Seminarski - Inklinometri

8/10/2019 Seminarski - Inklinometri

1/17

Studijski program:Geodezija i geomatika

SEMINARSKI RAD

- Integrisani sistemi premera -

Profesor: Vladimir Bulatovi Student: Maja Nikoli, 362

Novi Sad, Maj 2014.


2/17

Integrisani sistemi premera Maja Nikoli, 362

Sadraj

1 Uvod ........................................................................................................................................ 2

2

Istorijat inkinometra ................................................................................................................ 3

3 Opta primena inklinometara .................................................................................................. 4

3.1 Primena inklinometara za odreivanje visine objekata.................................................... 4

3.1.1 Odreivanje visine objekta primenom procentne skale............................................ 5

3.1.2 Odreivanje visine objekta pomou skale na inklinometru...................................... 5

3.2 Inklinometar za merenje nagiba i orijentacije .................................................................. 6

4

Primena inklinometara u monitoring graevinskih objekata .................................................. 7

4.1 Pojam deformacije objekta ............................................................................................... 7

4.2 Senzori za monitoring graevinskih objekata.................................................................. 8

4.3 Mogunost primene monitoringa sa alarmnim sistemom................................................ 9

4.4 Automatski monitoring mostova koristei elektronski inklinometar ............................. 10

4.4.1 Princip rada elektronskog inlinometra .................................................................... 11

4.4.2 Rekonstrukcija deformacija .................................................................................... 12

5 Inklinometri........................................................................................................................... 13

5.1 Leica Nivel210/Nivel220 ............................................................................................... 13

5.2

Precizni Triaxal inklinometar i akcelerometar ............................................................... 14

6

Zakljuak............................................................................................................................... 15


3/17


Inklinometri u monitoringu graevinskih objekata

Rezime

U radu se daje prikaz inklinometara, njihova primena u umarstvu, geologiji,graevinarstvu i drugim oblastima. Opisani su postupci rada sa inklinometrima, odreivanjevisina objekata i drugi vidovi primene, njihov istorijski razvoj i znaaj primene. Posebno jeobraena panja na monitoring graevinskih objekata, prvenstveno na praenje stanje mostatokom eksploatacije. Prikazane su neke od vrsta senzora i instrumenata koji se koriste pri

monitoringu graevinskih objekata. Inklinometri Leica Nivel210/Nivel220 i ADIS16210 iSensorsu opisan i date su njihove karakteristike. Cilj rada je prikaz vanosti senzora, tanijeinklinometra, u monitoring graevinskih objekata. Shvatanje principa rada senzora kako ugraevini, tako i u drugim povezanim oblastima. Brzina izgradnje objekata i njihova masovnaeksploatacija namee potrebu za razvojem sve savrenijih i ekonominijih senzora.

Kljine rei: senzor, inklinometar, monitoring, deformacija

1 Uvod

Inklinometar je ureaj koji koriste mnoge profesije usvakodnevnom radu. Neki ga koriste za merenje visine, dok ga

drugi koriste za merenje nagiba ili ugla deklinacije. Geolozi ga

koriste kako bi utvrdili visinu i ugao stene, planina ili drugih

geolokih karakteristika. Takoe koriste ga i za merenje dubine

peina i visine drvea. Skijai i planinari ga koriste kaosigurnosni ureaj. Padine prekrivene snegom koje su pod uglomizmeu 25 i 45imaju vei rizik od lavina i treba ih izbegavati.Jedna vrsta inklinometra se koristi za odreivanje visine oblaka.Mornari poseduju inklinometre koje koriste za predvianjemoguih opasnosti od oluje. U graevinarstvu, inklinometri takoeimaju veliku primenu, jedna od primena je odreivanje visine objekta, dok je primena

Slika 1 - Primena inklinometra


4/17


inklinometra u monitoringu veoma komleksna i zahtevna metoda, koja e biti detaljno opisana uovom radu.

Inklinometar je ureaj za merenje nagiba. Princip rada zasniva se na odreivanju uglaizmeu vizure i horizontalne ravni, tj. merenje promene nagiba u odnosu na horizontalnu ravan.

Monitoring graevinskih objekata kao pojam podrazumeva praenje stanja objekta tokomvremena.

