Neue Technologien für die Strukturüberprüfung und -überwachung

Bei der Strukturzustandsüberwachung werden verschiedene physikalische Erfassungs- und Messtechniken mit kontinuierlicher Fernverarbeitung kombiniert, um Echtzeitdaten zu erfassen, in historischen Datensätzen zu protokollieren und kontinuierlich zu analysieren. Aufgrund der Größe und Komplexität der überwachten Strukturen müssen Sie in mehreren Disziplinen gut vertraut sein, die von Sensortechniken über die Synchronisation von mehreren Systemen über Strukturdynamik bis hin zur Datenverwaltung und -analyse reichen. In diesem Artikel werden vier Schlüsseltechnologien für Strukturtests und Strukturzustandsüberwachung erläutert und wie NI diese in seine Lösungen integriert.

• Multimodale Sensorsysteme
• Robuste, präzise Signalaufbereitung
• Verteilte Messsysteme
• Softwaretechnologien

Die Sensortechnologie ist einer der aktiven Bereiche von Strukturtests und Überwachungsforschung und technologischen Fortschritten. SHM-Systeme integrieren eine Vielzahl von Sensoren, und die Sensortechnologieoptionen werden kontinuierlich erweitert. Die meisten SHM-Systeme verwenden heute Sensoren wie Dehnungsmessstreifen, Schwingungs- oder Beschleunigungsmessersensoren und Bewegungssensoren, um die Belastung oder Bewegung einer Struktur zu verfolgen. Darüber hinaus enthalten die Systeme in der Regel Sensoren für die Umwelt- oder Wetterüberwachung. Eine Reihe neuer Sensortechnologien verwendet nicht zerstörungsfreie Testansätze (NDT), z. B. akustische Emissionen, um Fehler in der Struktur direkt zu erkennen. Auch Sensoren, die auf Glasfasertechnologie basieren, werden zunehmend eingesetzt, da diese Technologie weiterentwickelt und ausgereift ist. Manche Strukturingenieure halten es sogar für sinnvoll, Videobilder, typischerweise des Verkehrs, in Strukturüberwachungssysteme einzubeziehen.

Aus der Perspektive eines Strukturingenieurs ist es von Vorteil, dass ein SHM-System an mehrere dieser Messungsarten und Sensortechnologien angepasst werden kann. Außerdem ist es wichtig, dass ein System modular ist, so dass Sie mit steigenden Anforderungen Messungen hinzufügen können. Je skalierbarer diese Systeme sind, desto einfacher ist es, eine Lösung im Labor zu entwerfen, für tragbare kurzfristige Messungen zu verwenden und letztlich vor Ort zu einsetzen.

       Abb. 1. Sensortechnologien für die Strukturüberwachung

Neben der erstklassigen Messqualität bieten NI-Datenerfassungsplattformen eine Vielzahl von Messungen, die eine Vielzahl von Sensoren und Signalen abdecken. Die Möglichkeit, Messungen zu addieren und zu subtrahieren, ist ein großer Vorteil, besonders wenn sich Ihre Anforderungen ändern. Alle Plattformen werden mit der Software NI LabVIEW programmiert, wodurch die Software von Labor zu Feld skalierbar ist.

Die gängigsten Messungen bei der Strukturüberwachung und -tests sind Dehnungs- und Schwingungsmessungen. Dehnungsmessungen werden gewöhnlich mit Widerstands-Folien-Dehnungsmessstreifen durchgeführt, die in Voll-, Halb- oder Viertelbrücken konfiguriert sind. Piezoelektrische Beschleunigungsmesser mit integriertem Ladungsverstärker, üblicherweise als IEPE-Beschleunigungsmesser bezeichnet, werden für die Erfassung dynamischer Schwingungen verwendet. Servo- oder Kraftausgleichs-Beschleunigungsmesser werden häufig in seismischen Aufzeichnungsanwendungen verwendet. Andere Sensoren, die regelmäßig in Strukturüberwachungssysteme integriert werden, sind Differentialtransformatoren (LVDTs) und String-Potentiometer, Neigungssensoren und Rissensoren, Thermoelemente und Widerstandstemperaturfühler (RTDs) für Temperaturmessungen und andere Umgebungssensoren für Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit und -richtung.

Um eine erstklassige Messqualität zu erzielen, müssen Sie die verschiedenen Arten der Aufbereitung für Sensormessungen sowie die verschiedenen Arten von analogen Komponenten berücksichtigen, die in der Messtechnik verwendet werden, einschließlich A/D-Wandlern (A/D-Wandlern).

