Пристрій для пошуку електромагнітних маркерів

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний в апаратурі для визначення координат і корозійних обстежень підземних нафто-, газо- і продуктопроводів. Аналогами для даного технічного рішення можуть служити геофізичні інформаційновимірювальні системи, які складаються з генераторного і вимірювальних блоків, блока живлення, генераторної і приймальної індуктивних рамок [1, 2]. До недоліків цих приладів слід віднести складність конструкції, значні габарити, маса та енергоспоживання. Найбільш близьким по технічній суті (прототипом) є електромагнітна пошукова система, яка складається з генераторної і приймальної індуктивних рамок, генератора прямокутних імпульсів струму, підсилювача напруги, двох електронних ключів, блока перемноження, блока виділення максимуму, генератора еталонної частоти, лічильника імпульсів і цифрового генератора, причому генераторна індуктивна рамка приєднана до виходу генератора імпульсів струму, до виходу синхронізації якого під'єднані перші входи управління першого і другого електронних ключів, приймальна індуктивна рамка приєднана до входу підсилювача напруги, вихід якого з'єднаний з аналоговим входом першого електронного ключа, до виходу якого через блок перемноження під'єднаний вхід блока виділення максимуму, вихід якого з'єднаний з другими входами управління першого і другого електронних ключів, вихід генератора еталонної частоти з'єднаний з аналоговим входом другого електронного ключа, а до виходу останнього приєднані послідовно з'єднані лічильник імпульсів і цифровий індикатор [3]. До недоліків прототипу слід віднести низьку завадостійкість до регулярних і випадкових завад і малу глибинність пошуку електромагнітних маркерів. Задачею винаходу є підвищення завадостійкості і глибинності виявлення електромагнітних маркерів. Для вирішення цієї задачі в пристрої для пошуку електромагнітних маркерів, який складається з задаючого генератора, підсилювача змінної напруги, електронного ключа, індикатора, генераторно-приймальної індуктивної рамки і джерела постійної напруги додатково введені формувач імпульсів управління, високовольтний перетворювач напруги, перетворювач напруги в струм, конденсатор, тиристор, двосторонній діодний обмежувач, обчислювальний перетворювач і перетворювач напруги в частоту, причому до виходу задаючого генератора приєднаний вхід формувача імпульсів управління, до виходу джерела постійної напруги підключені послідовно з'єднані високовольтний перетворювач напруги і перетворювач напруги в струм, до виходу якого приєднані незаземлена обкладка конденсатора і анод тиристора, вхід управління високовольтного перетворювача напруги з'єднаний з першим виходом формувача імпульсів управління, до другого і третього виходів якого приєднані відповідно управляючий електрод і катод тиристора, до катоду тиристора приєднані також незаземлені вивід генераторно-приймальної індуктивної рамки і вхід двостороннього діодного обмежувача, до виходу цього обмежувача приєднаний вхід підсилювача змінної напруги, вихід якого з'єднаний з першим нерухомим контактом електронного ключа, другий нерухомий контакт якого з'єднаний з шиною "земля", до перемикаючого контакту електронного ключа приєднані послідовно з'єднані перетворювач напруги в частоту і індикатор, а об'єднані входи управління електронного ключа і обчислювального перетворювача підключені до четвертого виходу формувача імпульсів управління. Додатково введені елементи в своїй сукупності не являються складовою частиною жодного з відомих технічних рішень для пошуку і обстеження підземних протяжних струмопровідних комунікацій, зокрема, магістральних трубопроводів, що дає підставу віднести вказані відмінні ознаки до категорії суттєвих і вважати, що заявлений пристрій відрізняється новизною. На фіг.1 представлена структурна схема заявленого пристрою, де також показаний розміщений над об'єктом електромагнітний маркер; на фіг.2 - епюри імпульсів напруги і струму в різних точках пристрою; на фіг.3 розкрита структура одного із можливих варіантів обчислювального перетворювача. Заявлений пристрій для пошуку