2 Istorijat inkinometra

Prvi inklinometri su bili sastavljenji od dva osnovna dela,jedan koji je jedan jednostavan i slui kao baza, a drugi uplji disksa do pola napunjen tenou (slika 6). Gornja strana diska jestaklena, sa ugraviranom uglovnom podelom, koja oznaava ugaopod kojim tenost stoji u odnosu na horizontalnu ravan. Kadatenost zauzima ugao od 0, to znai da je tenost horizontalna,tj,da se ravan nalazi u horizontalnom poloaju. Kada tenostzausima ugao od 90, linija je upravna na bazu, to znai da jeposmatrana ravan vertikalna. [1]

Poetkom 1900-ih inklinometri poprimaju drugaiji oblik ipostaju sve precizniji i sve vie korieni u graevinarstvu. Izrauju se tako to se zakrivljenacev puni tenou nakon u koju su ubaene kuglice, kako bi se preciznije mogao odrediti ugao,nakon ega se cev hermetiki zatvara (slika 7). Ovakav ureaj sa elektronskim senzorom zamerenje nagiba, I senzorom za merenje ubrzanja, brzo postaje novi standard, zbog male veliinei niske cene. Ovi ureaji generiu vetaki horizont i mere ugao ka horizontu. Koriste se u

Slika 6 - Prvi inklinometar

Slika 3 - Inklinometar Slika 5 - Precizni

inklinometar

Slika 2 - Inklinometar

- nekad

Slika 4- Inklinometar

- senzor


5/17


6/17


3.1.1 Odreivanje visine objekta primenom procentne skale

Da bi se odredila visina drveta primenom procentne metode, za taku kao stanicuneophodno je izabrati taku sa koje se vidi I vrh I dno objekta. Zatim se oitaju procentnevrednosti I po odgovarajuoj formuli u zavisnosti koja je metoda primenjena, srauna visinaobjekta [3].

% do vrha - % do dna = ukupna % visina

ukupna % visina x horizontalna duina = visina

3.1.2 Odreivanje visine objektapomou skale na inklinometru

Odreivanje visine objekta mogue je ipomou skale koja je ugravirana na objektivnomsoivu. Oita se vrednost i pomnoi sa rastojanjem, kako bi se dobila tana vrednost visineobjekta [3].

Slika 8 - Vizura iznad dna objekta Slika 9 - Vizura ispod dna objekta

Slika 12 - Visina drvetaSlika 10 - Visina objekta Slika 11 - Izgled konanice


7/17


3.2 Inklinometar za merenje nagiba i orijentacije

Sonda za merenje nagiba i orijentacije (inklinometar) predviena je za merenje ukarotanim buotinama. Dva osnovna parametra koja odreuju nagib i orijentaciju kanalabuotine su: inklinacija (odstupanje pravca buotine od vertikale) i azimut (zakrenutost pravcabuotine u odnosu na geografsku referencu sever). Inklinometar je realizovan uz pomo dvasenzora: akcelerometra za merenje inklinacije i magnetometra za merenje azimuta. Elektronski

sklop obrauje informacije sa senzora i prilagodjava izlazni digitalni signal protokolu po kojemkomunicira sa povrinskom jedinicom. Veza izmeu sonde i povrinske jedinice koja vriakviziciju podataka, ostvarena je preko jednoilnog kabla. Kabl koji se preko odogovarajuegkonektora spaja sa sondom, pored napajanja sonde vri i prenos informacija postupkomutiskivanja digitalnog signala u linijski napon [4].

Inklinometar je projektovan tako da omogui kontinualno praenje nagiba i orijentacije.Merenja se mogu vriti sa uestanou od 1 do 10 puta u sekundi, zavisno od potrebe. Kaoizlazne parameter ureaj moe davati direktna oitavanja senzora ili gotove uglove orijentacije.Kontinualno se registruju tri ugla:

1. Ugao inklinacije (INK) - nagib ose kanala buotine u odnosu na vertikalu,2. Ugao relativnog poloaja (relative bearing - RB) - rotacija oko uzdune ose sonde,3. Azimut pravca buotine (AZI) - ugao meren u pravcu kretanja kazaljke na satu, odpravca magnetnog severa do pravca ose buotine.

