Багатофункціональна мікрокомп’ютерна електромагнітна пошуково-вимірювальна система

Багатофункціональна мікрокомп'ютерна електромагнітна пошуково-вимірювальна система, яка складається з першої калібрувальної та ближньої до осі комунікації вимірювальної котушок, намотаних на першому феритовому осерді, другої калібрувальної та середньої вимірювальної котушок, намотаних на другому феритовому осерді, третьої калібрувальної та дальньої вимірювальної котушок, намотаних на третьому осерді, генератора калібрувальних сигналів, першого і другого віднімачів напруги, формувача різниці потенціалів, першого і другого вибіркових підсилювачів, першого мультиплексора, першого і другого керованих підсилювачів напруги, першого і другого аналогоцифрових перетворювачів, мікрокомп'ютера і дисплея, в якій три пари калібрувальних і вимірювальних котушок розміщені на штанзі паралельно одна одній на однакових відстанях, виводи калібрувальних котушок приєднані до відповідних виходів генератора калібрувальних сигналів, початки ближньої і середньої вимірювальних котушок підключені до входів першого віднімача напруги, поча ПОШУКОВО (11) 1 ЕЛЕКТРОМАГНІТНА UA (54) БАГАТОФУНКЦІОНАЛЬНА ВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА ОПИС (19) ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ 3 Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для визначення координат і технічних характеристик підземних інженерних комунікацій (кабелів електропередач, ліній електрозв'язку, магістральних трубопроводів, телекомунікацій тощо). Відомий для цієї цілі безконтактний вимірювач струму в трубопроводі, який складається з трьох приймальних індукційних котушок, індикатора нуля, індикатора рівня, шарніра з шкалою обертання, регулятора підсилення, перемикача, підсилювача, амплітудного детектора і вихідного індикатора [1]. Недоліками цього пристрою є обмежені функціональні можливості і низька завадостійкість до завад, випромінюваних сусідніми комунікаціями. Відома також система, що складається з першої калібрувальної і вимірювальної котушок, намотаних на першому феритовому осерді, другої калібрувальної і вимірювальної котушок, намотаних на другому феритовому осерді, третьої калібрувальної і вимірювальної котушок, намотаних на третьому феритовому осерді, генератора калібрувальних сигналів, першого, другого і третього віднімачів сигналів, першого, другого і третього вибірних підсилювачів напруги, мультиплексора, керованого підсилювача напруги, амплітудного детектора, аналого-цифрового перетворювача, мікрокомп'ютера та дисплея [2]. Цей аналог здійснює пошук осі та вимірює глибину залягання комунікації, амплітуду струму і коефіцієнт його заникання вздовж осі за різницевими значеннями електрорушійних сил, наведених у вимірювальних котушках, тобто реалізує диференційний метод вимірювання, який суттєво підвищує завадостійкість системи при наявності поруч з обстежуваною інших комунікацій. Недоліком аналога [2] слід вважати обмежені функціональні можливості. Найближчою за технічною суттю є мікрокомп'ютерна електромагнітна пошуково-вимірювальна система, яка складається з першої калібрувальної і ближньої до осі комунікації вимірювальної котушок, намотаних на першому феритовому осерді, другої калібрувальної і середньої вимірювальних котушок, намотаних на другому феритовому осерді, третьої калібрувальної і дальньої вимірювальної котушок, намотаних на третьому осерді, генератора калібрувальних сигналів, першого і другого віднімачів напруг, формувача різниці потенціалів, першого і другого вибірних підсилювачів, мультиплексора, першого і другого керованих підсилювачів напруги, першого і другого аналого-цифрових перетворювачів, мікрокомп'ютера і дисплея, в якій три пари калібрувальних