Evaluatie rapport All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Oost- en Westdijk Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 1 van 19
Inhoudsopgave Pagina Algemeen 3 - Aanleiding - Doelstelling - Afbakening - Beschrijving sensorsysteem - Data-acquisitie - Installatie - Limitatie sensorsysteem in AIO SVT Deel A Pipingbakken (Oost en Westdijk) 6 - Beschrijving sensortoepassing - Interpretatie van de sensoren - Functioneren sensoren Oostdijk - Conclusie werking sensoren Oostdijk - Functioneren sensoren Westdijk - Conclusie werking sensoren Westdijk Deel B Pipingbakken (Oost en Westdijk) 15 - Analyse Deel C Pipingbakken (Oost en Westdijk) 16 - Meerwaarde voorspellingen Bijlage 1, Oost en Westdijk 17 Bijlage 2, Opbouw sensoren 18 Bijlage 3, Volledige Annotatielijst TNO 19 Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 2 van 19
Algemeen Aanleiding Met onze deelname in voorgaande experimenten hebben wij getracht sensortechniek geschikt te maken voor toepassing in waterkeringen om daarmee optredende faalmechanismen te detecteren. In de tussentijd is het sensorontwerp verfijnd en verbeterd. Daarmee vormt het AIO SVT een ideaal experiment om evaluerend karakter van de metingen te toetsen. Doelstelling Doelstelling van onze deelname aan het AIO SVT is om de geschiktheid van de toegepaste sensortechniek aan te tonen die gericht is op waterkeringen en optredende faalmechanismen. Afbakening De focus van Koenders Instruments beperkt zich tot de ontwikkeling en mogelijke praktische inzet van sensortechniek. Het uiteindelijke product zal een full-service monitoringsconcept zijn wat naast sensortechniek ook uit de aspecten dataverwerkingsystemen en visualisatiesystemen bestaat. De focus van Koenders Instruments is om te komen tot een nauwkeurig, duurzaam (stabiel), eenvoudig en economisch implementeerbaar product. Algemene Beschrijving sensorsysteem Koenders Instruments heeft een aantal jaar geleden voor andere Ijkdijk experimenten, de SDP (Smart Dike Probe) ontwikkeld. Het initiële ontwerp ging uit van het principe dat de probes uit diverse meetparameters kan worden opgebouwd. De samenstelling van elke probe hangt af van de uiteindelijke plaatsing in de dijk, de dijkopbouw en het te verwachten te bemeten faalmechanisme. Daaruit is de SDT (Smart Dike Tube) voortgekomen. Deze probe heeft geïntegreerde verschillende geïntegreerde sensoren. De behuizing is flexibel en is in verschillende stijfheden beschikbaar. Daarmee kan de SDT zowel horizontaal als verticaal in een dijkvak ingebracht worden. Toegepaste uitvoering voor het AIO experiment: Voor dit experiment is de SDT uitgerus met de volgende sensoren: - temperatuur via Glasvezel (±1% FS*) - Rek via glasvezel (±0,5% FS*) * FS betekent Full Scale, ofwel volledig meetbereik. Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 3 van 19
De sensorbehuizing bestaat uit pvc-buizen. Daarop zijn aan weerszijde van de buitenzijde in een groef glasvezelkabels geplaatst. Deze glasvezels zijn, op vaste afstanden van elkaar, voorzien van fiber bragg grating (FBG) sensoren die rek meten. Aan de binnenzijde van de pvc-buizen is een enkele glasvezelkabel geplaatst, welke eveneens op vaste afstanden van elkaar is voorzien van FBG sensoren. Deze FGB sensoren meten temperatuur. Doorsnede pvc-buis Temperatuurglasvezelkabel rekglasvezelkabels FBG sensoren in kabel Figuur 1. Sensoropbouw Data-acquisitie De sensoren zijn ontworpen om statisch te meten (meetinterval tussen 1/minuut tot 1/24 uur). De data wordt in een centraal data-acquisitiesysteem opgeslagen voor verdere verwerking. Het data-acquisitiesysteem moet in staat zijn om analoge, digitale en optische signalen te verwerken. Wanneer gewerkt wordt met meerdere meetraaien kan er gekozen worden om deze via verschillende las/connectiedozen te koppelen, waarmee een geheel netwerk van meetraaien met één acquisitiesysteem uit de voeten kan. Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 4 van 19
