Nuevas tecnologías para pruebas estructurales y monitoreo de condición

El monitoreo de condición estructural combina varias técnicas de detección física y de medidas con procesamiento continuo y remoto para capturar datos en tiempo real, registrarlos en un registro histórico y analizarlos continuamente. Debido al tamaño y la complejidad de las estructuras que se monitorean, usted debe estar bien preparado en múltiples disciplinas que van desde técnicas de detección, sincronización de múltiples sistemas, dinámica estructural hasta administración y análisis de datos y más. Este documento examina cuatro tecnologías clave para pruebas estructurales y monitoreo de condición estructural y las maneras en que NI las incorpora en sus soluciones.

• Sistemas de sensores multimodal
• Acondicionamiento de señales robusto y de precisión
• Sistemas de medidas distribuidos
• Tecnologías de software

La tecnología de sensores es una de las áreas más activas en la investigación de monitoreo y pruebas estructurales y el avance tecnológico. Los sistemas de SHM integran una variedad de sensores y las opciones de tecnología de sensores continúan en expansión. La mayoría de los sistemas de SHM de hoy en día utilizan sensores como galgas extensiométricas, sensores de vibración o acelerómetro y sensores de desplazamiento para rastrear las tensiones o el movimiento de una estructura. Además, los sistemas suelen incluir sensores para monitoreo ambiental o meteorológico. Varias de las tecnologías de sensores emergentes utilizan enfoques de pruebas no destructivas (NDT), como las emisiones acústicas, para detectar directamente defectos en la estructura. Los sensores basados en tecnología de fibra óptica también están experimentando un mayor uso a medida que esa tecnología continúa evolucionando y madurando. Algunos ingenieros estructurales incluso encuentran útil incorporar imágenes de video, generalmente del tráfico, en los sistemas de monitoreo estructural.>

Desde el punto de vista de un ingeniero estructural, es un beneficio para un sistema SHM poder adaptarse a varios de estos tipos de medidas y tecnologías de sensores. También es importante que un sistema sea modular, para que pueda agregar medidas conforme sus requisitos aumentan. Finalmente, cuanto más escalables sean estos sistemas, más fácil será diseñar una solución en el laboratorio, usarla para medidas portátiles a corto plazo y, finalmente, implementarla en campo.

       Figura 1. Tecnologías de sensores para monitoreo estructural

Además de brindar la mejor calidad de medidas en su clase, las plataformas de adquisición de datos de NI ofrecen una variedad de medidas que cubren una variedad de sensores y señales. La capacidad de sumar y restar medidas es un gran beneficio, especialmente si sus necesidades cambian más adelante. Todas las plataformas están programadas usando el software NI LabVIEW, lo que hace que el software sea escalable del laboratorio al campo.

Las medidas más comunes en monitoreo y pruebas estructurales son de tensión y vibración. Las medidas de tensión generalmente se realizan con galgas extensiométricas de aluminio resistivas dispuestas en configuraciones de puente completo, medio puente o cuarto de puente. Los acelerómetros piezoeléctricos con un amplificador de carga integrado, comúnmente denominados acelerómetros IEPE, se utilizan normalmente para la adquisición de vibración dinámica. Los acelerómetros servo, o de equilibrio de fuerzas, se suelen utilizar en aplicaciones de registro sísmico. Otros sensores incorporados regularmente en los sistemas de monitoreo estructural incluyen transformadores diferenciales de voltaje lineal (LVDT) y potenciómetros de cadena para sensores de desplazamiento, inclinación y grietas, termopares y detectores de temperatura de resistencia (RTD) para medidas de temperatura y otros sensores ambientales para humedad y velocidad del viento y dirección.

Para lograr la mejor calidad en su clase para las medidas, debe considerar los diferentes tipos de acondicionamiento requeridos para las medidas del sensor, así como los diferentes tipos de componentes analógicos que se utilizan en la instrumentación, incluyendo los convertidores de analógico a digital (ADC).

