1

Retele de senzori, traductori inteligenti pentru monitorizarea constructiilor hidrotehnice

1. Lista aparatelor de măsură şi control şi poziţionarea lor In funcţie de tipul de baraj şi de la caz la caz, la baraje se utilizează, în vederea urmăririi comportării acestora în exploatare, aparatele de măsură prezentate în tabelul 1. Prezentarea nu este exhaustivă, un număr de alte opţiuni fiind prezentate ulterior. Tabel 1: Aparate de masură utilizate la monitorizarea barajelor hidrotehnice Aparatul de măsură Scopul Telemetrul Indică nivelul apei în lacul de acumulare. Termometrul Indică temperatura aerului. Teletermetrul Indică temperatura în beton Pluviometrul Indică cantitatea de precipitaţii din zona

barajului. Pendulul Indică deplasarea relativă a barajului. Pendulul invers Indică deplasarea absolută a barajului. Clinometrul Indică rotaţia secţiunilor barajului. Clemă dilatometrică, jointmetrul, teledilatometrul

Indică deplasările rosturilor.

Rocmetrul Indică deplasarea în plan vertical a barajului, deformaţiile rocii.

Dispozitiv vertical de tasare Indică tasarea în cazul barajelor din materiale locale

Extensiometrul Indică deformaţiile specifice în baraje Pressmetrul Indică starea de eforturi interioare Borne topografice şi staţii de triangulaţie Indică deplasările faţă de cele trei direcţii. Piezometrul şi telepiezometrul Indică supresiunea pe fundaţie. Debitmetrul Indică mărimea debitelor de apă infiltrate. Foraje de drenaj Indică mărimea debitelor de apă drenate Foraje hidrogeologice Indică nivelul apei subterane în fundaţie şi în

amplasament. Celule de presiune în pori Indică subpresiunea în fundaţie la baraje şi în

nucleul barajelor din materiale locale Accelerograf Indică acceleraţia seismică Seismograf Indică deplasările în urma seismului

După una dintre cele mai mari firmele specializate în monitorizarea barajelor, tipul aparatelor utilizate dar şi poziţionarea acestora în cazul unor diferite construcţii pentru baraje hidrotehnice poate fi urmărită în continuare. Întâi sunt prezentate simbolurile utilizate pentru senzori iar în figurile următoare sunt poziţiile acestora la diverse tipuri de baraje.

2

Un baraj clasic: Un dig:

3

2. Riscurile barajelor hidrotehnice Barajele hidrotehnice fac parte din aşa numita “infrastructură energetică critică”, CEI (Critical Energy Infrastructures), a căror vulnerabilitate la catastrofe naturale:

• Cutremure • Inundaţii • Furtuni

sau la alte evenimente, a căror producere, eventual în cascadă, pot provoca dezastre majore:

• Defectarea echipamentului • Erori umane • Sabotaje (o vulnerabilitate nouă pentru CEI)

trebuie atent studiată şi minimizată. Monitorizarea barajelor pentru reducerea vulnerabilităţii trebuie în mod obligatoriu să cuprindă, în afară de sistemul de supraveghere al barajului propriu-zis:

1. Monitorizarea presiunii apei 2. Masurarea în timp real a debitului de apă 3. Masurarea în timp real a nivelului de apă 4. Regularizarea descărcării bazinului 5. Monitorizarea stării conductelor

În acest fel se pot realiza, cu ajutorul unor echipe pregatite în prealabil şi dotate aşa cum trebuie, acţiuni preventive inainte ca lucruri ireparabile să se producă.

3. Tendinţe în monitorizarea barajelor hidrotehnice Există numeroase studii şi experimente destinate modernizării sistemelor de monitorizare. O introducere şi câteva tendinţe, cum sunt sistemele wireless şi senzorii cu fibră optică sau procedee noi sunt prezentate mai departe.