Installatie De SDT s kunnen zowel verticaal als horizontaal geïnstalleerd worden. De gewenste maatvoering van de SDT bepaalt de installatiemethode. In het AIO experiment zijn de verticale SDT probes na handboring handmatig in het boorgat geplaatst. De horizontale streng is in een, met de hand gegraven, geul gelegd. Vervolgens is de gleuf handmatig weer opgevuld met zand. Dit zou eventueel ook machinaal kunnen. Daarbij zijn de reksensoren, in dit experiment, per SDT zo geïnstalleerd dat deze altijd naar het noorden en zuiden zijn gericht. Limitatie sensorsysteem voor AIO SVT Voor het AIO SVT experiment is vanwege de projectdoorlooptijd uiteindelijk alleen gekozen om de glasvezel componenten in de SDT te plaatsen. De oorzaak hiervan is de onverwachte lange productietijd van de solid state sensoren. Daarmee zou de uiterste installatiedatum overschreden worden. Ondanks het weglaten van de solid state sensoren is de projectdoorlooptijd voor ons alsnog te kort geweest om de SDT probes te plaatsen op de locaties die wij voor ogen hadden. In eerste instantie zou er in de Oost/Westdijk een horizontale SDT worden neergelegd op het zandbed onder in de dijk. Deze voorgenomen locatie zou een goed inzicht in het faalmechanisme piping geven. Doordat de productie van de sensor achterbleef op de planning konden we niet tijdig, tijdens de bouw van de dijk, de sensorstreng plaatsen. Vandaar dat uiteindelijk in overleg met Deltares door Koenders Instruments is gekozen om in de Oost/Westdijk 4 verticale SDT probes te plaatsen om daarmee het mechanisme overtopping als primair faalmechnisme te detecteren. Bovenstaande limitaties beïnvloeden niet de metingen, maar mogelijk wel de specifiek vooraf gedefinieerde te verwachten resultaten. Het is echter niet vast te stellen in hoeverre- en óf deze beïnvloeding een negatief dan wel positief effect heeft. Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 5 van 19
Deel 1 A Pipingbakken (Oost en Westdijk) Beschrijving sensortoepassing In de onderstaande tekening staan de toegepaste SDT probes in de piping bakken visueel afgebeeld. Dit is inclusief de exacte plaatsingscoördinaten en sensordieptes per probe. In de bijlage 1 is een volledige tekening bijgevoegd. Illustratie 2A Illustratie 2B Per SDT probe worden 3 parameters gemeten: A: reksensorstreng; noordelijk gericht; B: reksensorstreng; zuidelijk gericht; C: temperatuursensorstreng; gecentreerd in de probe. Per sensorstreng zijn op 6 dieptes sensoren gesitueerd (zie tekening 2B). Daarbij wordt de bovenste sensor als nr. 1 genummerd en de onderste sensor als sensor 6. Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 6 van 19
In het analyserapport deel worden de grafieken getoond. Daarin wordt alleen verwezen naar de SDT nummers. Per grafiek worden de gegevens van één specifieke sensorstreng voor alle aanwezige en/of werkende sensoren weergegeven. Voor de Oost/Westdijk zijn dus de volgende nummers van toepassing: Probenummer 5.1 (oostdijk) 5.2 (oostdijk) 5.3 (westdijk) 5.4 (westdijk) Rek-noord Grafiek 5.1A Grafiek 5.2A Grafiek 5.3A Grafiek 5.4A Rek-Zuid Grafiek 5.1B Grafiek 5.2B Grafiek 5.4B Grafiek 5.4B Temperatuur Grafiek 5.1C Grafiek 5.2C Grafiek 5.3C Grafiek 5.4C* Tabel 1 * De temperatuurstreng in de SDT probe 5.4 was defect. Na installatie worden de probes via verlengkabels aan elkaar gekoppeld, zodat er maar een enkele kabel richting het dataacquisitiesysteem loopt. Het vermoeden is dat na installatie ergens in de koppeling een breuk is ontstaan waardoor de sensor nooit heeft gemeten. Interpretatie van de sensoren Temperatuursensoren: De temperatuursensoren geven als autonoom functionerende parameter indicaties over het gedrag van de dijk, maar dienen ook ter controle van de reksensoren. Een bepaalde uitslag van een reksensor kan het gevolg zijn van een temperatuurwijziging. Stabiele temperatuur waarnemingen impliceren naast een constante temperatuur in de dijk ook dat eventuele compressie of uitzetting van de reksensoren niet het gevolg is van temperatuur, maar van pure zetting, dan wel beweging. Wanneer er een temperatuurwijziging in één van de temperatuursensoren in één SDT optreedt zou dit kunnen duiden op de werking van een faalmechanisme (bijv. stroming van water in de dijk). De temperatuursensoren mogen onderling wel een andere temperatuur