PL B1. Sposób detekcji stanu równowagi dynamicznej urządzenia pomiarowego zawieszonego powyżej swojego środka ciężkości

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01C 15/00 ( ) G01C 3/02 ( ) G01D 11/30 ( ) G12B 5/00 ( ) (54) Sposób detekcji stanu równowagi dynamicznej urządzenia pomiarowego zawieszonego powyżej swojego środka ciężkości (73) Uprawniony z patentu: WISENE SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 13/12 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/14 (72) Twórca(y) wynalazku: ZBIGNIEW PIÓRO, Warszawa, PL JAKUB JASIŃSKI, Andrespol, PL MARCIN OSINIAK, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Dorota Orlińska

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób detekcji stanu równowagi dynamicznej urządzenia pomiarowego zawieszonego powyżej swojego środka ciężkości, mogącego oscylować pod wpł y- wem siły grawitacji po wytrąceniu go ze stanu równowagi, ale nie mogącego obracać się wokół osi przechodzącej przez punkt zawieszenia i środek ciężkości. Sposób dotyczy wykrywania stanu równowagi dynamicznej niektórych typów urządzeń, kt ó- re ze względu na swój sposób działania powinny wykonywać pomiary w takim stanie w celu zm i- nimalizowania ryzyka wystąpienia znaczących błędów pomiaru. Do takich urządzeń należą np. dalmierze, szczególnie laserowe, w przypadku których błę d- ne wyniki pomiaru mogą być związane z niepożądanym i nieprzewidywalnym ruchem urządzenia. Ruch taki powinien być wykrywany z wysokim prawdopodobieństwem i odpowiednią, zadaną cz u- łością, aby możliwe było uzyskanie wiarygodnych wyników. W przypadku urządzeń pomiarowych, takich jak dalmierze optyczne, używanych w geodezji czy w zastosowaniach militarnych, stosuje się sztywne ich mocowanie (stałe uchwyty, stelaże). W takich przypadkach nie sygnalizuje się potrzeby wykrywania stanu równowagi urządzenia. Przykładowo, w opisach patentowych PL183004B1, PL187178B1, Iub wzorach użytkowych PL59893Y1 czy PL59765Y1 przedstawiono dalmierze laserowe, które nie są zawieszone i nie ma w zasadzie potrzeby wykrywania ich stanu równowagi. Z opisu P znane jest urządzenie do monitorowania ugięć konstrukcji obiektów budowlanych, zwłaszcza dachów i osłon konstrukcji, pod wpływem skrajnych obciążeń, w tym op a- dów śniegu lub oblodzenia. Urządzenie jest zintegrowane z ulegającym odkształceniu elementem konstrukcji i zawiera dalmierz laserowy. Urządzenie posiada obudowę zaopatrzoną w łącznik montażowy do sztywnego zamocowania obudowy zewnętrznej do elementu monitorowanej ko n- strukcji. W przestrzeni pomiędzy diafragmą dolną, a podstawą górną znajduje się obudowa wewnętrzna, zawieszona za pomocą co najmniej jednego elastycznego i nierozciągiiwego zawiesia. W przypadkach tego rodzaju urządzeń pomiarowych, zawieszonych za pomocą zawiesia, stosowanych do monitorowania stanu konstrukcji budowlanych, istotne jest, aby było możliwe wykrycie, czy znajduje się ono w stanie równowagi dynamicznej (spoczynku), czy też oscyluje (waha się), co może spowodować błędy pomiarów wykonywanych przez to urządzenie. Przedmiotem wynalazku jest sposób detekcji stanu równowagi dynamicznej urządzenia pomiarowego zawieszonego powyżej swojego środka ciężkości, mogącego oscylować pod wpł y- wem siły grawitacji po wytrąceniu go ze stanu równowagi, ale nie mogącego obracać się wokół osi przechodzącej przez punkt zawieszenia i środek ciężkości, polegający na tym, że mierzy się, z częstotliwością większą od podwojonej częstotliwości oscylacji urządzenia, korzystnie 