Smartere, sikrere broer med Sandia-sensorer

Sammen med flyvende biler og øjeblikkelig teleportation, smarte broer, veje og metrolinjer, der kan udsende advarsler, når de er beskadiget, er en del af futuristiske transportsystemer i science fiction.

Sandia National Laboratories har arbejdet med Structural Monitoring Systems PLC, en U.K.-baseret producent af strukturelle sundhedsovervågningssensorer, i over 15 år for at gøre denne science fiction til science fact. De udstyrede en amerikansk bro med et netværk af otte realtidsfølere, der kunne advare vedligeholdelsesingeniører, når de opdager en revne, eller når en revne når en længde, der kræver reparation.

Næste uge, Sandia Senior Scientist Dennis Roach vil præsentere sit teams arbejde på den niende internationale konference om brovedligeholdelse, Sikkerhed og ledelse. Hans præsentation vil indeholde data om denne prøvebro, en generel vurdering af de anvendte sensorer og hans forslag til, hvordan strukturel sundhedsovervågning kan gøres mere rutinemæssig i transportinfrastruktur.

Målet med strukturel sundhedsovervågning er at øge tilsynet med kritiske områder, forlænge levetiden af ​​strukturer og i sidste ende reducere driftsomkostninger og forbedre sikkerheden. For at vurdere tilstanden af ​​en bro eller en anden form for transportinfrastruktur, sensorer er monteret på strukturen, og deres data skal analyseres korrekt.

I 2016, mere end 54, 000 broer i USA blev klassificeret som "strukturelt mangelfulde" af Federal Highway Administration's National Bridge Inventory. Det betyder, at omkring 9 procent af de amerikanske broer har brug for regelmæssig overvågning. "Områder, der er vanskelige at få adgang til eller ting, der er placeret på afstand som broer, rørledninger og andre kritiske strukturer udgør betydelige udfordringer for korrekt overvågning af strukturens eller udstyrets sundhed, "sagde Roach." Et netværk af strukturelle sundhedsovervågningssensorer kan være en løsning, eller i det mindste hjælpe med at sikre den nødvendige årvågenhed over for disse komponenter. "

For nylig, Sandia og strukturelle overvågningssystemer, som har en betydelig tilstedeværelse i Nordamerika, arbejdede sammen med Delta Air Lines Inc. og Federal Aviation Administration for at få Comparative Vacuum Monitoring sensorer industrien certificeret til revnedetektion på kommercielle fly. Roachs arbejde med strukturel sundhedsovervågning for kommercielle fly begyndte i 2001 gennem FAA's Airworthiness Assurance Center, som har været drevet af Sandia for FAA siden 1990.

'Idiotsikker' sammenlignende vakuumovervågningssensorer

Det strukturelle sundhedsovervågningssystem for forsøgsbroen består af otte komparative vakuumovervågningssensorer, en vakuumpumpe til at danne vakuumet, et kontrolsystem til at tænde for vakuumpumpen og periodisk kontrollere sensorerne og en trådløs transmitter for automatisk at ringe eller skrive til vedligeholdelsesingeniørerne, hvis en sensor opdager en revne. Hele systemet drives af et litiumionbatteri, som oplades af et solpanel.

Sensorerne blev placeret langs flere svejsninger på et fagværk 100 fod over dækket, eller flad vejbelægning, på en hængebro.

De sammenlignende vakuumovervågningssensorer produceret af Structural Monitoring Systems er lavet af tynde, fleksibel teflon og har rækker med små kanaler, kaldet gallerier. De kan sidde fast på kritiske samlinger eller svejsninger eller placeres i nærheden af ​​andre steder, der sandsynligvis vil dannes revner. Når metallet er helt, pumpen er i stand til at fjerne al luften fra gallerierne, danner et vakuum. Når der dannes en lille revne i metallet under sensoren, det kan ikke længere danne et vakuum, ligner, hvordan en støvsuger holder op med at fungere, når slangen har en lækage. Disse sensorer kan registrere revner, der er mindre end tykkelsen af ​​en krone.