aangeven, omdat deze ook in verschillende grondlagen van de dijk aanwezig zijn. De belangrijkste voorwaarde is dat de verschillende temperatuursensoren wel in een gelijke trend met elkaar fluctueren. De temperatuur wordt gemeten in º Celsius. Reksensoren: Elke SDT probe is voorzien van 2 strengen van reksensoren. Deze strengen zijn exact tegenover elkaar op 180º gepositioneerd. Eén in noordelijke richting en één in zuidelijke richting. Optioneel zouden de SDT probes van 3 strengen kunnen worden voorzien om zo deformatie in X-Y en Z te kunnen meten. In beide experimenten kijken de beide rek-sensorstrengen in noordelijke en zuidelijke richting. Daarmee kunnen ze zowel compressie als rek mee meten. De rek wordt gemeten in Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 7 van 19
microstrain. Een negatieve microstrain waarde van bijv. -1200 betekent een compressie van 1,2 mm op 1 meter. Andersom betekent bijv. +600 microstrain een rek van 0,6 mm op 1 meter. Voorbeeld: In deze grafiek van SDT 5.1 probe zijn de meetreeksen te zien van de zuidelijke reksensor in de Oostdijk. Op de geplotte stippellijn geven de verschillende sensoren de volgende waardes: 5.1B_1: + 60 µε 5.1B_2: + 60 µε 5.1B_3: + 275 µε 5.1B_4: - 200 µε Grafiek 1 5.1B_5: -1170 µε 5.1B_6: - 300 µε Een visuele (sterk overdreven) weergave van de SDT zou op dit moment in de tijd (60 uur na start meting) er zo uitzien: + 5.1B_1 = + 60 µε - 5.1B_2 = + 60 µε 5.1B_3 = + 275 µε 5.1B_4 = - 200 µε 5.1B_5 = - 1170 µε 0 5.1B_6 = - 300 µε Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 8 van 19
Functioneren sensoren Oostdijk In de onderstaande 6 grafieken staan de meetresultaten van de probes 5.1 en 5.2. Deze SDT probes waren in de Oostdijk geplaatst. In de grafieken zijn verticale assen geplot met nummers 1 t/m 9. Deze assen vertegenwoordigen een aantal door ons geselecteerde annotaties (zie tabel 2) uit de annotatielijst van TNO. TNO heeft deze annotaties aan een tijdstempel gekoppeld die in de grafieken overeenkomen met de tijdseenheid van de metingen op de X-as. De volledige annotatielijst is als bijlage 4 van dit rapport opgenomen. Oostdijk: Annotations nr Omschrijving Date time time elapsed EAST Start 21/08/2012 13:10:00 EAST 1 Water level 1.4m 22/08/2012 11:10:00 22:00 EAST 2 First well discovered 23/08/2012 9:16:00 44:06 EAST 3 Head raised to 1.8m 23/08/2012 17:30:00 52:20 EAST 4 Head raised to 2m 24/08/2012 13:17:00 72:07 EAST 5 Head raised to 2.3m 25/08/2012 16:07:00 98:57 EAST 6 Head raised to 2.5m 25/08/2012 21:15:00 104:05 EAST 7 Head raised to 3m 26/08/2012 8:38:00 115:28 EAST 8 Head raised to 3.2m 26/08/2012 11:50:00 118:40 EAST 9 Head raised to 3.4m 27/08/2012 7:18:00 138:08 Faillure East dike 27/08/2012 9:03:00 139:53 Tabel 2 Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 9 van 19
Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 10 van 19
Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 11 van 19
Functioneren sensoren Westdijk In de onderstaande 6 grafieken staan de meetresultaten van de probes 5.3 en 5.4. Deze SDT probes waren in de Westdijk geplaatst. In de grafieken zijn verticale assen geplot met nummers 10 t/m 19. Deze assen vertegenwoordigen een aantal door ons geselecteerde annotaties (zie tabel 3) uit de annotatielijst van TNO. TNO heeft deze annotaties aan een tijdstempel gekoppeld die in de grafieken overeenkomen met de tijdseenheid van de metingen op de X-as. De volledige annotatielijst is als bijlage 4 van dit rapport opgenomen. Westdijk: WEST Start 21/08/2012 14:40:00 WEST 10 Water level 1.4m 22/08/2012 11:10:00 20:30 WEST 11 Water level 1.6m 23/08/2012 14:46:00 48:06 WEST 12 Head raised to 2m 24/08/2012 7:01:00 64:21 WEST 13 DMC tubes (lower + upper) are in function 24/08/2012 9:53:00 67:13 WEST 14 Head raised to 2.1m 24/08/2012 13:17:00 70:37 WEST 15 Head raised to 2.2m 25/08/2012 5:15:00 86:35 WEST 16 Head raised to 2.5m 25/08/2012 9:53:00 91:13 WEST 17 Lower DMC tube closed 25/08/2012 12:00:00 93:20 WEST 18 upper DMC tube closed 25/08/2012 13:43:00 95:03 WEST 19 Head raised to 3.2m 25/08/2012 17:01:00 98:21 Faillure West dike 26/08/2012 7:17:00 114:07 Tabel 3 Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 12 van 19
Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 13 van 19
Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 14 van 19
Deel 1 B Pipingbakken (Oost en Westdijk) Analyse Zowel de Oostdijk als de Westdijk zijn beide in het oostelijke gedeelte bezweken ten hoogte van de SDT 5.1 (Oostdijk) en SDT 5.3 (westdijk). De bezwijking is tevens in de verderop liggende SDT 5.2 (Oostdijk) en SDT (5.4) van beide dijken te zien. Weliswaar geeft de grafiek van SDT 5.2 een minder uitgesproken uitslag dan de SDT 5.1 en geeft grafiek van SDT 5.3 eveneens een minder uitgesproken uitslag dan de SDT 5.4, maar in beide gevallen is er een duidelijke correlatie tussen beide grafieken te zien (5.1 en 5.2 / 5.3 en 5.4). M.a.w. Ondanks dat de bezwijking in het oostelijke deel van beide dijken plaats vond hebben de westelijke sensoren dit eveneens waargenomen. De ingeplotte annotaties in de beide dijken (oostdijk nr. 1 t/m 9 en westdijk 10 t/m 19) laten duidelijk zien dat de probes meestal binnen drie uur na de gebeurtenis reageren op de externe activiteiten, zoals vermeld in de complete annotatielijst van TNO. De directe reactie van de probes op de veranderende situatie in de beide dijken geeft voldoende aanleiding om in combinatie met software algoritmes vroegtijdig alarmeringen af te geven. Conclusie werking sensoren Oostdijk De temperatuursensoren laten gedurende het experiment een constante temperatuur zien, waarmee is vast te stellen dat deze correct hebben gemeten en geen invloed hebben gehad op de rekmetingen. Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 15 van 19
De reksensoren vanuit grafiek 5.1A en 5.1B en respectievelijk uit grafiek 5.2A en 5.2B zouden een tegenovergesteld beeld van elkaar moeten laten zien om zodoende een compressie dan wel rek correct waar te nemen. Dit is in grote lijnen ook het geval. Daaruit kan worden geconcludeerd dat de reksensoren een waarheidsgetrouw beeld geven. Zowel de meetreeksen van SDT 5.1 als van SDT 5.2 vertonen bij dezelfde annotaties in de tijd dezelfde trendmatige veranderingen. Er kan gesproken worden over een correlatie tussen beide sensoren. Conclusie werking sensoren Westdijk De temperatuursensoren laten gedurende het experiment een constante temperatuur zien, waarmee is vast te stellen dat deze correct hebben gemeten en geen invloed hebben gehad op de rekmetingen. De reksensoren vanuit grafiek 5.3A en 5.3B en respectievelijk uit grafiek 5.3A en 5.3B zouden een tegenovergesteld beeld van elkaar moeten laten zien om zodoende een compressie dan wel rek correct waar te nemen. Dit is in grote lijnen ook het geval. Daaruit kan worden geconcludeerd dat de reksensoren een waarheidsgetrouw beeld geven. Zowel de meetreeksen van SDT 5.3 als van SDT 5.4 vertonen bij dezelfde annotaties in de tijd dezelfde trendmatige veranderingen. Er kan gesproken worden over een correlatie tussen beide sensoren. Deel 1 C Pipingbakken (Oost en Westdijk) Meerwaarde voorspellingen Wij beschikken helaas niet over ingenieurs met de juiste expertise en opleidingen die een voorspellende waarde kunnen geven, aan de hand van real-time inhoudelijke data-analyse, over welk faalmechanisme (type en signaal) in welke mate en op welk moment zou kunnen gaan optreden. Voor ons, als sensorontwikkelaar, is het einddoel sensortechniek te hebben die correcte meetsignalen meet en blijft doorgeven. Het hoogst haalbare resultaat daarbij is het aanleveren van meetgegevens die vroegtijdig een verschil in de gemeten parameters (tilt, temperatuurwijzigingen, toe- of afname van waterspanning) laten zien. Het is aan de achterliggende software en om de gemeten wijzigingen juist te interpreteren en er een voorspellende waarde aan te geven. Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 16 van 19
Bijlage 1: Oost/Westdijk Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 17 van 19
Bijlage 2: opbouw sensoren Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 18 van 19
Bijlage 3 Volledige Annotatielijst TNO Rapportage Oost en Westdijk All In One Sensor Validatie Test (AIO SVT) Pagina 19 van 19