Abbildung 2.   Signalaufbereitung für Sensormessungen

Ein A/D-Wandler macht aus einem Analogsignal eine Binärzahl. Somit steht jede vom A/D-Wandler bereitgestellte Binärzahl für einen bestimmten Spannungspegel. Der A/D-Wandler gibt einen Binärwert aus, dessen Entsprechung in Volt dem tatsächlichen Spannungswert so nahe wie möglich kommt, ohne ihn jedoch zu überschreiten. Die Auflösung bezieht sich auf die Anzahl der Binärpegel, mit denen der A/D-Wandler ein Signal darstellen kann. Um die Anzahl der verfügbaren Binärpegel basierend auf der Auflösung zu bestimmen, verwenden Sie einfach 2x die ^Auflösung. Daher gilt, je höher die Auflösung, desto mehr Pegel stehen zur Darstellung Ihrer Signale zur Verfügung. In Abbildung 3 sehen Sie eine digitale Darstellung von Signalen durch 12-, 16- und 24-Bit-A/D-Wandler. Sie können nun die 24-Bit-Technologie verwenden, die extrem genaue Messungen ermöglicht, sowohl für statische als auch für dynamische Anwendungen.

Abbildung 3: 16-Bit- oder 24-Bit-Auflösung

Kompakte Mess- und I/O-Module der C-Serie von NI kombinieren Konnektivität, Signalaufbereitung und A/D-Umwandlung für den direkten Anschluss an Strukursensoren. Sie können auf mehreren Messplattformen verwendet werden, darunter NI CompactDAQ, CompactRIO, Wi-Fi-Datenerfassung (DAQ) und USB. Module der C-Serie erfüllen dynamische Messanforderungen mit Dehnungs- und Beschleunigungsmessungsraten von bis zu 50 kS/s pro Eingangskanal mithilfe einer präzisen, rauscharmen und 24-Bit-A/D-Technologie. Zusätzlich zu Dehnungs- und Schwingungsmessungen eignen sich diese Module für praktisch alle Sensoren, die für die Strukturtests und -überwachung erforderlich sind, einschließlich Bewegungssensoren, Thermoelemente und RTDs. Eine vollständige Liste der I/O-Module der C-Serie finden Sie im Kompatibilitätsdiagramm der C-Serie.

Abbildung 4: Module der C-Serie bieten eine direkte Verbindung zu Strukturüberwachungs- und Testsensoren.

Die kontinuierliche Überwachung der Strukturleistung in Echtzeit ist eine entscheidende Strategie für die langfristige Wartung von Brücken, Gebäuden, Stadien und anderen großen Strukturen. Diese Anwendungen erfordern robuste, intelligente Datenerfassungssysteme, die zuverlässig an entfernten, unbeaufsichtigten Standorten betrieben werden können, ohne die Messleistung oder Vielseitigkeit zu beeinträchtigen, um zuverlässige und genaue Sensordaten bereitzustellen.

NI CompactRIO ist ein fortschrittliches Embedded-System zur Datenerfassung und Steuerung, das für Anwendungen entwickelt wurde, die sowohl Leistung als auch Zuverlässigkeit erfordern. Dank der offenen Embedded-Architekturen, Robustheit, geringer Größe und Flexibilität des Systems können Sie problemlos zuverlässige Systeme für anspruchsvolle Strukturüberwachungsanwendungen anpassen und bereitstellen. Der mit LabVIEW angesteuerte CompactRIO integriert eine Vielzahl von Sensorschnittstellenfunktionen der C-Serie.

Abbildung 5: CompactRIO-Systeme bieten robuste, eingebettete Datenerfassungs- und Steuerungslösungen für die langfristige Strukturüberwachung.

Eingebettete Intelligenz und Datenspeicherung

Kontinuierliche Langzeitüberwachungsanwendungen erfordern ein System, das über längere Zeiträume zuverlässig eigenständig betrieben werden kann. Dazu ist ein Echtzeit-Embedded-System erforderlich, das Sensordaten erfassen, lokal protokollieren und die Daten regelmäßig an ein Host-System übertragen kann. Die Fähigkeit des Systems, eigenständig und unbeaufsichtigt zu arbeiten, schützt wertvolle Sensordaten vor Netzwerkunterbrechungen oder Ausfällen des PC-Systems. CompactRIO verfügt über einen Embedded-Echtzeitprozessor für einen zuverlässigen Stand-alone-Betrieb und mehrere Optionen für die lokale Datenspeicherung, einschließlich integrierter nicht flüchtiger Flash-Speicher (bis zu 2 GB), austauschbarer SD-Speicherkarten (über das Modul der C-Serie NI 9802) oder USB-Flash-Laufwerke. Das CompactRIO-System ist mit Hilfe von grafischen Programmierwerkzeugen von LabVIEW programmiert und kann einfach so angepasst werden, dass es die für Ihre SHM-Anwendung erforderliche Datenerfassung, Inline-Datenanalyse und -verarbeitung, Datenspeicherung oder Kommunikation ausführt.