3.1 Senzori cu fibră optică Din multe puncte de vedere sezorii cu fibră optică sunt traductoarele ideale pentru monitorizarea constructiilor de mai mică sau mai mare dimensiune. Durabile, stabile şi insensibile la perturbaţii electrice, traductoarele din fibra optică sunt potrivite perfect pentru o urmărire pe durată lunga a starii construcţiilor hidrotehnice Exista un număr de tehnologii dezvoltate în ultimul timp care sunt deja testate şi gata să intre în exploaterea obişnuită, comercială, pentru aplicaţii din cele mai diverse. Pentru structuri civile cum ar fi poduri, tunele, baraje, construcţii de mari dimensiuni, parametrii cei mai relevanţi sunt:

• Parametrii fizici: - pozţie - deformare - înclinare - tensiuni mecanice - forţe - presiuni - acceleraţii

4

- vibraţii • Temperaturi • Marimi de natură chimică: - umiditata

- pH - concentraţii de substanţe diverse

• Parametrii de mediu: - viteza vântului - direcţia vântului - nivel radiaţii - nivel precipitaţii - concentraţii substante poluante Sezorii cu fibră optică au fost obiectul multor speranţe mergând până la utilizarea generalizată dar de fapt tehnologia este acum atractivă doar acolo unde oferă şi sunt necesare performanţe superioare, cum ar fi calitatea şi precizia, siguranţă, uşurinţa transferului spre sisteme automate de urmărire, instalare şi intreţinere uşoară iar în final preţul raportat la durata de viaţă. Introducere în senzori cu fibră optică Domeniul senzorilor cu fibră optică se află la intersecţia industriei optoelectronice cu aceea a comunicaţiilor prin fibră optică şi beneficiază de avantajele componentelor dezvoltate pentru aceste domenii. În primul rând acela că fibrele sunt facute din material dielectric, sticlă sau plastic. Apoi acela că semnalul de bază este format din fotoni, nu din purtători de sarcină cum sunt electronii. Alte avantaje sunt deasemenea importante. Sistemele fotodetectoare sau sursele cu dioade laser sunt mici şi uşoare. Imunitatea dielectricului la interferentă electromagnetică (EMI) este mare şi pot funcţiona alături de surse cu potential mare de interferenţă, cum sunt generatoarele de putere, circuitele de putere, sau motoarele electrice dar şi acolo unde pericolul descărcărilor electrice este mare (turnuri, avioane, poduri sau chiar baraje). Fibrele flexibile ofera versatilitate geometrică iar subţirimea este deasemenea un avantaj. Senzorii cu fibră optică pot fi împărţiţi în două categorii principale dupa cum se vede şi în figură:

1. Senzori extrinseci 2. Senzori intrinseci

Senzorii extrinseci sunt cei pentru care fibra optică acţionează ca mediu de propagare (transmisie/receptie) pentru semnalul luminos iar modularea semnalului cu semnal exterior are loc în afara fibrei. Senzorii intrinseci sunt cei pentru care semnalul exterior interacţionează direct cu fibra optică iar modularea semnalului are loc înăuntrul fibrei Senzorul extrinsec are o configuraţie de tip “black box” unde lumina cu parametrii stiuţi intră într-o regiune de modulare unde-şi schimbă unii dintre parametrii prin acţiunea unui semnale extern (perturbator). Senzorul intrinsec este format în intregime din fibră optică, lumina fiind modificată de o cauză exterioară care schimbă local condiţiile de propagare prin influenţa asupra frontierei fibrei. Senzorii extrinseci utilizaţi comercial includ senzori de poziţie liniară sau unghiulară pentru aviaţie, de temperatură, presiune, nivel, debit.

5

Senzorii intrinseci utilizaţi comercial includ senzori de rotaţie, acceleraţie, proprietăţi acustice, tensiune mecanică, presiune sau vibraţii.

Fiecare are avantaje şi dezavantaje. Senzorii extrinseci sunt de obicei:

• Mai puţin sensibili; • Mai uşor de utilizat; • Mai uşor de multiplexat; • Susceptibili de probleme de conectare.