і вимірювальних котушок розміщені на штанзі паралельно одна одній на однакових відстанях, виводи калібрувальних котушок приєднані до відповідних виходів генератора калібрувальних сигналів, початки ближньої і середньої вимірювальних котушок підключені до входів першого віднімача напруг, початок середньої вимірювальної котушки приєднаний також до першого входу другого віднімача напруг, до другого входу якого підключений початок дальньої вимірювальної котушки, закінчення вимірювальних котушок приєднані до шини нульового потенціалу, 89101 4 виходи першого і другого віднімачів напруг відповідно через перший і другий вибірні підсилювачі приєднані до першого і другого аналогових входів мультиплексора, до виходу якого підключений вхід першого керованого підсилювача напруги, вихід цього підсилювача з'єднаний з входом першого аналого-цифрового перетворювача, цифровий вихід якого приєднаний до першої вхідної шини даних мікрокопмп'ютера, а вихід сигналу закінчення перетворення першого аналого-цифрового перетворювача приєднаний до шини управління мікрокомп'ютера, куди теж приєднані входи керування генератора калібрувальних сигналів, мультиплексора і першого керованого підсилювача та входи керування формувача різниці потенціалів і другого керованого підсилювача, вхід запуску другого аналого-цифрового перетворювача та його вихід сигналу закінчення перетворення, високоомні входи формувача різниці потенціалів служать для приєднання електродів, що не поляризуються, а вихід формувача різниці потенціалів через другий керований підсилювач підключений до входу другого аналого-цифрового перетворювача, вихід якого з'єднаний з другою вхідною шиною даних мікрокомп'ютера, а до виходу його даних приєднаний дисплей [3]. Недоліком прототипу є теж обмежені функціональні можливості і, як наслідок, низька ефективність при пошуку місць пошкодження ізоляції комунікацій. Задачею винаходу є розширення функціональних можливостей і ефективності обстеження підземних протяжних струмопровідних комунікацій. Для вирішення вказаної задачі багатофункціональна мікрокомп'ютерна електромагнітна пошуково-вимірювальна система, яка складається з першої калібрувальної і ближньої до осі комунікації вимірювальної котушок, намотаних на першому феритовому осерді, другої калібрувальної і середньої вимірювальних котушок, намотаних на другому феритовому осерді, третьої калібрувальної і дальньої вимірювальної котушок, намотаних на третьому осерді, генератора калібрувальних сигналів, першого і другого віднімачів напруг, формувача різниці потенціалів, першого і другого вибірних підсилювачів, першого мультиплексора, першого і другого керованих підсилювачів напруги, першого і другого аналого-цифрових перетворювачів, мікрокомп'ютера і дисплея, в якій три пари калібрувальних і вимірювальних котушок розміщені на штанзі паралельно одна одній на однакових відстанях, виводи калібрувальних котушок приєднані до відповідних виходів генератора калібрувальних сигналів, початки ближньої і середньої вимірювальних котушок підключені до входів першого віднімача напруг, початок середньої вимірювальної котушки приєднаний також до першого входу другого віднімача напруг, до другого входу якого підключений початок дальньої вимірювальної котушки, закінчення вимірювальних котушок приєднані до шини нульового потенціалу, виходи першого і другого віднімачів напруг відповідно через перший і другий вибірні підсилювачі приєднані до першого і другого аналогових входів першого мультиплексора, до виходу якого підключений вхід 5 89101 6 першого керованого підсилювача напруги, вихід го керованого підсилювача 18, вихід цього підсицього підсилювача з'єднаний з входом першого лювача з'єднаний з входом першого аналогоаналого-цифрового