Fernkommunikation und Konnektivität

Da überwachte Strukturen wie Brücken in der Regel keine Kommunikations- oder Netzwerkinfrastruktur enthalten, erfordert das Überwachungssystem normalerweise Remote-Kommunikationsfunktionen. Zu den gängigsten Ansätzen für die Fernkommunikation gehören Wi-Fi (wenn sich ein Host-PC in der Nähe befindet) oder Mobilfunkdaten (z. B. CDMA, GSM/GPRS, EDGE usw.). Andere Optionen sind proprietäre Fernübertragungssysteme und Satellitenkommunikation. Mit einer Reihe von Kommunikationsprotokollen und -funktionen vereinfacht CompactRIO die Integration mit Kommunikationsgeräten und -modems von Drittanbietern. Für die programmatische Kommunikation enthält CompactRIO Bibliotheken für TCP/IP, UDP, Modbus/TCP und serielle Protokolle. Darüber hinaus enthält CompactRIO integrierte Server für HTTP und FTP für einen einfachen Webbrowser und Internetzugriff.

Synchronisierte verteilte Messungen

Die Überwachung des Zustands von Strukturen kann eine große Anzahl von Sensoren beinhalten, die über einen großen Bereich verteilt sind. Ein verteiltes Messsystem mit mehreren vernetzten Datenerfassungsgeräten, die jeweils mit einem Sensor-Cluster verbunden sind, kann die Menge der Sensorkabel drastisch reduzieren und die Installation erheblich vereinfachen. Da die meisten Zustandsüberwachungssysteme jedoch eine zuverlässige, systemweite Zeitreferenz erfordern, müssen verteilte Systeme in der Lage sein, Zeitmessungen über die gesamte Struktur zu synchronisieren. Die meisten Kommunikationsnetze bieten zwar keine solchen Synchronisationsfunktionen, doch fortschrittlichere Systeme können GPS oder neue deterministische Netzwerktechnologien für die systemweite Synchronisation verwenden. CompactRIO kann z. B. GPS-Empfänger verwenden, um Messungen über eine gesamte Brücke, ein Stadium oder eine andere große Struktur zu synchronisieren.

Software ist eine wichtige Komponente von SHM-Systemen. Unabhängig davon, ob Sie einen tragbaren Test an einer Struktur durchführen oder ein langfristiges Überwachungssystem bereitstellen, sollten Sie die Anforderungen Ihrer Softwareanwendung hinsichtlich Inline- und Offline-Datenanalyse, Benutzerfreundlichkeit sowie Datennachbearbeitung und -verwaltung berücksichtigen.

Einfache und leistungsstarke grafische Programmierung

Mit einem neueren Ansatz für die Entwicklung von Anwendungen, der grafischen Programmierung, wird die Lernkurve erheblich reduziert, da grafische Darstellungen intuitiver Schreibweise als textbasierter Code sind. Sie können auf die Werkzeuge und Funktionen über interaktive Paletten, Dialogfelder, Menüs und Hunderte von Funktionsblöcken zugreifen, die als VIs (virtuelle Instrumente) bezeichnet werden. Sie können diese VIs dann in ein Diagramm ziehen, um die Funktionsweise Ihrer Anwendungen festzulegen. Mit diesem Punkt-and-Click-Ansatz wird die Zeit verkürzt, die von der ersten Einrichtung bis zur endgültigen Lösung benötigt wird.

LabVIEW ist eine bewährte grafische Programmierumgebung für Ingenieure und Wissenschaftler, die Prüf-, Steuer- und Messanwendungen entwickeln. Durch die integrierte Unterstützung für Multithreading und parallele Programmierung, interaktive Ausführung und Fehlersuche sowie anwendungsspezifische High-Level-Tools können Sie mit Ihren SHM-Anwendungen mehr erreichen. In Abbildung 6 sehen Sie eine LabVIEW-Anwendung, mit der mehrere Signalverläufe zusammen mit synchronisierten Bildern erfasst und angezeigt werden.

Abbildung 6. Die grafische Entwicklungsumgebung LabVIEW bietet leistungsstarke Grafik- und Visualisierungswerkzeuge für die schnelle Entwicklung professioneller Benutzeroberflächen.