Senzorii intrinseci sunt de obicei: • Mai sensibili; • Mai greu de utilizat, cu probleme de ecranare; • Dependenţi de un sistem mai complicat de demodulare; • Puţin susceptibili de probleme de conectare.

Din punct de vedere comercial, senzorii intrinseci sunt semnificativ mai scumpi dar sunt mai fiabili şi adaptabili. Ca o concluzie, se poate spune că indiferent de tip, principiul de operare este oarecum similar, un semnal exterior interferează cu o zonă sensibilă de-a lungul fibrei optice şi modifică intensitatea, polarizarea, spectrul sau faza semnalului luminos. La iesire semnalul luminos este măsurat fiind comparat cu semnalul original, din comparaţie rezultând valoare mărimii de măsurat. Senzori de temperatură Senzorii de temperatură cu fibră optică se bazează pe proprietăţile de absorbţie/transmisie ale cristalului semiconductor arseniura de galiu (GaAs). La capătul fibrei optice se află semiconductorul, cum se vede în desene:

teflon fibr a cristal

diel ectric

intrinsecextrinsec

fibra fibra

Modulatia lumini i

Perturbatie externa

Perturbatie externa

6

Efectul produs de variaţia temperaturii este acela că o dată cu modificarea temperaturii cristalului semiconductor spectrul semnalului transmis prin cristal suferă o deplasare a lungimii de undă, datorată distanţei energetice din cristal care se modifică cu temperatura. Sistemul de măsură cuprinde o sursă de lumină albă, un optocuplor pentru unda transmisă, cablul din fibră până la senzor care trebuie sa preia unda reflectată (de materialul dielectric), un alt optocuplor şi în fine un spectrometru. Rezultatul nu depinde de intensitatea semnalului ci doar de spectrul semnalului reflectat. Din acest motiv factori de perturbare sau atenuare ca lungimea fibrei sau numărul de conectori nu au efect. Mai mult, raspunsul cristalului fiind universal constant nu este nevoie de calibrarea senzorului. Senzori de deplasare Un sistem dezvoltat de firma SMARTEC din Elveţia, denumit SOFO, cu o rezoluţie de ordinul micronilor şi o stabilitate foarte bună pe durată mare de timp, utilizează interferometria pentru măsurarea diferenţelor între două fibre optice, una de măsură, a doua de referinţă, instalate pe structura ce trebuie monitorizată. Fibra de măsură este pretensionată şi ancorată de structură pentru a urmări deformaţiile acesteia în timp ce fibra de referinţă este liberă Ambele sunt puse într-un acelasi tub care poate avea de la 0,2 la 10 metri. Rezoluţia este de 2 µm independent de baza de măsură iar precizia de 0.2% la măsuratori după un an de utilizare. Sistemul era utilizat, la nivelul anului 2005, la mai mult de 150 de structuri diverse incluzând tunele, poduri, ziduri de sprijin, monumente istorice, centrale nucleare, baraje hidrotehnice dar şi la modele de studiu În figura următoare este un exemplu de sistem, ancorat la structura de fier beton a construcţiei.

