Багатоканальна електромагнітна пошуково-вимірювальна система

Багатоканальна електромагнітна пошукововимірювальна система, що складається з ближньої і дальньої до обстежуваної комунікації пар намотаних на окремих феритових осердях приймальних та калібраційних котушок, калібраційного генератора, резистора, вмикача, блока попередніх підсилювачів, блока вузькосмугових підсилювачів, блока перетворювачів змінної напруги в постійну, обчислювального блока, блока індикаторів і генератора змінного струму, в якій до виходу калібраційного генератора через вмикач під'єднані незаземлений вивід калібраційної котушки ближньої пари безпосередньо і незаземлений вивід калібраційної котушки дальньої пари через резистор, незаземлені виводи приймальних котушок ближньої і дальньої пар підключені до першого і другого виходів блока попередніх підсилювачів, до першого і другого виходів якого під'єднані перший і другий входи блока вузькосмугових підсилювачів, перший і другий виходи якого з'єднані з аналогічними входами блока перетворювачів змінної напруги в постійну, перший і другий виходи блока перетворювачів підключені до першого і другого входів обчислювального блока, до першого, другого і третього виходів якого під'єднані ВІДПОВІДНІ ВХОДИ блока індикаторів, а вихід генератора змінного струму поєднується до обстежуваної комунікації, додатково введені випромінювально-приймальна індукційна котушка, генератор імпульсів струму і антена, причому до незаземленого виходу генератора імпульсів струму під'єднані незаземлений вивід випромінювальноприймальної індукційної котушки та третій вхід блока попередніх підсилювачів, а до четвертого входу останнього під'єднана антена, до третього і четвертого виходів блока попередніх підсилювачів приєднані ВІДПОВІДНІ входи блока вузькосмугових підсилювачів, до аналогічних виходів якого підключені третій і четвертий входи блока перетворювачів змінної напруги в постійну, третій і четвертий виходи якого з'єднані ВІДПОВІДНО З четвертим і п'ятим входами індикаторів СО ^ о Ю Ю Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для пошуку місць розміщення підземних протяжних струмопровідних комунікацій Він ДОЗВОЛЯЄ визначати координати діючих кабелів електропередач, електрозв'язку, телекомунікацій, магістральних трубопроводів, місця пошкодження їх ізоляції та оперативно локалізувати функціонально важливі вузли та елементи Відомий ДЛЯ ЦІЄЇ ЦІЛІ пристрій, який складається з трьох приймальних індуктивних перетворювачів, індикатора нуля, індикатора рівня, шарніра з проградуюваною шкалою, регулятора підсилення, перемикача, підсилювача, амплітудного дефектора та вихідного індикатора [1] Цей пристрій складний в експлуатації і характеризується недостатньою точністю вимірювання глибини залягання комунікацій, зокрема трубопроводів, обумовленого тим, що глибина визначається по шкалі кута нахилу індукційного перетворювача при мінімальному показі вихідного індикатора Вказаний пристрій має обмеженні функціональні можливості, які не дозволяють оперативно здійснювати пошук функціонально важливих елементів комунікацій та визначати місця пошкодження їх ізоляції Другим аналогом для заявлюваного технічного рішення може служити пристрій, що містить ближній і дальній до грунту приймальні індукційні 55043 перетворювачі, блок віднімання, два керовані підсилювачі змінної напруги, джерело опорної напруги, елемент порівняння, два перетворювачі змінної напруги в постійну і вихідний індикатор [2] До недоліків цього пристрою слід віднести низьку точність і оперативність вимірювання глибини залягання трубопроводів Це обумовлено тим, що у ньому відсутні шукач ВІСІ І ДЛЯ виконання цієї операції потрібен ще один прилад При використанні двох приладів