Figura 2.   Acondicionamiento de señales para medidas de sensores

Un ADC toma una señal analógica y la convierte en un número binario. Por lo tanto, cada número binario del ADC representa un cierto nivel de voltaje. El ADC devuelve el nivel más alto posible sin pasar por arribe del nivel de voltaje real de la señal analógica. La resolución se refiere al número de niveles binarios que el ADC puede utilizar para representar una señal. Para determinar el número de niveles binarios disponibles en base a la resolución, simplemente tome 2^Resolución. Por lo tanto, cuanto mayor sea la resolución, más niveles tendrá para representar sus señales. La Figura 3 muestra una representación digital de señales de ADCs de 12, 16 y 24 bits. Ahora puede utilizar la tecnología de 24 bits, que permite medidas extremadamente precisas, tanto para aplicaciones estáticas como dinámicas.

Figura 3. Resolución de 24 bits versus resolución de 16 bits

Los módulos compactos de medidas y E/S de la serie C de NI combinan conectividad, acondicionamiento de señales y conversión A/D para conexión directa a sensores estructurales. Puede usarlos en varias plataformas de medidas, incluyendo NI CompactDAQ, CompactRIO, adquisición de datos (DAQ) Wi-Fi y USB. Los módulos de la serie C cumplen con los requisitos de medidas dinámicas con velocidades de adquisición de acelerómetro y tensión de hasta 50 kS/s por canal de entrada utilizando tecnología A/D de 24 bits precisa y de bajo ruido. Además de tensión y vibración, puede usar estos módulos para prácticamente cualquier sensor requerido para monitoreo y pruebas estructurales, incluyendo sensores de desplazamiento, termopares y RTDs. Para una lista completa de los módulos de E/S de la serie C, consulte la tabla de compatibilidad de la serie C.

Figura 4. Los módulos de la serie C brindan conectividad directa a sensores de pruebas y monitoreo estructural.

El monitoreo continuo de los datos de rendimiento estructural en tiempo real está emergiendo como una estrategia crítica en el mantenimiento a largo plazo de puentes, edificios, estadios y otras estructuras grandes. Estas aplicaciones requieren sistemas de adquisición de datos inteligentes y robustos que puedan operar de manera confiable en ubicaciones remotas y desatendidas, sin sacrificar el rendimiento o la versatilidad de las medidas para brindar datos de sensores precisos y confiables.

NI CompactRIO es un sistema embebido y avanzado de control y adquisición diseñado para aplicaciones que requieren alto rendimiento y fiabilidad. Con las arquitecturas embebidas y abiertas del sistema, la robustez, el tamaño pequeño y la flexibilidad, usted puede personalizar e implementar fácilmente sistemas confiables para aplicaciones exigentes de monitoreo estructural. Desarrollado por LabVIEW, CompactRIO integra la amplia variedad de capacidades de interfaz de sensores de la serie C.

Figura 5. Los sistemas CompactRIO ofrecen soluciones integradas y robustas de control y adquisición de datos para monitoreo estructural a largo plazo.

Inteligencia embebida y almacenamiento de datos

Las aplicaciones de monitoreo continuo a largo plazo requieren un sistema que pueda operar de manera confiable e autónoma durante largos períodos de tiempo. Esto requiere un sistema embebido en tiempo real que pueda adquirir datos de sensores, registrar los datos localmente y transmitir periódicamente los datos a un sistema host. La capacidad del sistema para operar de forma autónoma y sin supervisión protege los valiosos datos del sensor ante interrupciones de la red o fallas del sistema de la PC. CompactRIO incluye un procesador embebido en tiempo real para una operación confiable e autónoma y múltiples opciones para el almacenamiento local de datos, incluyendo almacenamiento en flash no volátil integrado (hasta 2 GB), tarjetas de memoria SD extraíbles (a través del módulo NI 9802 serie C), o unidades flash USB. Programado usando las herramientas de programación gráfica de LabVIEW, el sistema CompactRIO se puede personalizar fácilmente para realizar adquisición de datos particular, análisis y procesamiento de datos en línea, almacenamiento de datos o comunicaciones requeridas por su aplicación SHM.

