексное решение задачи измерений координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, позволяющей получить оценку текущих и плановых смещений контрольных точек плотины и не допустить превышения действующих в плотине напряжений относительно расчётного предельного состояния по прочности.

Актуальность темы

диктуется тем, что от качественного решения проблемы геодезического контроля гидротехнических сооружений и получения достоверной оперативной информации о состоянии плотины зависит, по существу, безопасность целых регионов Российской Федерации.

Для решения поставленной задачи был предложен и впервые полностью научно обоснован оптоэлектронный метод измерений, позволяющий получить оценку координат струнного отвеса на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник, позволяющий исключить методическую погрешность измерения, связанную с влиянием смещения струны по одной координате на измерение второй.

Разработана методика расчёта оптической системы и математическая модель оптоэлектронной системы, позволяющие быстро оценивать параметры подобных приборов для целого класса задач измерений, например, для решения задачи геодезического струнного створа.

Вариационный анализ влияния случайных отклонений параметров оптической системы на общую погрешность измерения показал, что среди априори непостоянных параметров оптической системы наибольшую погрешность вносит случайное отклонение от расчётного значения фокусного расстояния объектива, оптическая ось которого перпендикулярна измеряемой координате.