перетворювача, цифровий цифрового перетворювача 19, входи формувача вихід якого приєднаний до першої вхідної шини різниці потенціалів 11 приєднані до вхідних клем даних мікрокопмп'ютера, а виходи сигналу закін23 і 24, до виходу формувача 11 через другий кечення перетворення першого і другого аналогорований підсилювач 14 приєднаний перший вхід цифрових перетворювачів приєднані до шини другого мультиплексора 17, вихід якого з'єднаний управління мікрокомп'ютера, куди теж приєднані з входом другого аналого-цифрового перетворювходи керування генератора калібрувальних сигвача 20, виходи першого і другого аналогоналів, першого мультиплексора і першого керовацифрових перетворювачів з'єднані, відповідно, з ного підсилювача, а до виходу даних мікрокомп'юпершою і другою вхідними шинами даних мікрокотера приєднаний дисплей, високоомні входи мп'ютера 21, до вихідної шини якого приєднаний формувача різниці потенціалів служать для приєдисплей 22, до входу третього керованого підсиднання електродів, що не поляризуються, а вихід лювача 15 приєднана штирова антена 7, а його формувача різниці потенціалів з'єднаний з входом вихід з'єднаний з другим входом другого мультипдругого керованого підсилювача, до шини управлексора 17, а входи керування генератора калібління мікрокомп'ютера приєднані також входи керувальних сигналів 8, формувача різниці потенцірування формувача різниці потенціалів і другого алів 11, мультиплексорів 16 і 17, першого, другого керованого підсилювача, вхід запуску другого анаі третього керованих підсилювачів напруги 18, 14 і лого-цифрового перетворювача та його вихід сиг15, вхід запуску аналого-цифрового перетворюваналу закінчення перетворення, додатково містить ча 20 та виходи сигналу закінчення перетворення штирову антену, третій керований підсилювач і аналого-цифрових перетворювачів 19 і 20 приєддругий мультиплексор, причому штирова антена нані до шини управління мікрокомп'ютера 21. приєднана до входу третього керованого підсилюМікрокомп'ютерна система забезпечує визнавача, вихід якого з'єднаний з одним із входів дручення безконтактним індукційним методом осі та гого мультиплексора, до іншого входу якого приєглибини залягання підземної комунікації (трубопднаний вихід другого керованого підсилювача, а роводу), а також амплітуди струму, що по ній провхід керування другого мультиплексора і вхід затікає, і різниці амплітуд струму на одиниці довжини пуску другого аналого-цифрового перетворювача комунікації. Крім цього, вона здійснює вимірюванприєднані до шини управління мікрокомп'ютера. ня контактним методом різниці електричних потеДодатково введені елементи і зв'язки не є нціалів між трубою і поверхнею ґрунту над трубою, складовою частиною жодної з відомих інформаабо між поверхнею ґрунту безпосередньо над труційно-вимірювальних систем для пошуку і обстебою і ділянкою ґрунту дещо віддаленою від труби ження підземних комунікацій або для інших цілей, під прямими кутом до неї, а також різницю потенщо дає підставу віднести вказані відмінні ознаки ціалів між двома електродами, розміщеними над до категорії суттєвих і вважати, що система за трубою на заданій відстані від її осі. Крім цього, за винаходом відрізняється новизною. допомогою штирової антени вона забезпечує поСуть винаходу пояснюється за допомогою шук безконтактним методом місць пошкодження структурної схеми багатофункціональної мікрокоізоляції. мп'ютерної електромагнітної пошуковоПринцип дії мікрокомп'ютерної системи полявимірювальної системи, представленої на кресгає в наступному. ленні Фіг. Пошук осі трубопроводу і вимірювання глибиСистема складається з першої, другої і третьої ни його залягання h, амплітуди Іm струму I(t), що по калібрувальних котушок 1, 2 і 3, ближньої, середньому