7

Senzori de tensiune mecanică cu grilă Bragg

Grila Bragg este o alterare periodică a indicelui de refracţie a miezului unei fibre optice, care poate fi produsă prin expunerea acesteia la radiaţii intense în spectrul ultaviolet. Lungimea grilei este tipica de ordinul 10 mm. Dacă se introduce radiaţie electromagnetică în fibra astfel tratată, zona din spectru de lungimea de undă egală cu grila va fi reflectata iar celelalte zone ale spectrului nu vor fi modificate. Dar lungimea grilei depinde de tensiunea mecanica, pe de o parte, si de temperatură pe de alta este posibilă măsurarea acestor doi parametri analizând spectrul luminii reflectate (Kersey 1997). Acest lucru se face obişnuit utilizând un spectrometru sau un filtru acordat (cum ar fi cavitatea Fabry-Perot). Resolutii de ordinul 1 micron şi 0.1 °C pot fi obţinute. Interesul major al grilelor Bragg decurge din faptul că în cazul unei fibre se pot face mai multe grile, la diferite locaţii, corespunzatore unor diferite lungimi de undă. Astfel se pot măsura tensiuni mecanice în locuri diferite, pe o acelasi fibra de sticla. Pâna la 16 grile diferite pot fi plasate pe o aceeaşi fibră de sticlă. Lungimea tipică este de de 100 mm şi se pot instala în locul senzorilor convenţionali, prin lipire pe suprafete (Vohra et al. 1998) sau în beton, cu o protecţie mecanica potrivită. Senzori de tensiune mecanică Fabry-Perot Acest tip de senzor este constituit de un tub capilar de siliciu ce conţine o pereche despicată fibre optice aşezate faţă în faţă cu un spaţiu între ele de ordinul micronilor. Atunci cănd o lumina parcurge una dintre fibre, un semnal reflectat apare în spaţiul dintre fibre, semnal utilizat pentru a monitoriza spaţiul dintre fibre, spaţiu ce dă tensiunea medie între cele două puncte de fixare ale senzorului (Habel et al 1998), distanţa fiind obişnuit 10 mm). (Habel et al 1998 and Habel et al. 1994). Senzori Raman pentru distribuţii de temperatură Dispersia Raman este rezultatul interacţiunii neliniare dintre lumina ce parcurge fibra de sticlă şi siliciu, aflat la capătul fibrei. Semnalul reflectat va conţine două componente care au amplitudinea dependentă de temperatura locală de-a lungul fibrei. Prin analiza amplitudinii funcţie de timp şi corelarea cu viteza semnalului care dă informaţii asupra distantelor se poate obţine profilul termic de-a lungul fibrei la un moment dat (Dakin et al. 1986). Se obţin rezoluţii ale temperaturi de ordinul 1°C şi rezoluţie spatială mai mică de 1m pentru un domeniu de măsură ce poate ajunge la 10 km. Pentru un sistem de 30 km rezoluţiile ajung la 8 m şi 2°C. Un sistem bazat pe acest efect este prezentat în figură.

8

Senzori Brillouin pentru distribuţii de temperatură Senzorii de dispersie Brillouin au un potenţial mare pentru monitorizarea tensiunilor mecanice şi a temperaturilor distribuite (Karashima et al. 1990). Se pot măsura tensiuni mecanice şi temperaturi de-a lungul unor fibre de pâna la 50 km, cu o precizie spaţiala de ordinul metrilor. Pentru temperaturi senzorul Brillouin egalează performanţele sensorului de tip Raman dar pentru tensiuni mecanice distribuite nu are rival în acest moment. Dispersia Brillouin este rezultatul interacţiunii dintre semnale optice şi acustice (fononi) din fibrele optice. Undele acustice prin efect termic produc o modulare periodică, a indicelui de refracţie a fibrei. Dispersia se produce atunci când această grilă se reflectă într-o componentă deplasată în frecvenţă, asemănător efectului Doppler. Cel mai important lucru aici este că deplasarea de frecvenţă depinde atât de temperatură cât şi de tensiunea mecanică locală. Probleme tehnice apar deoarece nivelul semnalului este mic. Un sistem comercial a fost dezvoltat de firma japoneza ANDO şi este prezentat în figura următoare.

O concluzie poate fi obţinută din prezentarea ultimilor doi senzori, cu acţiune distribuită. Spre deosebire de senzorii localizaţi punctual, cei prezentaţi oferă caracteristici unice prin aceea că masoară parametrii pe întregă lungimea lor, care poate ajunge la kilometri. Ambele funcţionează asemnănător, un semnal optic de lungime de undă cunoscută este transmis şi parcurge senzorul. Prin efectul neliniar al interacţiunii fibrei cu siliciul o componentă ce poartă informaţii despre distribuţia mărimilor de-a lungul fibrei se reflectă inapoi. Exploaterea sigură a senzorilor cu acţiune distribuită Pentr siguranţa exploatării senzoruilor cu acţiune distribuită unele cerinţe trebuie îndeplinite, cerinţe comune pentru acest tip de senzori, Brillouin sau Raman:

• Fibra optică trebuie să fie compatibilă cu sistemul selectat, şi anume fibre cu mod de lucru singular (Brillouin) sau multiplu (Raman);

• Fibrele trebuiesc protejate faţă de acţiuni mecanice; • Proiectarea traseului trebuie să permită manipularea fără riscuri mecanice; • Cablul trebuie protejat de acţiunea apei sau a unor substanţe chimice corozive; • Pierderile optice trebuiesc minimizate; • Conectoarele trebuie să fie compatibile pentru întregul câmp de operare al

senzorilor.