електромагнітних маркерів складається з задаючого генератора 1, формувача імпульсів управління 2, джерела постійної напруги 3, високовольтного перетворювача напруги 4, двостороннього діодного обмежувача 5, перетворювача напруги в струм 6, підсилювача змінної напруги 7, конденсатора 8, електронного ключа 9, тиристора 10, обчислювального перетворювача 11, перетворювача напруги в частоту 12, індикатора 13 і генераторноприймальної індуктивної рамки 14. Формувач імпульсів управління містить одновібратори 15 - 17, логічний елемент "І" і формувач імпульсів запуску 19 тиристора 10. На фіг.1 цифрами 20, 21 і 22 позначені відповідно аналоговий вхід, вхід управління і вихід обчислювального перетворювача 11, а цифрою 23 - грунт, в якому над трубопроводом 24 розміщений електромагнітний маркер 25. До виходу задаючого генератора 1 приєднаний вхід формувача імпульсів управління 2. До виходу джерела постійної напруги 3 підключені послідовно з'єднані високовольтний перетворювач напруги 4 і перетворювач напруги в струм 6, вихід якого приєднаний в точку з'єднання незаземленого виводу конденсатора 8 і анода тиристора 10. Вхід управління високовольтного перетворювача напруги 4 з'єднаний з першим виходом формувача імпульсів управління 2, до другого виходу якого підключений управляючий електрод тиристора 10. До третього виходу формувача імпульсів управління 2 приєднані незаземлений вхід двостороннього діодного обмежувача 5 і незаземлений вивід генераторно-приймальної індуктивної рамки 14. Вихід двостороннього діодного обмежувача 5 з'єднаний з входом підсилювача змінної напруги 7, до виходу якого під'єднаний перший нерухомий контакт електронного ключа 9. Другий нерухомий контакт цього ключа приєднаний до шини "земля". До перемикаючого контакту ключа 9 підключені послідовно з'єднані обчислювальний перетворювач 11, перетворювач напруги в частоту 12 і індикатор 13, а до четвертого виходу формувача імпульсів управління 2 підключені входи управління електронного ключа 9 і обчислювального перетворювача 11. Обчислювальний перетворювач 11 складається з дозуючого конденсатора 26, електронного ключа 27, диференціального підсилювача 28, діодів 29 і 31, накопичуючого конденсатора 30 і розрядного резистора 32 (фіг.3). Принцип дії заявленого пристрою полягає в наступному. Задаючий генератор 1 виробляє на своєму виході послідовність прямокутних імпульсів з частотою f 0 (діаграма 1 на фіг.2). Під дією додатнього фронта n-го імпульса запускається одновібратрр 15 (в формувачі імпульсів 2), який виробляє на своєму виході імпульс тривалістю (n1 - число імпульсів з виходу задаючого генератора 1) і паузою Через n1 + n2 імпульсів тактової частоти в одновібраторі 15 знову встановлюється чутливість по входу і на його виході знову формується імпульс тривалістю q, тобто під дією тактових імпульсів на виході одновібратора 15 утворюється імпульсна послідовність, показана на діаграмі 2 на фіг.2. Імпульс в з виходу одновібратора 15 поступає на один із входів логічного елемента "І" 18, на другий вхід якого подається сигнал з виходу генератора 1. В результаті на виході логічного елемента "І" 18 формується імпульсна послідовність, показана на діаграмі 3 на фіг.2, яка використовується для управління високовольтним перетворювачем напруги 4, на виході якого виробляється високовольтна імпульсна напруга амплітудою де E0 - напруга на виході джерела постійної напруги 3, а K1 - коефіцієнт пропорціональності. Високовольтра імпульсна напруга перетворюється з допомогою перетворювача 6 в імпульси струму амплітудою де K2 = const - коефіцієнт перетворення. Під дією кожного імпульсу конденсатору 8 віддається заряд струму Сумарний заряд, що повідомляється конденсатору 8 за n1 імпульсів qS = n1q, тобто конденсатор 8 заряджається до напруги де C - ємність конденсатора 8, тобто останній одержує енергію Під дією заднього фронту імпульса q з виходу одновібратора 15 на другому і третьому виходах формувача імпульсів управління, тобто на виходах формувача імпульсів запуску 19, формується короткий імпульс тривалістю ~(50 - 80)мкс, під дією якого відкривається тиристор 10 і конденсатор 8 розряджається