Sensorerne kan fremstilles i mange forskellige former, afhængigt af den region, der skal overvåges, såsom på tværs af en lang svejsning eller omkring en række bolte. De kan endda placeres i en serie foran en lille revne, for at se om den vokser og i så fald hvor hurtigt. Hver sensor har mange kontrolgallerier og overvågningshardware, så den kan se, om der er noget galt med sensoren eller forbindelsesrørene. På grund af disse kontrolgallerier, sensorerne er praktisk talt idiotsikre.

Henry Kroker, en strukturel overvågningssystemingeniør, der spillede en nøglerolle i broovervågningsprojektet, sagde, "Komparative vakuumovervågningssensorer giver et elegant 'grønt lys, Red-Light 'metode til konstant at undersøge kritiske komponenter. I mange års forsøg og permanent brug i luftfarten og nu civile industrier, disse sensorer har ikke frembragt nogen falske opkald."

Fremtiden for strukturel sundhedsovervågning

Teamets arbejde med smart infrastruktur begyndte i 2005 gennem et Sandia-sponsoreret Laboratory Directed Research and Development-projekt. Projektet udforskede ved hjælp af monterede sensorer og trådløs dataoverførsel til løbende at overvåge en bred vifte af civile strukturer lige fra tungt mineudstyr til jernbanesystemer og broer. Disse sensorer kan overvåge sundheden for strukturer og mekaniske enheder ved at detektere tilstedeværelsen af ​​korrosion og revner og endda tilstanden af ​​kritiske bevægelige dele.

Roach og hans team bruger også piezoelektriske sensorer, fiberoptik og trykte virvelstrømssensorer til strukturel sundhedsovervågning. Trykte hvirvelstrømssensorer, en Sandia-patenteret teknologi, kan installeres på buede overflader og bruge ændringer i et magnetfelt til at detektere revner. På den anden side, et netværk af piezoelektriske sensorer kan overvåge et bredt område i stedet for blot nogle få patches. Hver sensor skiftes til at udsende en vibration gennem det underliggende materiale, som de andre sensorer modtager. Revner eller andre skader i sensornetværket ændrer "pitch" af disse vibrationer. Imidlertid, disse stigningsændringer er mere komplekse end "ja" eller "nej" resultaterne fra vakuummonitorerne. Comparative Vacuum Monitoring er klar og certificeret til kommerciel brug, de andre teknologier er stadig i forskellige stadier af laboratorie- og felttestning.

Tom Rice, den mekaniske testingeniør med ansvar for at teste forskellige strukturelle sundhedsovervågningssystemer, sagde "I 15 års test af sammenlignende vakuumovervågningssensorer, de har opnået en enorm track record for at producere pålidelig strukturel sundhedsovervågning. Når de bliver indarbejdet i flere systemer, på bekymringsområder, det skal bare lave fly, tog og broer sikrere, som tiden går."

Strukturel sundhedsovervågning er især god til svært tilgængelige eller fjerntliggende områder, men det er ikke et vidundermiddel til alle inspektionsbehov, sagde Roach. "Der er stadig masser af gange, når du vil have et menneske derinde med en lommelygte eller andet inspektionsudstyr, ræsonnere det ud." Med det forbehold, han tilføjede "Strukturel sundhedsovervågning er kun begyndt at ridse overfladen af ​​de forskellige typer af infrastruktur, den kunne bruges til."

Jernbanevogne og jernbanelinjer, skibe, vindturbine, kraftværker, fjerntliggende rørledninger, lagertanke, køretøjer, selv bygninger kunne drage fordel af realtid, ekstern strukturel sundhedsovervågning. "Den civile infrastrukturindustri bliver mere bevidst om de fordele, strukturel sundhedsovervågning kan give, og er nu interesseret i at bruge dem, " sagde Roach.