9

3.2 Utilizarea tehnologiei wireless pentru monitorizarea construcţiilor În ultimii ani un mare număr de construcţii au utilizat variate tipuri de senzori fie ataşaţi suprafeţelor fie înglobaţi în structură. Măsurarea se face aproape făra excepţie prin conectarea la un sistem computerizat de achiziţie de date. Asta înseamnă şi conceperea unui plan pentru plasarea conductoarelor pe sau prin structură.Problemele pot fi mari la sistemele prin fir pentru mari construcţii sau aproape de nerezolvat. Impactul estetic sau chiar costurile pot pune mari probleme. Prin dezvoltarea actuală tehnologia wireless poate reduce sau elimina această dificultate. Două lucruri sunt importante la un sistem wireless.

1. Colectarea semnalelor la un centru aflat in sau lângă obiectivul monitorizat 2. Dezvoltarea metodei pentru a prelua, prelucra, monotoriza de la distantă

aceste semnale O problema importantă este aceea a standardelor naţionale sau internaţionale privind sistemele wireless. Uneori pot fi utilizate soluţii ad hoc, cu rezultate optime dar tendinţa este de a uniformiza setul de protocoale sau metodologii. O alta este integritatea transmisiilor de date acolo unde nivelul de perturbaţii electromagnetice este mare, provocat de pildă de echipamente de sudură. Cazul barajului “Winooski one” din Vermont, SUA, este prezentat pe scurt drept un exemplu de rezolvare ad hoc. Caz practic de utilizare tehnologie wireless Un sistem de senzori cu fibră optică a fost instalat începând cu anul 1992 la barajul hidrocentralei “Winooski one” din Vermont, SUA (9 Mw). Sistemul de aproximativ 75 de senzori, desi mult mai bun ca performanţe de măsură, în special la protecţia faţă de perturbaţiile electromegnetice mari specifice unei centrale electrice, a ridicat imediat probleme insurmontabile privind concentrarea la un singur punct central prin sistemul cu fire. A fost utilizat un sistem de radio telefonie. Semnalul optic al sistemului multiplu de senzori a fost transformat în echivalent electric, corespunzator spectrului audio, 300-4300 Hz şi apoi adaptat pentru transmisia radio. Pentru semnalele, numeroase, de frecvenţe mai mici decât banda aleasă, sub 200 Hz s-a facut o deplasare prin modulare. Semnalele de iesire ale senzorilor de vibraţii au fost mixate cu sinusoide de diferite frecvenţe. Senzorul 1 cu 1000 Hz, senzorul 2 cu 1300Hz, s.a.m.d., semnalul fiind transmis şi apoi reconvertit. Erorile au fost de sub 0.2% la o distanţa de ordinul sutelor de metri. Despre standarde wirewless Exista azi numeroase componente pentru comunicaţii wireless. De la cele de putri mici, de utilizare locală pâna la cele de putere mare care necesită aprobări speciale. Retelele locale wireless (WLAN) operând la 11 Mb/s sunt disponibile pentru distanţe de 300 m. Standardul IEEE 802.11 stabileste interoperabilitatea şi canale în banda 2.4 GHz. Unele produse permit utilizarea frecvenţelor multiple ceea ce poate minimiza interferenţele între canala adiacente. Deasemenea pot fi utile mai multe puncte de acces cu acoperire pe pe acelasi spaţiu fizic, iar dacă mediul electromagnetic se modifică senzorii vor utiliza punctul optim. Se poate apela şi la serviciul CDPD (cellular digital packet data) care utilizează canale voce pe reţeaua de telefonie celulară existentă, cu o viteză de tensmisie de 19,2 Kb/s. Experienţa a invalidat însă această opţiune datorită erorilor. A treia generaţie pentru telefonia mobilă va oferi desigur alte posibilităţi.