на генераторно-приймальну індуктивну рамку 14 індуктивністю L, при цьому електрична енергія ec перетворюється в магнітну eL і через рамку протікає імпульс струму синусоїдальної форми (діаграма 4 на фіг.2) амплітудою Imi (I Є A = 0, 1, 2, 3, ..., i - номер зондуючого імпульса). В результаті генераторно-приймальна індуктивна рамка 14 випромінює електромагнітне поле напруженістю H1. Під дією цього поля в маркері 25, що представляє собою резонансний LC контур, виникають замикаючі електромагнітні коливання з частотою f c = 1/TC. Якщо вибрати ємність C конденсатора 8 і індуктивність L рамки 14 за умовою то ці коливання будуть мати максимальне значення. Електромагнітні коливання в маркері 25 породжують електромагнітне поле напруженістю H2. Під дією цього поля в генераторно-приймальній індуктивній рамці 14 наводиться електрорушійна сила у вигляді заникаючих коливань. Епюра сигналу на індуктивній рамці 14 з врахуванням первинного і вторинного електромагнітних полів показана на діаграмі 5 на фіг.2. З виходу генераторно-приймальної індуктивної рамки 14 сигнал подається на двосторонній діодний обмежувач 5, який служить для обмеження до рівня (1 - 2)В імпульсів напруги самоіндукції, які виникають в моменти відкривання і закривання тиристора 10. В реальних умовах амплітуда E напруги самоіндукції складає величину ~500В. Після обмеження імпульса напруги самоіндукції сигнал через вузькосмуговий підсилювач змінної напруги 7 подається на вхід електронного ключа 9. Управління роботою цього ключа здійснюється з допомогою одновібраторів 16 і 17 в формувачі імпульсів управління 2. Одновібратор 16 служить для формування імпульсів затримки tз @ (30 60)мкс (діаграма 6 на фіг.2), необхідної для вилучення із загального сигналу з виходу рамки 14 імпульсів напруги самоіндукції (діаграма 5 на фіг.2), а з допомогою одновібратора 17 формується імпульс тривалістю T0 @ (0,5 - 1)мс (діаграма 7 на фіг.2), на протязі якої співвідношення інформативної складової сигналу (заникаючих коливань) на виході підсилювача 7 до шумової складової більше одиниці. Під дією імпульса з четвертого виходу формувача імпульсів управління 2 (вихід одновібратора 17) на вхід обчислювального перетворювача 11 поступає сигнал через електронний ключ 9 в проміжках часу T0. На протязі решти часу між зондуючими імпульсами (діаграма 4 на фіг.2) вхід обчислювального перетворювача 11 з допомогою ключа 9 приєднаний до шини "земля". Таким чином на вхід обчислювального перетворювача 11 подається сигнал, представлений на діаграмі 8 на фіг.2, де Aij - j-a амплітуда i-го заникаючого відеоімпульса. Під дією цього сигналу на виході обчислювального перетворювача 11 утворюється постійна напруга де K0 -масштабний коефіцієнт перетворення, середнє значення величини рахунок шумової складової є яка за випадковою величиною, Алгоритм роботи обчислювального перетворювача 11, представленого на фіг.3, описується наступним різницевим рівнянням де C1 і C2 - ємності конденсаторів 26 і 30, R - опір резистора 32. Розв'язок цього рівняння для середніх значень і знаходиться методом математичної індукції і при початковій умові U(0) = U0 має вигляд тобто для цього обчислювального перетворювача Після закінчення перехідного процесу (коли вагова функція визначається рівнянням (1), тобто лінійно залежить від середнього значення сигналу від маркера 25 в інтервалі часу T0 при фіксованій відстані h між генераторно-приймальною рамкою 14 і маркером 25 (фіг.1). Постійна напруга перетворюється в частоту з допомогою перетворювача 12 і реєструється індикатором 13, наприклад, головними телефонами. При відсутності маркера 25 тобто сигнал на виході індикатора відсутній. При повороті індуктивної рамки на 90°, тобто, коли її площина співпадає з віссю маркера, сигнал на виході індикатора теж зникає. За рахунок подвійної фільтрації інформативного сигналу за допомогою вузькосмугового фільтра 7 і обчислювального перетворювача 11 забезпечується суттєве придушення високочастотних завад, наведених на індуктивну рамку 14 і шумів вхідних каскадів, тобто збільшується глибинність і, відповідно, надійність виділення закопаних в грунт маркерів.