Slika 13 - Princip odreivanja visine


8/17


Inklinometri se takoe koriste i za merenje bonih deformacija u buotinama. Merenja se

mogu izvoditi manualno pomou jedne sonde, koja se korak po korak pomie kroz buotinu, ilipomou lanca od vie sondi stacionarno instaliranih u buotini. Za merenja nagiba objekata idelova objekata primenjuju se jednoosni ili dvoosni senzori nagiba u jednom kuitu za zatituod vremenskih nepogoda.

4 Primena inklinometara u monitoring graevinskih objekata

4.1 Pojam deformacije objekta

Pod pojmom monitoring podrazumeva se praenje stanja objekta tokom vremena.Monitoring graevinskih objekata je neophodan zbog raznih vidova deformacija. Deformacija

predstavlja promenu veliine i oblika objekta tokom vremena, nastaje kao posledica delovanjaunutranjih i spoljanjih sila, kao to su uticaj vetra, promena temperature i nivoa podzemnih voda,tektonski i seizmoloki uticaji, dinamika i statika optereenja objekta, itd. Kao posledicadelovanja ovih sila javljaju se deformacije na objektu u vidu ugiba, nagiba, torzije, iskrivlenosti,zaokreta, iskrivljenja objekta, a mogua su i oteenja u obliku pukotina, pa i lomova.Kvantifikovanje pomeranja i deformacija je neophodno prvenstveno zbog ocene stanja

konstrukcije u toku graenja, sanacije, ojaanja konstrukcije i provere teorijskih pretpostavki.

Slika 14 - Sonda inklinometra


9/17


10/17


Tiltmetri predstavljaju ureaje za merenje odstupanja od horizontalne ravni, dok seinklinometrima (slika 18) meri odstupanje od vertikale. Isti instrument koji meri nagib moesenazvati i tiltmetar i inklinometar, zavisno od interpretacije rezultata [5].

Pored navedenih senzora, za deformaciona merenja se koriste jo i akcelerometri,ugibomeri, ekstenziometri, piezometri, instrumenti za merenje naprezanja, dinamometri, klatna,

merne trake, itd.

4.3 Mogunost primene monitoringa sa alarmnim sistemom

Za potrebe monitoringa velikih objekata, kao to su tuneli, brane ili mostovi, lokalnih iregionalnih geomehanikih procesa (naselja u rudarstvu, klizita) aktuelno je projektovanjealarmnih sistema, koji se sastoje od geodetskih GNSS senzora, robotizovanih totalnih stanica i

geotehnikih senzora, kao to su ekstenziometri, inklinometri buotina, senzori za temperaturu iubrzanja. U kontrolnim centrima izmerene vremenske serije se direktno koriste za detekciju

kritinih dogaaja. Uobiajeni pokazateli su relativne promene pomeranja u kombinaciji saprateim brzinama i/ili ubrzanjima. Ako ove vrednosti prevazilaze definisane granice tolerancije,upozorenja u vidu alarmnih poruka se pojavljuju na ekranu korisnika sistema. Tipina strategijaza upozorenje/uzbunu moe biti ema semafora,poev od zelene za normalno stanjei promenepreko uto (nivo upozorenja) na crveno,u sluaju opasnosti. Komunikacione tehnologije koje sekoriste su iane ili beine. Senzori su esto povezani preko serijske komunikacije do vora kojiga pretvara uEthernet ili beinu komunikaciju. Beini protokoli koji se koriste najee su Wi-Fi, radio modemi i od nedavno dalekodometni Bluetooth. Prikluak na kontrolni centar, kojimoe biti daleko od lokacije monitoringa, moe se uspostaviti korienjem GPRS konekcije ilineke "iane internet konekcije. Veoma je vano da je veza stabilna i da je kanjenje to jemogue manje. Na tritu postoji vie komercijalnih reenja[5].

Slika 15 - Pseudolit Slika 16 - GNSS Slika 17 - RTS Slika 18 - Inklinometar


11/17


4.4 Automatski monitoring mostova koristei elektronski inklinometar

Automatski monitoring je efikasan nain da se sauva postojea struktura objekta, pripraenju ponaanja objekta. Podaci prikupljeni pri praenju koriste se za ocenu stanja objekta.Na osnovu merenja rotacije objekta, moe se rekonstruisati kompletno stanje mosta. Postupak jeprimenjiv kako za kratkorona, tako i za dugorona opaanja, kao i za praenje mosta tokomoptereenja u fazi pre eksplatacije objekta.