10

Integrarea senzorilor cu reţelele de comunicaţie a condus la o schimbare în domeniul măsurătorilor şi elaborarea în consecinţă a standardelor denumite P1451.x de către Comitetul Tehnic pentru Senzori al Societaţii pentru Masurări si Instrumentaţie a IEEE care defineşte un set de interfeţe de comunicaţie pentru conectarea senzorilor la sistemele cu microprocesoare, la reţele şi instrumente. O altă opţiune pentru sistemele wireless de senzori stă în dezvoltarea tehnicii BlueTooth de consum şi radiaţii mici, care, operînd în banda 2,45 Ghz e prevazută a fi operaţională curând.

3.3 Procedee moderne utilizate la senzorii pentru construcţii hidrotehnice Două grupe de senzori s-au impus în ultimul timp la măsuratorile de presiune şi nivel şi la masurătorile de debit. Piezometrul cu fir vibrator Piezometrul cu fir vibrator transformă presiunea apei într-un semnal de frecvenţă variabilă cu ajutorul unei diafragme, un fir de otel tensionat şi un electromagnet. Schimbarea presiunii pe diafragmă provoacă schimbarea tensiunii firului care, excitat electromagnetic vibrează la frecvenţa naturala de vibraţie, generează un semnal de o anumită frecvenţă care este transmis la dispozitivul de citire. Aici se procesează semnalul, se calibrează şi este apoi afişat în unităţile de măsură cerute. Utilizarea principală este masurarea presiunii interstiţiale a apei infiltrată în sol, aluviuni, rocă sau beton (figura). Sunt echipate obisnuit şi cu senzor de temperatură.

. Aceste măsurători sunt critice pentru evaluarea unor marimi importante:

• Stabilităţii pantelor bazinului; • Umplerea cu aluviuni sau crearea de bancuri de aluviuni; • Deteminarea proporţiilor sigure de umplere sau golire; Sunt deasemenea critice condiţiile de montaj ale senzorilor.

Măsurarea debitului cu debitmetrul cu pulsaţii acustice ASFM (Acoustic Scintillation Flow Meter) Formarea şi deplasarea unor pulsaţii acustice la o curgere turbulentă a lichidelor este fenomenul care stă la baza metodei de măsurare a debitului cu pulsaţii acustice prin conducte sau tunele cum sunt cele de la construcţiile hidrotehnice. Turbulenţa naturală este astfel utilizata pentru masurarea debitului. În figură este arătat schematic un sistem în funcţiune.

particule de sediment

pori intre particule umpluti cu apa

11

Două perechi generator/receptor de ultrasunete formând două căi transmisie/recepţie sunt plasate la marginile tunelului la distanţă mica una de alta, Dx. Semnalul variază aleator deoarece distribuţia turbulenţelor se schimbă de-a lungul căii de transmisie/recepţie. Dacă cele două cai sunt suficient de aproape forma semnalului, variaţiile la valori mai mari denumite şi scintilatii sau pulsuri, nu se schimba, doar deplasarea lor cu Dt. Viteza Dx/Dt poate fi evaluată şi deci şi debitul. Prin plasarea a trei perechi generator/receptor poate fi determinată si panta curgerii. Sistemul are următoerele avantaje:

• Măsurătoarea este non-intruzivă, nu sunt instrumente în spaţiul în care se petrece fenomenul;

• Nu e nevoie de margini regulate; • Usor de montat şi poate fi mutat; • Mărimea turbulenţelor nu influenţeaza măsuratoarea care implică o mediere a

rezultatului pe un interval mai lung de timp • Nu are parţi în mişcare

sem

nal

sem

nal

timp

timp cale cale