10 razy większą, przez co najmniej jeden okres oscylacji, za pomocą czujników prędkości kątowej, korzystnie wieloosiowych, w które urządzenie jest wyposażone, chwilowe wartości dwóch prostop a- dłych wzajemnie składowych prędkości kątowej oscylacji tego urządzenia, korzystnie jeżeli są one prostopadłe do prostej przechodzącej przez punkt zawies zenia urządzenia i jego środek ciężkości, przy czym stan urządzenia uznaje się za stan równowagi dynamicznej, jeżeli wyznaczona, na podstawie wyników tych pomiarów, wartość maksymalna wielkości fizycznej, której wartość jest wprost proporcjonalna do odchylenia urządzenia z położenia równowagi, korzystnie kąta odchylenia od pionu prostej przechodzącej przez punkt zawieszenia urządzenia i jego środek ciężkości, jest mniejsza od założonej wartości dopuszczalnej. Korzystne jest, jeżeli składowe prędkości kątowej mierzy się żyroskopami prędkościowymi. Korzystne jest także, jeżeli pomiary składowych prędkości obrotowej urządzenia wykonuje się stosując moduł elektroniczny, w który wyposażone jest urządzenie, z którym połączone są czujniki składowych prędkości kątowej, korzystnie, gdy moduł ten jest zasilany z wewnętrznej baterii. Korzystne jest także, jeżeli wyniki pomiarów składowych prędkości kątowej urządzenia przetwarza się lokalnie stosując moduł elektroniczny, w który jest wyposażone urządzenie, a także, gdy wyniki pomiarów wysyła się, korzystnie drogą radiową, z modułu elektronicznego do urządzeń zewnętrznych. Korzystne jest również, gdy proces przetwarzania przez moduł elektroniczny wyników p o- miarów składowych prędkości kątowej urządzenia pomiarowego programuje się, korzystnie drogą radiową.

3 PL B1 3 W sposobie według wynalazku urządzenie pomiarowe, zawieszone powyżej swojego środka ciężkości i mogące oscylować pod wpływem siły grawitacji po wytrąceniu go ze stanu równowagi dynamicznej, ale nie mogące obracać się wokół osi przechodzącej przez punkt zawieszenia i środek ciężkości, dla prawidłowego funkcjonowania jest wyposażone w środki techniczne pozwalaj ą- ce określić (wykryć), czy znajduje się ono w stanie równowagi dynamicznej, tj. w bezruchu, sp o- czynku, czy też wykonuje oscylacje, np. waha się czy kołysze się. Wynalazek zapewnia wiarygodny sposób detekcji własnego stanu równowagi dynamicznej urządzenia pomiarowego zawieszonego powyżej swojego środka ciężkości. Środki techniczne pozwalające na wykrycie stanu równowagi urządzenia stanowią np. czujniki prędkości kątowej, np. żyroskopy prędkościowe. Żyroskop prędkościowy, w który jest wyposażone urządzenie pomiarowe, którego stan ró w- nowagi jest wykrywany sposobem według wynalazku, jest połączony ze wszelkimi urządzeniami zapewniającymi jego prawidłowe funkcjonowanie, tj. jest połączony ze źródłem zasilania, korzys t- nie wewnętrznym, ale może to również być dowolne inne zewnętrzne źródło zasilania. Pomiary składowych prędkości obrotowej urządzenia wykonuje się stosując moduł elektroniczny, w który jest wyposażone urządzenie pomiarowe. W tym przypadku również korzystne jest połączenie tego modułu z wewnętrznym źródłem zasilania, ale możliwe jest też połączenie z zewnętrznym źr ó- dłem zasilania. Moduł elektroniczny urządzenia jest też połączony, korzystnie bezprzewodowo, z modułem/modułami zewnętrznym/zewnętrznymi umożliwiającymi zdalne programowanie jego trybu pracy. Dla fachowca oczywiste będzie, jakie powinny być bloki układu wykrywającego stan równ o- wagi dynamicznej urządzenia pomiarowego niezbędne dla jego