Comunicaciones remotas y conectividad

Debido a que las estructuras monitoreadas, como los puentes, generalmente no incluyen comunicaciones o infraestructura de red, el sistema de monitoreo normalmente requiere capacidad de comunicaciones remotas. En la actualidad los enfoques más populares para las comunicaciones remotas incluyen Wi-Fi (si hay una PC host cerca) o datos móviles (como CDMA, GSM/GPRS, EDGE, etc.). Otras opciones son las radios patentadas de largo alcance y las comunicaciones por satélite. Con un conjunto de protocolos y capacidades de comunicación, CompactRIO simplifica la integración con módems y dispositivos de comunicación de terceros. Para comunicaciones programáticas, CompactRIO incluye bibliotecas para TCP/IP, UDP, Modbus/TCP y protocolos seriales. Además, CompactRIO incluye servidores integrados para HTTP y FTP para facilitar el navegador web y el acceso a internet.

Medidas distribuidas sincronizadas

El monitoreo de condición de estructuras puede involucrar una gran cantidad de sensores distribuidos en un área amplia. Un sistema de medidas distribuidas que utiliza múltiples dispositivos de adquisición de datos en red, cada uno conectado a un grupo de sensores, puede reducir drásticamente la cantidad de cableado de sensores y simplificar enormemente la instalación. Sin embargo, debido a que la mayoría de los sistemas de monitoreo de condición requieren una referencia de tiempo confiable en todo el sistema, los sistemas distribuidos deben poder sincronizar de manera precisa y confiable las medidas del sensor en toda la estructura. Si bien la mayoría de las redes de comunicaciones no brindan tales capacidades de sincronización, los sistemas más avanzados pueden usar GPS o nuevas tecnologías de red determinísticas para la sincronización de todo el sistema. CompactRIO, por ejemplo, puede usar receptores GPS para sincronizar medidas en todo un puente, estadio u otra estructura grande.

El software es un componente crítico de los sistemas SHM. Ya sea que se realice una prueba portátil en una estructura o se implemente un sistema de monitoreo a largo plazo, considere las necesidades de su aplicación de software para análisis de datos en línea y fuera de línea, facilidad de uso y procesamiento posterior y administración de datos.

Programación gráfica fácil y potente

Un enfoque más nuevo para desarrollar aplicaciones, la programación gráfica reduce significativamente la curva de aprendizaje porque las representaciones gráficas son anotaciones de diseño más intuitivas que el código basado en texto. Puede acceder a las herramientas y funciones a través de paletas interactivas, cuadros de diálogo, menús y cientos de bloques de funciones conocidos como VIs (instrumentos virtuales). Luego puede arrastrar estos VIs en un diagrama para definir el comportamiento de sus aplicaciones. Este enfoque de clic y arrastre acorta el tiempo que lleva pasar de la configuración inicial a la solución final.

LabVIEW es un entorno de programación gráfica comprobado y diseñado para ingenieros y científicos que desarrollan aplicaciones de pruebas, control y medidas. Con soporte inherente para hilos múltiples y programación paralela, ejecución interactiva y depuración y herramientas específicas de aplicaciones de alto nivel, LabVIEW lo ayuda a lograr más con sus aplicaciones de SHM. La Figura 5 muestra una aplicación de LabVIEW adquiriendo y mostrando varias formas de onda junto con imágenes sincronizadas.

Figura 6. El entorno de desarrollo gráfico de LabVIEW proporciona poderosas herramientas gráficas y de visualización para desarrollar rápidamente interfaces de usuario profesionales.