практично тяжко встановити глибиномір на вісь трубопроводу Крім цього у пристроях [1] і [2] не передбачена можливість наскрізного оперативного калібрування всього вимірювального тракту, включаючи приймальні індукційні перетворювачі (котушки) Найбільш близьким по технічній суті до заявленого об'єкта є пристрій, що складається з ближньої і дальньої до обстежуваного підземного трубопроводу пар намотаних на окремих феритових осердях приймальних та калібраціиних котушок, калібраційного генератора, резистора, включателя, блоку попередніх підсилювачів, блоку вузькосмугових підсилювачів, блоку перетворювачів змінної напруги в постійну, обчислювального блоку, блоку індикаторів і генератора змінного струму, причому до виходу калібраційного генератора через включатель під'єднані послідовно з'єднані резистор і незаземлений вивід калібраційної котушки дальньої пари та незаземлений вивід калібраційної котушки ближньої пари, незаземлені виводи приймальних котушок ближньої і дальньої пар підключені до першого і другого входів блоку попередніх підсилювачів, до першого і другого виходів якого підключені аналогічні входи блоку вузькосмугових підсилювачів, перший і другий виходи цього блоку підключені до аналогічних входів блоку перетворювачів змінної напруги в постійну, виходи блоку перетворювачів під'єднані до входів обчислювального блоку, до виходу останнього підключені входи блоку Індикаторів, а вихід генератора змінного струму поєднується до обстежуваного трубопроводу [3] (прототип) В прототипі відсутні недоліки аналогів [1,2], але він, визначаючи вісь і глибину залягання підземного трубопроводу, не забезпечує оперативний пошук і точну локалізацію його функціонально важливих елементів та точну розмітку вздовж осі даних внутрітрубного обстеження або обстеження з поверхні землі Крім цього він практично не виявляє безконтактним методом місця пошкодження ізоляції підземного трубопроводу, а значить місця його кородування Задачею винаходу є розширення функціональних можливостей Для вирішення цієї задачі в багатоканальній електромагнітній пошуково-вимірювальній системі, що складається з ближньої і дальньої до обстежуваної підземної комунікації пар намотаних на окремих феритових осердях приймальної та калібраційної котушок, калібраційного генератора, резистора, включателя, блоку попередніх підсилювачів, блоку вузько смугових підсилювачів, блоку перетворювачів змінної напруги в постійну, обчислювального блоку, блоку індикаторів і генератора змінного струму, в якому до виходу калібраційного генератора через включатель під'єднані незаземлений вивід калібраційної котушки ближньої пари безпосередньо і незаземлений вивід калібраційної котушки дальньої пари через резистор, незаземлені виводи приймальних котушок ближньої і дальньої пар підключені до першого і другого входів блоку попередніх підсилювачів, до першого і другого виходів якого під'єднані перший і другий входи блоку вузькосмугових підсилювачів, перший і другий виходи якого з'єднані з аналогічними входами блоку перетворювачів змінної напруги в постійну, перший і другий виходи блоку перетворювачів підключені до першого і другого входів обчислювального блоку, до першого, другого і третього виходів якого під'єднані ВІДПОВІДНІ входи блоку індикаторів, а вихід генератора змінного струму поєднується до обстежуваної комунікації, додатково введені випромінювально-приймальна індукційна котушка, генератор імпульсів струму і антена, причому до незаземленого виходу генератора імпульсів струму підключений незаземлений вивід випромінювально-приймальної індукційної котушки та третій вхід блоку попередніх підсилювачів, а до четвертого входу останнього під'єднана антена, до третього і четвертого