Monitoring je postao uobiajen nain praenja objekata tokom vremena. Daje preciznusliku efektivnog ponaanja objekta i omoguava praenje objekta tokom vremena. Redovnekontrole sadanjeg stanja objekta, u odnosu na poetne vrednosti, daju preciznu predstavu oprocesu starenja I mogueg pogoranja objekta.

U kontekstu savremenih sistema upravljanja mostom, automatsko kontinuirano praenje

struktura je efikasan nain da se prikupe informacije za predvianje i planiranje radova naodranju mosta. Kao dopuna tradicionalnim metodama osmatranja, automatsko praenjeomoguava finiju analizu[6].

Slika 19 -Alarmni sistem


12/17


4.4.1 Princip rada elektronskog inlinometra

Metodologija korienja za automatsko praenje deformacija sastoji se u korienjumree malih, visoko preciznih elektronskih inklinometara, povezanih sa centralnim delom koji se

nalazi na raunaru. Sva oprema se moe lako instalirati u kutiji nosaa mosta. Senzori sarezolucijom od 1 rad (jedan milimetar po kilometru) se jednostavno montiraju na povrinibetona, bilo na jednostavnim draima (slika 20) ili na sloenim ureajima (slika 21), kojiomoguavaju ponovnu kalibracijurotacijom za 180oko vertikalne ose. Senzori se aktiviraju uodreenim vremenskim intervalima, kako bi prikupili podatke. Na kraju tog perioda (obino 10s)svi instrumenti prijavljuju izmerenu vrednost, bilo kao prosenu vrednost tokom vremena ili kaopojedinane vrednosti. Vrednosti se zatim uvaju lokalno i prikazuju na raunaru. Obino seuzimaju i simultana merenja temperature tokom vremena, relevantnih pozicija kako bi se

obezbedila relevantna tumaenja.Sami senzori imaju frekvenciju uzorkovanja od 10 do 20Hz, u zavisnosti od modela i

propusnog opsega senzora. Merenja se obino uzimaju u opsegu od 20 do 100, sa frekvencijomod 10Hz. Standardna devijacija daje dobru predstavu o stanju mosta tokom vremena. Pa je s toga

lako automatski filtrirati vrednosti sa visokom standardnom devijacijom, koja ukazuje na

prisustvo saobraaja na strukturi tokom vremena. Da bi se dozvolilo efektivno prikupljanjepodataka tokom vremena, ak i u period gustog saobraaja, obino se koristi period merenja od 1minuta. Ovo garantuje da e merenja tokom jednog sata biti validna[6].

Slika 20 - Fiksiran inklinometar Slika 21 - Rotirajui sistem


13/17


4.4.2 Rekonstrukcija deformacija

Iako rotacija moe dati validne podatke o stanju objekta, obino je potrebno da serekonstruiepravac skretanja objekta iz merenih rotacija kako bi se dolo do lakeg tumaenja.

Kada se rekonstruie pravac skretanja I kombinuje sa rotacijom, dolazi se do odgovarajuegoblika deformacije strukture. Najjednostavniji pristup se sastoji od jednostavnog polinoma

rekonstrukcije. Tri inklinometra definiu polinom drugog reda. Integrisanjem jednog polinoma Ipostavljanjem poetne vrednosti na nula y(0) = 0, definie se oblik skretanja.

Slika 22 prikazuje primer sa tri inklinometra, postavljenjih na x = 0, x = 0,3l I x = l. kao

to se sa slike moe videti, ovaj metod daje dobre rezultate za deformacije u srednjem rasponu.Moe se primetiti da se kriva (N=3) ne vraa u prvobitan polaaj. Ovaj efekat nestaje ako sekoristi vie inklinometaraili ukoliko je polinom definisan da se vrati u poetan poloaj. Ovo jenepoeljan efekat, s toga je ovaj metod prihvatljiv samo u sluaju kada elimo da odredimodeformacije u sredinjem delu konstrukcije [6].