funkcjonowania. Blokami w takim układzie mogą być moduł zasilania, pamięć, mikrokontroler i inne. Urządzenie pomiarowe wykrywa własny stan równowagi dynamicznej w taki sposób, że za pomocą czujników prędkości kątowej, korzystnie są to żyroskopy prędkościowe, zwłaszcza wykonane technologiami mikrosystemowymi, mierzy przez pewien czas, co najmniej przez jeden okres własnej oscylacji, z dostateczną częstotliwością, tj. co najmniej dwa razy większą od częstotliw o- ści własnej oscylacji, chwilowe wartości dwóch wzajemnie prostopadłych składowych własnej prędkości obrotowej, korzystnie jeżeli są one prostopadłe do prostej przechodzącej przez punkt zawieszenia urządzenia pomiarowego i jego środek ciężkości. Na podstawie wyników tych pomiarów określa się maksymalną wartość wybranej wielkości fizycznej, takiej, której wartość jest wprost proporcjonalna do odchylenia urządzenia od położenia równowagowego, np. kąta odchylenia od położenia równowagowego czy prędkości kątowej. Jeżeli obliczona wartość maksymalna tej wielkości jest dostatecznie mała (mniejsza od założonej wart o- ści dopuszczalnej), to urządzenie uznaje, że znajduje się w stanie równowagi dynamicznej. Sposób według wynalazku został objaśniony na podstawie przykładu realizacji na rys unku, na którym na Fig. 1 przedstawiono schematycznie urządzenie pomiarowe, którego stan równowagi dynamicznej jest wykrywany, na Fig. 2 pokazano to samo urządzenie z zaznaczonym jego ruchem, po wytrąceniu ze stanu równowagi, natomiast na Fig. 3 zobrazowano ruch wahadłowy urządzenia za pomocą wykresu przedstawiającego zależność prędkości kątowej urządzenia od czasu. Urządzenie pomiarowe (1), zawieszone powyżej swojego środka ciężkości w punkcie (3) za pomocą zawiesia (2), oscyluje pod wpływem siły grawitacji w płaszczyźnie X0Z obracając się przy tym wokół osi 0X z prędkością kątową (Fig.1). Urządzenie odchyla się maksymalnie o kąt max od położenia równowagowego (od pionu) (Fig. 2). Urządzenie (1) wyposażone jest w dwuosiowy żyroskop prędkościowy (4) mierzący dwie składowe i prędkości kątowej. Związki pomiędzy tymi wielkościami, wynikające z definicji wektora, są następujące:

4 4 PL B1 W ogólności urządzenie może być wyposażone w trójosiowy żyroskop prędkościowy (4) mierzący trzy składowe, oraz prędkości kątowej. Na podstawie zmierzonych synchronicznie chwilowych wartości składowych i oblicza się chwilowe wartości całkowitej prędkości kątowej. Na tej podstawie można również określić kąt pomiędzy płaszczyzną oscylacji a osiami czułości żyroskopu prędkościowego, a więc i osiami urządzenia pomiarowego. Dla niezbyt dużych kątów wychylenia od pionu składowe prędkości kątowej są z dobrą dokładnością harmonicznymi funkcjami czasu: gdzie T jest okresem oscylacji urządzenia pomiarowego, natomiast i są maksymalnymi wartościami odpowiednio składowej X i Y prędkości kątowej urządzenia. W takim przypadku możliwe jest analityczne obliczenie maksymalnego kąta max odchylenia urządzenia od pionu (Fig. 2). W tym celu należy wyznaczyć wartości maksymalne i składowych i, a następnie obliczyć wartość maksymalną całkowitej prędkości kątowej ze znanej zależności: Następnie należy wyznaczyć okres oscylacji T, i po tym można obliczyć max z następującej, oczywistej zależności: lub, wykorzystując łatwiejszą do praktycznego określenia wielkość max-min (Fig. 3), z zależności: W większości praktycznych przypadków nie będzie potrzebny synchroniczny pomiar składowych i prędkości kątowej urządzenia, który jest pewnym problemem technicznym.