виходів блоку попередніх підсилювачів під'єднані ВІДПОВІДНІ ВХОДИ блоку вузькосмугових підсилювачів, до аналогічних виходів якого підключені третій і четвертий входи блоку перетворювачів змінної напруги в постійну, третій і четвертий виходи якого з'єднані ВІДПОВІДНО з четвертим та п'ятим входами блоку індикаторів Додатково введені в багатоканальну електромагнітну пошуково-вимірювальну систему елементи широко використовуються в різноманітних інформаційно-вимірювальних системах, але окремо вони не володіють властивостями, які забезпечили б вирішення поставленої задачі Такими властивостями володіє лише їх запропонована сукупність, тобто, вступаючи у взаємодію, признаки сукупності надають заявленій системі нову якість, яка відповідає критерію "суттєві ВІДМІННОСТІ" Суть винаходу пояснюється за допомогою креслень де на фіг 1 показана структурна схема заявленого технічного рішення, а фіг 2 ілюструє просторове розміщення його елементів Багатоканальна електромагнітна пошукововимірювальна система складається з генератора імпульсів струму 1, калібраціиних 2 і 3 та приймальних 4 і 5 котушок ВІДПОВІДНО ближньої і дальньої пар, намотаних на окремих феритових осердях, випромінювально-приймальної котушки 6, антени 7, резистора 8, калібраційного генератора 9, блоку попередніх підсилювачів 10, включателя 11, блоку вузькосмугових підсилювачів 12, генератора змінного струму 13, блоку перетворювачів змінної напруги в постійну 14, обчислювального блоку 15 і блоку індикаторів16 Цифрами 17 і 18 позначені клеми виходу генератора 13 До незаземленого виходу генератора імпульсів струму 1 під'єнаний незаземлений вивід випромінювально-приймальної котушки 6 і третій 55043 вхід блоку попередніх підсилювачів 10 Незаземлений вивід калібраційні котушки 2 з'єднаний з аналогічним виводом котушки 3 через резистор 8 В точку з'єднання виводу котушки 3 і резистора 8 через включатель 11 під'єднаний вихід генератора 9 Незаземлені виводи котушок 4 і 5 підключені ВІДПОВІДНО до першого і другого входів блоку попередніх підсилювачів 10, до четвертого входу якого під'єднана антена 7 До першого і другого виходів блоку 10 підключені перший і другий входи послідовно з'єднаних блоку вузькосмугових підсилювачів 12, блоку перетворювачів 14, обчислювального блоку 15 До третього і четвертого виходів блоку 10 підключені ВІДПОВІДНІ входи блоку 12, до аналогічних виходів якого під'єднані третій і четвертий входи блоку 14, а третій і четвертий виходи останнього підключені ВІДПОВІДНО до четвертого і п'ятого входів блоку індикаторів 16 До перших трьох виходів блоку 15 підключені ВІДПОВІДНІ входи блоку індикаторів 16 Виходи генератора змінного струму 13 (клеми 17 і 18) під'єднуються до обстежуваного трубопроводу (на фіг 1 не показаний) На фіг 2 БП І ДП ближня і дальня пари приймальних і калібраціиних катушок, Ш - штанга, А - антена, Р - рознім, К з'єднувальний кабель, "Сотр" - вимірювальний пристрій, що містить блок попередніх підсилювачів, блок вузькосмугових підсилювачів, включатель, калібраційний генератор, генератор імпульсів струму, блок перетворювачів змінної напруги в постійну, обчислювальний блок і блок індикаторів, М - електромагнітний маркер, що представляє собою коливний LC - контур, Т труба, Г - грунт, GN - генератор змінного струму Багатоканальна електромагнітна пошукововимірювальна система забезпечує знаходження ВІСІ підземного трубопроводу і вимірює глибину його залягання Крім цього вона здійснює виявлення безконтактним методом місць пошкодження ізоляції трубопроводу і оперативно локалізує його функціонально важливі елементи, що позначені електромагнітними маркерами Заявлена система працює наступним чином Нехай приймальні котушки 4 і 5 розміщені над трубопроводом