Passzív optikai érzékelő

A fiber bragg grating (FBG-) érzékelő egy passzív optikai érzékelő, amelynek az alapja a klasszikus optikai kommunikációban használt egymódusú szál. Az optikai szál magjában egy rácsstruktúrát hoznak létre, amellyel a szál magjának a törésmutatóját modulálják a rács hosszában. Ennek hatására a szálba injektált széles sávú fényből visszaverődik egy keskeny sávú fény. Ha a szál hossztengelye mentén a rácsperiódus megváltozik (nyúlás vagy összenyomódás hatására), a visszavert hullámhossz (bragghullámhossz) eltolódik. Ez a hullámhossz-el-to-lódás lineáris kapcsolatban van a nyú-lás-sal. Az FBG-érzékelő szerkezeti felépítése és spektrumképe az 1. ábrán látható.

A híd szerkezeti felépítése

A híd feszített, öszvér felszerkezetű, bordás lemezhíd. A főtartók szerepét két darab, vasbetonnal együttdolgozó gerinclemezes acéltartó tölti be, amelynek alsó övlemezére támaszkodnak az előre gyártott vasbeton pályalemezek. A főtartók és a pályalemezek együttdolgozását monolit vasbeton zóna, valamint hosszirányú utófeszítés biztosítja. A vasúti pálya átvezetését a pályalemezbe integrált kétblokkos keresztaljakkal oldották meg. Ez a szerkezeti felépítés lehetőséget adott a szerkezeti magasság csökkentésére az eredetileg tervezett, ágyazatátvezetéses, gerinclemezes felszerkezethez képest. A híd felszerkezetének kialakítása a 2. ábrán látható.

A szenzorok elhelyezése

A felszerkezet egyedi jellege miatt a MÁV Zrt., mint a műtárgy leendő üzemeltetője, olyan online monitoringrendszer telepítését írta elő, amely képes a híd alakváltozásait, valamint az összefeszített elemek esetleges relatív elmozdulásait érzékelni, regisztrálni. A mérési pontok és mérési módszer meghatározásánál ez a követelmény volt a fő szempont. A szimuláció alapján beazonosíthatók voltak azok a kritikus keresztmetszetek, ahová érzékelők elhelyezése javasolt. A lehajlásból eredő igénybevételek méréséhez érdemes volt az érzékelőket a semleges tengelytől a lehető legnagyobb távolságra telepíteni, így biztosítva a mérési jelek megfelelő amplitúdóját.

A híd konstrukciója is már elég egyértelműen megszabta a lehetséges mérési pontokat. A legalkalmasabb és legtöbb információt szállító pontoknak a főtartó külső és felső élén lévő, valamint a főtartó alsó-belső élén lévő pontokat jelölte meg a tervező. A híd aljára egy-egy szenzor került, a legnagyobb terhelésnek kitett középső két pályalemez egymáshoz képesti elmozdulását figyelendő. A maradó feszültségek mérésére még további három érzékelőelemet helyeztünk el az egyik középső pályalemezen belül, ugyancsak a híd alatt. Ezzel a mérési konstrukcióval tehát mérhetővé vált a híd alakváltozása, valamint a pályalemezek és a főtartók öszvér-kapcsolata is. A szenzorok pontos elhelyezése a 2. ábrán látható. A legnagyobb amplitúdójú lehajlás – a kéttámaszú szerkezet jellegéből adódóan – a hídnyílás középső részén mérhető.

Az adatgyűjtő és -feldolgozó rendszer

Az optikai szenzorrendszer központi egysége az úgynevezett interrogátor, amely két részből áll. Az egyik az optikai jelek adására-vételére szolgáló rész, míg a másik a feldolgozórész, amely egy beépített ipari PC. Az interrogátor biztosítja az érzékelők számára a széles spektrumú fényforrást és fogadja a szenzorok által visszavert keskeny sávú fényt. Az adatgyűjtő egység óránként továbbítja az összes szenzornak egy átlagolt mérési eredményét a MÁV központi Műtárgy Monitoring Rendszerébe (MMR). Továbbá minden vonat-áthaladásról egy 50 Hz-es mintavételi frekvenciával végzett mérést is továbbít a rendszer, ami az áthaladás előtti 5 s-tól, az áthaladás utáni 150 s-ig tart.

Mérési eredmények

A híd építését követő próbaterhelés során lassú és gyors vonatáthaladásokat, valamint három különböző statikus teherállást vizsgáltunk annak érdekében, hogy a rendszert kalibráljuk és a nyúlásértékeket, lehajlásokat rögzítsük. A próbaterhelést egy M62 sorozatú, úgynevezett Szergej típusú mozdonnyal végezték. A 3. ábrán egy lassú áthaladás eredménye látható a híd hossztengelye mentén elhelyezkedő három szenzor esetében. A mérési eredmények alapján kirajzolódik a mozdony két tengelycsoportja, valamint látható az időeltolódás a három szenzor jelei között.

Összefoglalás

A MÁV Zrt.-vel együttműködve egy optikaiszál-alapú online felügyeleti rendszert telepítettünk és teszteltünk az egyedi szerkezeti kialakítású érdi híd esetében. Optikai szenzorként FBG-érzékelőket használtunk, amit a híd több keresztmetszetén helyeztünk el oda, ahol egy telepítést megelőző szimuláció alapján a legnagyobb mechanikus igénybevételek keletkezhetnek. A próbaterhelés során sikeres teszteket végeztünk, amelyek során meghatároztuk az egyes szenzorok esetében a maximális nyúlásértékeket, továbbá ezek segítségével a szenzorkalibrációkat is beállítottuk. Az optikaiszál-alapú FBG-érzékelőkkel működő rendszer folyamatos mérési eredményeket szolgáltat az üzemeltető számára, és hozzájárul a híd hosszú távú biztonságos fenntartásához.