5 PL B1 5 Takie wielkości jak: T, x max, y max, max, czy max, które wystarczą w większości zastosowań, można policzyć mając wyłącznie wyniki pomiarów asynchronicznych składowych i. Wszelkie operacje matematyczne, np. takie jak objaśnione powyżej, wykonuje, w oparciu o zmierzone przez żyroskop wartości składowych prędkości kątowej, moduł elektroniczny, w który jest wyposażone urządzenie. Wyniki tych obliczeń są wykorzystywane wewnątrz urządzenia do podejmowania decyzji o wykonaniu lub nie wykonywaniu pomiaru przez dalmierz, lub są wysyłane do urządzeń zewnętrznych, korzystnie łączem bezprzewodowym. Urządzenia zewnętrzne mogą być częścią złożonego systemu monitorowania stanu urządzeń pomiarowych lub ogólniej stanu konstrukcji budowlanej, takiej jak hala czy most, lub konstrukcji narażonych na obciążenia (konstrukcje podziemne, tunele, wyrobiska). Istotą wynalazku jest jednak sam sposób detekcji stanu równowagi dynamicznej urządzenia pomiarowego, a zagadnieniem wtórnym jest przetwarzanie uzyskanych danych i sprzęganie urządzenia w różnego typu systemy wraz z dodatkowymi elementami, takimi jak moduły zasilające, moduły elektroniczne przetwarzające i przesyłające dane, nadajniki, odbiorniki oraz kanały przesyłu danych, korzystnie bezprzewodowe. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób detekcji stanu równowagi dynamicznej urządzenia pomiarowego zawieszonego powyżej swojego środka ciężkości, mogącego oscylować pod wpływem siły grawitacji po wytrąceniu go ze stanu równowagi, ale nie mogącego obracać się wokół osi przechodzącej przez punkt zawieszenia i środek ciężkości, znamienny tym, że mierzy się, z częstotliwością większą od podwojonej częstotliwości oscylacji urządzenia, korzystnie 10 razy większą, przez co najmniej jeden okres oscylacji, za pomocą czujników prędkości kątowej, korzystnie wieloosiowych, w które urządzenie jest wyposażone, chwilowe wartości dwóch prostopadłych wzajemnie składowych prędkości kątowej oscylacji tego urządzenia, korzystnie jeżeli są one prostopadłe do prostej przechodzącej przez punkt zawieszenia urządzenia i jego środek ciężkości, przy czym stan urządzenia uznaje się za stan równowagi dynamicznej, jeżeli wyznaczona, na podstawie wyników tych pomiarów, wartość maksymalna wielkości fizycznej, której wartość jest wprost proporcjonalna do odchylenia urządzenia z położenia równowagi, korzystnie kąta odchylenia od pionu prostej przechodzącej przez punkt zawieszenia urządzenia i jego środek ciężkości, jest mniejsza od założonej wartości dopuszczalnej. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że składowe prędkości kątowej mierzy się żyroskopami prędkościowymi. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pomiary składowych prędkości obrotowej urządzenia wykonuje się stosując moduł elektroniczny, w który wyposażone jest urządzenie, korzystnie zasilany z wewnętrznej baterii, z którym połączone są czujniki składowych prędkości kątowej. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że wyniki pomiarów składowych prędkości kątowej urządzenia przetwarza się lokalnie stosując moduł elektroniczny, w który jest wyposażone urządzenie. 5. Sposób według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że wyniki pomiarów wysyła się, korzystnie drogą radiową, z modułu elektronicznego do urządzeń zewnętrznych. 6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że proces przetwarzania przez moduł elektroniczny wyników pomiarów składowych prędkości kątowej urządzenia pomiarowego programuje się, korzystnie drogą radiową.

6 6 PL B1 Rysunki Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)