Rekonstrukcija deformacije primenom prostog polinoma I njena primena veoma je teka,osetljiva je na greke merenja, pre svega to primorava polinom da proe kroz svaku merenuvrednost. Kako je to u nekilm sluajevima gotovo neizvodljivo , neophodno je koristiti drugaijipristup problem. U ovom postupku skretni oblici se rekonstruiu pomou linearne kombinacijeniza predrauna skretanja. Osnovna ideja ovog pristupa je da se dobije glatka kriva od stvarnihproraina. U sutini, svaki oblik skretanja potuje svojstva mosta, a moe da objasni Idiskontinuitet, kao to su nagle promene inercije, mnogo bolje nego primenom prostih polinoma

[6].

Slika 22 - Rekonstrukcija deformacije primenom prostog polinoma

Slika 23Primer postavljanja inklinometra


14/17


Slika 24 pokazuje da iste konfiguracije kao na slici

22b, rezultati su veoma blizu stvarnog skretanja objekta.

Rezultati rekonstrukcije prema unapred sraunatimskretnim oblicima veoma su bliski sa rezultatima polinoma

bez pomeranja u oba pravca (slika 22b). Interesantna

karekteristika ove metode je da rekonstruisana deformacija

daje dodatne informacije o skretnom obliku. U sluaju naslici 23, gde se koriste dve od etiri ulaznih podataka,kombinacijom daju najbolje rezultate. 10% od pojedinanog unosa, plus 102% od jediniceoptereenja na 0,75l. tumaenje ovih koeficijenatai njihovih varijacija tokom vremena, dobijajuse dodatne informacije o stvarnom ponaanju mosta tokom vremena[6].

5 Inklinometri

5.1 Leica Nivel210/Nivel220

Leica Nivel210/Nivel220 je precizni sensor za simultano merenje nagiba, pravca nagiba itemperature.

Karakteristike senzora: dve ose senzora visoke preciznosti sa rezolucijom od 0,001mrad.

Omoguuje visoko precizna merenja i visoku stabilnost, kontinuirani relal-time podaci,povezivanje na softver za monitoring Leica GeoMoS

Koristi se za praenje I inenjering velikih konstrukcija, kao to su brane, mostovi ivisoke zgrade. Opremljen je interfejsom RS232 za direktno povezivanje. Koristi se kada je

potrebna visoka preciznost [8].

Slika 24rekonstrukcija kombinacijom

Slika 25Nivel220


15/17


5.2 Precizni Triaxal inklinometar i akcelerometar

ADIS16210 iSensor je digitalni inklinometar koji

obezbeuje precizna merenja uglova u punom opsegu. Onkombinuje MEMS trokoordinatni sensor ubrzanja sa obradom,

registar prikupljenih podataka i SPI kokompatibilni serijski

interfejs [9].

Elementi MEMS senzora su sa aluminijumskim jezgrom I

odlinom mehanikom stabilnou. Interni sat pokree systemuzorkovanja podataka, koji eliminie potrebu za spoljnimizvorom odreivanja vremenskog interval izmeu dve epohemerenja. SPI I bafer struktura podataka obezbeuju pogodan pristup tanim podacima senzora ikontroli podataka.

ADIS16210 je veliine 15mm x 24mm x 15mm, i u njemu se nalazi kartica veliine M2.Temperaturni opseg rada je od -40C do +125C [9].

Slika 27Integracija inklinometra i raunara

Slika 28ADIS16210


16/17


Karekteristike: 0,1tanosti merenja uglova0,05poravnanja osa

Izlaz za inklinometar I akcelerometar

Digitalno unutranje merenje temperatureProgramirabilna korisnika kalibracijaProgramilabilna kontrola i alarmi [9].

6 Zakljuak

Brzina izgradnje objekata ipotreba za neprestanim praenjem objekata na zemlji, u vodi ivazduhu, dovela je do potebe razvoja mnotva senzora. Danas senzori postoje u raznim oblicima,veliinama, konstruisani u razliite svrhe. Kako samostalni, tako postoje i integrisani, koji su posvojim karakteristikama i mogunostima neuporedivi po tanosti i kvalitetu dobijenih podatakasa samostalnim. Trend sve vie predstavlja permanentni monitoring u realnom vremenu saalarmnim sistemom, koji je od velikog znaaja za predikciju i spreavanje neeljenihekololokih, materijalnih, a prvenstveno eventualnih ljudskih katastrofa.


17/17

Documents

Seminarski - Inklinometri