на віддалі d між собою і розташовані на штанзі Ш паралельно в площині, перпендикулярній ВІСІ трубопроводу (див Фіг 2) При протіканні від генератора GN по закопаному в грунті Г трубопроводі Т змінного струму І (t), кругом нього виникає магнітне поле, силові лінії якого представляють собою концентричні кола в площині, перпендикулярній до ВІСІ трубопроводу Напруженості магнітного поля на відстанях h і h+d від ВІСІ труби визначаються із співвідношень 1 2тіп та H 2 (t) = 2тг(И + d) де h - відстань між віссю труби та віссю ближньої пари котушок БП Під ДІЄЮ випромінюваною трубою магнітного поля в приймальних котушках виникають електрорушійні сили (є р с ) e-i(t) і e2(t), які ВІДПОВІДНО пропорційні Hi(t) та H2(t) E p c e-i(t) і e2(t) подаються на перший і другий входи блоку попередніх підсилювачів 10 На виходах блоку 10 утворюються напруги U2(t)=k-ie2(t) та Au(t)=k-iAe(t), де Ae(t)=ei(t)-e 2 (t), ki - коефіцієнт підсилення першого і другого каналів блоку підсилення 10 Напруги U2(t) та Au(t) далі підсилюються за допомогою першого і другого каналів блоку вузькосмугових підсилювачів 12 і на першому і другому виходах останнього утворюються напруги U 2 *(t)=kik 2 e 2 (t) і Au*(t)=kik 2 Ae(t), де к2- коефіцієнт підсилення першого і другого вузькосмугових підсилювачів блоку 12 Напруги u2*(t) і Au*(t) поступають на перший і другий входи блоку перетворювачів 14, на ВІДПОВІДНИХ виходах якого утворюються ПОСТІЙНІ напруги U2=kik2k3E2Ta Ди=кік2к3ДЕ, де кз - масштабний коефіцієнт першого і другого перетворювачів блоку 14, ДЕ=Еі-Е 2 , а Еі і Е 2 - амплітудні значення є р с на виходах ближньої і дальньої приймальних котушок Напруги U 2 1 Ди поступають на перший і другий входи обчислювального пристрою 15, який здійснює обчислення глибини h та амплітуди струму l m втрубі за формулами h=d ДЕ Т а =d АЕ : (-і) Результати обчислень подаються на цифрові індикатори в блоці 16 (перший і другий входи) Для пошуку ВІСІ трубопроводу напруга Ди в обчислювальному блоці 15 перетворюється в звуковий сигнал, який подається на звуковий індикатор блоку 16 (третій вхід) Пошук ВІСІ трубопроводу здійснюється по різницевому сигналу Ді/ наступним чином Коли приймальні котушки в ближній і дальній парах розміщені від трубопроводу далеко, наведені в них електрорушійні сили e-i(t) та e 2 (t) майже рівні і різнецевий сигнал Д е ф ^ О При наближенні котушок до ВІСІ трубопроводу Ae(t) зростає і над віссю трубопроводу (див фіг 2) досягає максимального значення Дет, що відповідає максимальній частоті звукового сигналу в звуковому індикаторі блоку 16 Як і в прототипі так і в заявленій системі при визначенні ВІСІ трубопроводу по Д е т зменшується вплив магнітних полів від сусідніх комунікацій і, ВІДПОВІДНО, зростає імовірність правильного пошуку трубопроводу і точність визначення ВІСІ, глибини залягання трубопроводу та амплітуди протікаючого по ньому струму Наявність в заявлюваніи системі калібраціиних котушок 2 і 3, які індуктивне зв'язані з приймальними котушками 4 і 5, калібраційного генератора, резистора 8 та включателя 11 забезпечує можливість калібровки і перевірки правильності роботи всього вимірювального тракту як в лабораторних , так і в польових умовах в процесі виконання пошуково-обстежувальних робіт Це підвищує надійність і продуктивність роботи Пошук за допомогою заявленої системи закопаних над функціонально важливими елементами трубопроводу електромагнітних маркерів (фіг 2) відбувається наступним чином Генератор імпульсів струму 1 (на фіг 2 це GNI) виробляє на виході імпульси струму тривалістю, 55043 рівною або кратною періоду власних коливань маркера М (фіг 2), які подаються у випромінювально-приймальну котушку 6 (на фіг 2 це ВПК) В момент закінчення дії