Die grafische Entwicklungsumgebung LabVIEW ist mit mehreren Rechenplattformen kompatibel, darunter Embedded-Controllern wie CompactRIO. Daher können Sie die umfangreichen LabVIEW-Funktionen nutzen, um mit dem LabVIEW Real-Time Module und CompactRIO leistungsstarke, benutzerdefinierte Embedded-Überwachungssysteme zu entwickeln.

LabVIEW enthält außerdem Express-VIs. Dabei handelt es sich um konfigurationsbasierte Schritte oder Assistenten, die Messungen, fortgeschrittene Analysen und das Speichern von Daten auf einem Datenträger vereinfachen.  

Datenanalyse

Drei wichtige Schritte der SHM-Anwendung sind die Vorverarbeitung erfasster Daten, die Anwendung numerischer Methoden und Algorithmen für die Datenanalyse sowie die Durchführung von Simulationen mit offenen und geschlossenen Regelkreisen zur Validierung der Modelle mit realen Daten.

Mithilfe der in LabVIEW integrierten VIs zur Filterung, Abtastung und für Fensterfunktionen können Sie Daten problemlos vorverarbeiten. Mit Toolkits für die Schwingungsanalyse und die erweiterte Signalverarbeitung können Sie mit LabVIEW die neuesten numerischen Methoden und Algorithmen für SHM verwenden.

Darüber hinaus erfüllt LabVIEW den wachsenden Bedarf, mehr Simulationen und die Online-Parameterschätzung nur für die Ausgabe zu implementieren. Dies ist auch ein Trend in anderen Anwendungsbereichen, in denen quasi-statische und dynamische Signale in einem integrierten Schritt erfasst und analysiert werden. Mit der LabVIEW-Unterstützung für Simulationen mit geschlossener und offener Regelkreise sowie Hardware-in-the-Loop-Simulationen (HIL) haben Sie einen gemeinsamen Ansatz für die Datenerfassung und -analyse.

Abbildung 7: Fortgeschrittene Analysealgorithmen sind mit einer Vielzahl von NI-Softwarepaketen verfügbar.

Die Software von NI verfügt außerdem über Hunderte integrierte Signalverarbeitungs- und Analysealgorithmen, um verschiedene Anforderungen an die Strukturtechnik zu erfüllen. Zu den Analysealgorithmen für die Struktur- und seismische Überwachung gehören:

• Schnelle Fourier-Transformation (FFT), Leistungsspektrum, Zoom-Leistungsspektrum und Frequenzgang
  
• Mittelwertbildung, Filterung und Fensterfunktionen
  
• Voll- und Bruchoktavenanalyse
  
• Regenfluss
  
• Erkennung von Spitzenwerten und Effektivwerten

Darüber hinaus enthält Software von National Instruments fortschrittliche Visualisierungstechniken zur schnellen Anzeige und Analyse fortschrittlicher Verarbeitungstechniken.

Datenverwaltung

Seit mehr als 30 Jahren erzeugen Ingenieure und Wissenschaftler technische Daten mithilfe von Hardware und Software von National Instruments, wobei nur begrenzte Berücksichtigung dessen, was mit den Daten passiert. Die Wahrheit ist, dass Daten teuer sein können, insbesondere bei Struktur- und seismischen Anwendungen. Bei der Struktur- und seismischen Überwachung ist das zu protokollierende Transientenereignis nicht einfach, wenn überhaupt, replizierbar, wie es bei seismischen Ereignissen der Fall ist. Um dies zu beheben, bietet NI eine dreistufige Datenverwaltungslösung an, die flexible und organisierte Dateispeicher, umfassende Suchfunktionen und eine interaktive Nachbearbeitungsumgebung bietet.

Abbildung 8: Die technische Datenverwaltungslösung von NI umfasst Datendateien, den NI DataFinder und NI DIAdem.

Um diesen drei Anforderungen gerecht zu werden, besteht die Lösung für technisches Datenmanagement (TDM) von NI aus drei Komponenten: dem TDM-Datenmodell zum Speichern beschreibender Informationen mit Testdateien, NI DataFinder zum Suchen und Mining von Testdaten unabhängig vom Dateiformat und der Software NI DIAdem für Analysen und Berichte.  

Abb. 9. DIAdem bietet eine interaktive Umgebung für die Nachbearbeitung großer Datensätze, einschließlich automatischer Protokollerstellung, erweiterter Analysen und Datenvisualisierungsfunktionen.

In diesem Artikel wurden die vier Schlüsseltechnologien für Strukturtests und Zustandsüberwachung – multimodale Sensorsysteme, Präzisions-Signalaufbereitung, verteilte Messsysteme und Software – besprochen und wie NI diese in seine Lösungen integriert.