протікає, та градієнта його заникання ньої і дальньої вимірювальних котушок 4, 5 і 6, вздовж осі труби здійснюється за різницевими штирової антени 7, генератора калібрувальних значеннями електрорушійних сил, наведених в сигналів 8, першого і другого віднімачів напруги 9 і ближній, середній і дальній відносно осі комунікації 10, формувача різниці потенціалів 11, першого і вимірювальних котушках горизонтальною складодругого вибірних підсилювачів 12 і 13, першого, вою магнітного поля, що випромінюється комунідругого і третього керованих підсилювачів 18, 14 і кацією при протіканні по ній змінного струму I(t). 15, першого і другого мультиплексорів 16, 17, Для одержання максимальних значень електропершого і другого аналого-цифрових перетворюрушійних сил розміщені на штанзі котушки орієнвачів 19, 20, мікрокомп'ютера 21, дисплея 22 і має туються так, що їх осі розміщені перпендикулярно два високоомні входи 23, 24 для приєднання елекдо осі комунікації. В цьому випадку в ближній, датродів, що не поляризуються. Виводи калібрувальній і середній вимірювальних котушках 4, 5 і 6 льних котушок 1, 2 і 3 приєднані до відповідних наводяться електрорушійні сили e1(t), e2(t) і е3(t), виходів генератора калібрувальних сигналів 8, які подаються на входи віднімачів напруг 9 і 10. початки ближньої і середньої вимірювальних коПри цьому на входи 23 і 24 подаються потенціали тушок 4 і 5 приєднані до входів віднімача напруг 9, E1(t) і Е2(t) від розміщених над комунікацією електа до входів другого віднімача напруг 10 приєднані родів. початки середньої і дальньої вимірювальних котуПрийнятий штировою антеною 7 високочастошок 5 і 6, закінчення вимірювальних котушок 4, 5 і тний сигнал, що випромінюється підземною кому6 підключені до шини нульового потенціалу, вихонікацією при подачі в неї високочастотного струму ди першого і другого віднімачів напруг 9 і 10 через із спеціалізованого генератора, надходить на вхід вибірні підсилювачі 12 і 13 підключені до мультиптретього керованого підсилювача 15. лексора 16, вихід якого з'єднаний з входом першо 7 89101 8 Напруги e1(t), e2(t) і е3(t), зв'язані з горизонтаваній системі використовуються формувач різниці льними складовими напруженостей магнітного потенціалів 11, керовані підсилювачі 14 і 15, друполя в точках розміщення котушок гий мультиплексор 17 та другий аналого-цифровий перетворювач 20. I( t ) I( t ) I(t ) ; H3 ( t ) ; H1(t ) ; H2 ( t ) Обробка і перетворювання сигналів еш(t) та 2 h 2 h 2 2 h φ1(t) і φ2(t), здійснюється наступним чином. Змінні ( - відстань між осями вимірювальних котупотенціали φ1(t) і φ2(t), надходять на входи формушок) при ідентичності останніх за співвідношеннявача різниці 11 із смуговим фільтром на вході. На ми: виході формувача 11 утворюється різниця змінних e1 t 2 0 кfWSH t ; потенціалів ∆φ(t), яка через підсилювач 14 з кое1 фіцієнтом підсилення k4 подається на один із вхоe2 t 2 0 кfWSH t ; 2 дів мультиплексора 17. На другий вхід мультиплеe3 t 2 0 кfWSH t 3 ксора 17 надходить з виходу підсилювача 15 підсилений в к5 змінний сигнал еш(t). Коефіцієнти 7 Гн м - магнітна проникність де: 0 4 10 підсилення k4 і k5 підсилювачів 14 і 15 задаються мікрокомп'ютером 21, за допомогою якого здійсповітря; к - відносна магнітна проникність кожної нюється управління мультиплексором 17. Коли котушки з феритовим осердям; W - кількість витків відкритий перший канал мультиплексора 17, на у кожній котушці; S - площа середнього витка в аналоговий вхід подається підсилена в k4 рази кожній котушці; f - частота струму I(t). Математичрізниця потенціалів ∆φ(t), а коли командою з мікний вираз для визначення к наведений в [4]. рокомп'ютера 21 відкривається другий канал муУтворені на виході віднімачів 9 і 10 напруги