кожного імпульсу струму котушці 6 надається енергія LL2 де L - індуктивність котушки 6 Після закінчення дії імпульса струму накопичена котушкою 6 енергія випромінюється в навколишнє середовище Під дією випромінюваного котушкою 6 (ВПК)імпульсу магнітного поля в маркері М (фіг 2)в паузі між імпульсами струму виникають заникаючі електромагнітні коливання і він випромінює вторинне електромагнітне поле Частота власних коливань LC-контура в маркері лежить в межах від 77,0кГц до 169,0кГц і залежно від обстежуваної комунікації складає - 77,0кГц для телевізійних кабелів, - 83,0кГц для газопроводів, -101,4кГц для телекомунікацій, -121,6кГц для каналізаційних комунікацій, - 145,7кГц для водопроводів, - 169,8кГц для енергетичних мереж Магнітна складова випромінюваного котушкою маркера електромагнітного поля реєструється на поверхні грунту Г котушкою 6 3 виходу випромінювальноприймальної котушки імпульсний сигнал подається на третій високоомний вхід блоку попередніх підсилювачів 10 з вмонтованим діод ним обмежувачем, який служить для обмеження амплітуди імпульсу напруги самоіндукції, що виникає на котушці 6 в момент закінчення чергового імпульсу струму Після обмеження амплітуди імпульсу напруги самоіндукції сигнал через третій попередній підсилювач блоку 10 і третій вузькосмуговий підсилювач блоку 12 поступає на третій вхід блоку перетворювачів змінної напруги в постійну 14 Постійна напруга з виходу блоку 14, яка пропорційна середньому значенню заданого числа екстремальних значень імпульсного коливного сигналу на котушці 6, поступає на четвертий вхід блоку індикаторів 16 Пошук здійснюється місць шляхом пошкодження ізоляції реєстрації електричної 8 складової електричного поля, що випромінюється підземною комунікацією при протіканні в ній змінного струму від під'єднаного до неї генератора 13 При цьому враховується факт, що електрична і магнітні складові випромінюваного трубопроводом поля є взаємоортогональні Тому, якщо розмістити над бездефектним трубопроводом антену перпендикулярно до ВІСІ останнього, то наведений в ній сигнал дорівнюватиме нулю При наявності в трубопроводі місць пошкодження ізоляції частина протікаючого по ньому струму витікатиме в ґрунт, що призведе до виникнення електромагнітного поля, вектор напруженості електричної складової якого не співпадатиме з аналогічним вектором поля, що випромінюється трубою При цьому в перпендикулярно розміщеній до ВІСІ трубопроводу антені виникне електричний потенціал, який є інформацією про наявність дефекту в ізоляції трубопровода або в ІНШІЙ комунікації Для реалізації описаного принципу в заявленій системі використовується антена 7, сигнал з якої через четверті канали послідовно з'єднаних блоків 10, 12 і 14 подається на п'ятий вхід блоку індикаторів 16 Таким чином заявлена багатоканальна електромагнітна пошуково-вимірювальна система в порівнянні з прототипом, крім визначення ВІСІ та глибини залягання підземної комунікації, здійснює пошук електромагнітних маркерів та місць пошкодження ізоляції комунікацій, тобто володіє більш широкими функціональними можливостями, що забезпечує високу ефективність її використання для задач пошуку та обстеження підземних протяжних струмопровідних комунікацій Список використаної літератури 1 Ас 1471138 (СРСР) Безконтактний вимірювач струму в трубопроводі (Джала Р М , ВербинецьБЯ -Опубл 07 04 89 р в Б В 13 2 Гордієнко В І , Убогий В П , Ярошевський ЄВ Електромагнітне виявлення інженерних комунікацій і локальних аномалій - Київ Наукова думка, 1981, стор 180-181, рис 58 3 Патент 15042А, Україна Глибокомір (О А Вакульський, П П Драбич, В Г Дума - Опубл в Бюл №3, 1997 (прототип) 10 55043 Фіг.1 Фіг.2 Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24