El entorno de desarrollo de programación gráfica LabVIEW es compatible con varias plataformas de cómputo, incluyendo los controladores embebidos como CompactRIO. Por lo tanto, usted puede aprovechar el extenso conjunto de funciones de LabVIEW para desarrollar sistemas de monitoreo embebidos, personalizados y de alto rendimiento utilizando el módulo LabVIEW Real-Time y CompactRIO.

LabVIEW también incluye Express VIs, que son pasos o asistentes basados en configuración que simplifican el proceso de realizar medidas, realizar análisis avanzados y almacenar datos en disco.  

Análisis de datos

Tres pasos importantes de la aplicación de SHM son el pre-procesamiento de los datos adquiridos, aplicar métodos numéricos y algoritmos para análisis de datos y realizar simulaciones de ciclo abierto y cerrado para validar los modelos con datos del mundo real.

Usando los VIs integrados en LabVIEW para filtrar, muestrear y crear ventanas, usted puede pre-procesar fácilmente los datos. Con toolkits para análisis de vibración y procesamiento de señales avanzado, LabVIEW lo ayuda a utilizar los últimos métodos numéricos y algoritmos para SHM.

Además, LabVIEW aborda la creciente necesidad de implementar más simulaciones y estimación de parámetros solo de salida en línea, que también es una tendencia en otras áreas de aplicación donde las señales cuasiestáticas y dinámicas se adquieren y analizan en un paso integrado. Con el soporte de LabVIEW para simulaciones de ciclo cerrado y abierto, así como simulaciones de hardware-in-the-loop (HIL), tiene un enfoque común para la adquisición y el análisis de datos.

Figura 7. Los algoritmos de análisis avanzados están disponibles con una variedad de paquetes de software de NI.

El software de NI también cuenta con cientos de algoritmos de análisis y procesamiento de señales integrados para cumplir con diferentes necesidades de ingeniería estructural. Algunos de los algoritmos de análisis para el monitoreo estructural y sísmico incluyen los siguientes:

• Transformada rápida de Fourier (FFT), espectro de potencia, espectro de potencia de zoom y respuesta de frecuencia
  
• Promedio, filtros y ventanas
  
• Análisis de octava completa y fraccionada
  
• Rainflow
  
• Detección de pico y raíz media cuadrática (RMS)

Además, el software de NI incluye técnicas de visualización avanzadas para mostrar y analizar rápidamente técnicas de procesamiento.

Administración de datos

Durante más de 30 años, los ingenieros y científicos han estado produciendo datos técnicos utilizando hardware y software de NI con una consideración limitada de lo que sucede con los datos después. La verdad es que los datos pueden ser costosos, especialmente en casos de aplicaciones estructurales y sísmicas. En el monitoreo estructural y sísmico, el evento transitorio que debe registrarse no puede registrarse fácilmente, como es el caso de los eventos sísmicos. Para rectificar esto, NI ofrece una solución de administración de datos de tres etapas que brinda almacenamiento de archivos flexible y organizado, capacidades de búsqueda extensa y un entorno de posprocesamiento interactivo.

Figura 8. La solución de administración de datos técnicos de NI incluye archivos de datos, NI DataFinder y NI DIAdem.

Para cumplir con los tres requisitos, la solución de administración de datos técnicos (TDM) de NI consta de tres componentes: el modelo de datos TDM para almacenar información descriptiva con archivos de pruebas, NI DataFinder para buscar y extraer datos de pruebas independientemente del formato de archivo y el software NI DIAdem para el análisis y la elaboración de reportes.  

Figura 9. DIAdem proporciona un entorno interactivo para el posprocesamiento de grandes conjuntos de datos, incluyendo generación automática de reportes, análisis avanzado y capacidades de visualización de datos.

Este documento analizó las cuatro tecnologías clave para las pruebas estructurales y el monitoreo de condición: sistemas de sensores multimodal, acondicionamiento de señales de precisión, sistemas de medidas distribuidos y software, y cómo NI los incorpora en sus soluciones.