Разработка, изготовление и испытания прототипа аппаратно-программного комплекса автоматизированной системы мониторинга технического состояния зданий и сооружений

Отчет 135 страниц, 65 иллюстраций, 10 таблиц, 6 приложений, 2 части, 33 формулы, 45 источников. Мониторинг, датчик, система, программный комплекс, напряжение в грунте, линейное перемещение, здания и сооружения, измерительная система, испытания. Цель работ согласно первому этапу НИОКР заключалась в разработке прототип датчика напряжений в грунте, использующего новую методику преобразования механических величин, с функциями измерения изменений напряжения в грунтах под действием нагрузки и передачи данных по проводному каналу связи. В результате работы были проведены исследования и анализ методов и принципов измерения напряжений в грунте от самых первых научных трудов в этой области до современных разработок, что позволило выделить основные аспекты и особенности объекта исследования, сформировать ключевые требования к будущей разработке, рассмотреть недостатки существующих измерительных методик, а также изучить инженерные задачи, которые в настоящий момент стоят перед специалистами, работающими в соответствующих областях науки и техники. В рамках работы была разработана конструкция прототипа датчика, подобраны его элементы и материалы с учетом характера его работы, разработана функциональная схема работы, смоделировано влияние входных сигналов на измерительную систему, изучен на практике принцип преобразования механического напряжения (эффект «упругого заряжения межфазного слоя твердого металлического электрода»), заложенный в основу устройства. Целью второго этапа НИОКР являлась разработка прототипа датчика линейных перемещений, основанном на эффективном принципе преобразования входных величин и обладающим повышенными функциональными возможностями. Во второй этап НИОКР также входили работы по создания программного обеспечения системы мониторинга и проведение контрольных испытаний по разработанной методике испытаний. В результате работы были проведены исследования и анализ методов и принципов измерения линейных перемещений, выполнен подбор и обоснование выбора аппаратных компонентов датчика, разработаны электронные принципиальные и функциональные схемы, произведены работы по моделированию конструктивных элементов датчика и их конченому изготовлению. Было разработано программное обеспечение (программный комплекс) прототипа автоматизированной системы мониторинга с написанием сопроводительной технической документации, содержащей информацию о структуре программного комплекса, алгоритму работы и руководство пользователя. Заключительной работой в рамках второго этапа являлось проведение контрольных испытаний прототипа автоматизированной системы мониторинга технического состояния зданий и сооружений, заключающихся в проверке совместного функционирования его компонентов. По результатам разработки прототипа автоматизированной системы мониторинга технического состояния зданий и сооружений были достигнуты следующие технические характеристики: -диапазон измерения напряжения, 0...2,0 МПа; -точность измерения напряжения, ±0,08 МПа; -порог чувствительности 0,75 МПа; -диапазон измерения линейных перемещений, 0…20 мм (±10 мм в каждую сторону от нулевого положения); -точность измерения линейных перемещений, 0,0003 мм; -измерительная база линейных перемещений, 110 мм; -диапазон измерения влажности, 0…100%; -диапазон измерения температуры, -40…+80 °C; -время снятия показаний, менее 1 сек; -диапазон рабочих температур, -20…+40 °C; -расстояние передачи данных по проводному каналу связи, 0...1200 м; -расстояние передачи данных по беспроводному каналу связи, не ограничено; -габаритные размеры (прототип датчика напряжений в грунте), 100х23 мм; -габаритные размеры (прототип датчика линейных перемещений), 160х80х55 мм; -масса (прототип датчика напряжений в грунте), 430 г; -масса (прототип датчика линейных перемещений), 350 г. Степень внедрения результатов НИОКР следует оценивать, основываясь на существующей необходимости дальнейших исследований физико-химического принципа измерения, заложенного в прототип датчика напряжений в грунте, который признается авторами как слабо изученный. Поэтому, рассматривая прототип автоматизированной системы мониторинга технического состояния зданий и сооружений как цельную измерительную систему, состоящую из отдельных компонентов, уровень разработки которых должен быть идентичным, можно сделать вывод о недостаточной готовности совокупных результатов НИОКР к внедрению. Рекомендации по внедрению результатов НИОКР в первую очередь следует ассоциировать с дальнейшим изучением эффекта «упругого заряжения межфазного слоя твердого металлического электрода». В случае достижения успешного результата исследований процесс внедрения связан с вопросами метрологического сопровождения, прохождения государственных аттестационных испытаний и получения документов об утверждении типа средств измерений. Стоит отметить, что данные процедуры являются обязательными перед выходом продукции такого типа на рынок, а их прохождение регламентировано законодательством РФ. Области применения: геотехнический мониторинг, обследование технического состояния зданий и сооружений, использование в составе автоматизированных систем технического мониторинга и систем телеметрии, экспериментальные исследования. Экономическая эффективность продукции заключается в первую очередь в снижении трудоемкости получения информации с реальных объектов за счет полной автоматизации процесса снятия показаний. Опираясь на данные, полученные в процессе работы, авторы делают вывод об актуальности темы работы и о высокой значимости и научном потенциале дальнейших исследований. Дальнейшее развитие объекта исследования следует связывать с усовершенствованием функциональных и метрологических характеристик, напрямую определяющих его эффективность, конкурентоспособность и привлекательность для потенциального потребителя. В результате выполнения НИОКР была подготовлена и подана заявка на изобретение "Датчик механических величин", регистрационный № 2020144344. На основании полученных результатов, можно сделать вывод о том, что поставленные в рамках проекта задачи решены в полном объеме, а выполнение НИОКР может считаться успешным. По результатам работы авторам удалось сформулировать ряд задач, которые требуется решить в рамках дальнейших исследований для достижения разрабатываемой методики мониторинга необходимого научно-технического уровня, позволяющего выйти на этап коммерциализации разработки.