льтиплексора 17, на аналоговий вхід аналогоe1 t k1 e1 t e2 t цифрового перетворювача 20 надходить змінна напруга k5 еш(t). Аналого-цифровий перетворювач та 20 теж містить на вході схему вибірки-зберігання і e2 t k1 e2 t e3 t в ньому відбуваються процеси, аналогічні тим, що (k1 - коефіцієнт підсилення по напрузі віднімапроходять у перетворювачі 19. Двійкові коди начів 9 і 10) через вибірні підсилювачі 12 і 13, налапруг, пропорційних ∆φ(t) або еш(t), надходять на штовані на частоту f вхідних сигналів, подаються другу шину даних мікрокомп'ютера 20, а сигнал на аналогові входи мультиплексора 16, керованого закінчення перетворення перетворювача 20 з вимікрокомп'ютером 21. На виході мультиплексора ходу DR подається на шину керування мікроком-1 16 почергово протягом інтервалів часу Т0=N0f (N0 п'ютера 21. - кількість періодів коливань вхідних сигналів) Якщо на клеми 23 і 24 подаються постійні поутворюються "вирізки" напруг тенціали, формувач різниці потенціалів командою U t k2k3 e1 t мікрокомп'ютера 21 переводиться в режим роботи 1 за постійним струмом, а аналого-цифровий перетта ворювач 20 - в режим автоматичного запуску або в U2 t k2k3 e2 t режим запуску сигналом від мікрокомп'ютера. де: k2 - коефіцієнт підсилення по напрузі підУ мікрокомп'ютері 21 закладена PROMсилювачів 12 і 13, а k3 - підсилювача 18. програма для виконання обчислень по визначенню Ці напруги надходять на вхід автоматично кеглибини залягання трубопроводу, амплітуди змінрованого мікрокомп'ютером 21 підсилювача 18. ного струму, що по ньому протікає, та коефіцієнта Для забезпечення високої точності обчислення його згасання на одиниці довжини трубопроводу. заданих в програмі мікрокомп'ютера 21 параметрів Обчислення виконуються за одним із співвідноінформативних сигналів, характеристик трубопрошень, наведених в [2]. За значеннями коефіцієнта воду та ґрунту амплітуда сигналу U1 t на виході згасання та різниці потенціалів судять про якість підсилювача 18 автоматично підтримується на ізоляційного покриття труби. Обчислення характерівні ≈2В. На вході аналого-цифрового перетворюристик ґрунту, зокрема його питомого опору, здійвача 19 міститься схема вибірки-зберігання, яка снюється мікрокомп'ютером за співвідношенням, наведеним у [5]. запам'ятовує амплітудні значення сигналів U1 t По градієнту зміни значення наведеного на та U2 t і подає команду перетворення у цифроштирову антену змінного потенціалу еш(t) визнавий код вказаних значень. Після закінчення кожночають безконтактним методом місця пошкодження го перетворення на виході аналого-цифрового ізоляції підземної струмопровідної комунікації. перетворювача 19 утворюється цифровий код амУ мікрокомп'ютері передбачений теж режим накопичення даних при низькому рівні вхідних сигплітудних значень напруг U1 t та U2 t , а на налів e1(t), e2(t) і е3(t), сумірному з власними шувиході DR - сигнал закінчення перетворення. Вкамами підсилювального тракту, або при накладанні зані сигнали надходять відповідно на першу вхідну на них інтенсивних адитивних високочастотних шину даних та шину керування мікрокомп'ютера, 2 4 завад. Число накопичень від 10 до 10 . який після одержання даних виробляє цифровий Описана мікрокомп'ютерна система, забезпекод коефіцієнта підсилення k3. чуючи високу завадостійкість вимірювань, володіє Паралельно з обробкою сигналів e1(t), e2(t) і більш широкими функціональними можливостями, е3(t), здійснюється підсилення та перетворення оскільки вона здійснює пошук і обстеження підзесигналу еш(t) з штирової антени 7 та потенціалів мних комунікацій шляхом вимірювання параметрів φ1(t) і φ2(t), що надходять на входи 23 і 24 від елекмагнітної та електричної складових випромінюватродів, що не поляризуються. Для цього в заявлю 9 89101 10 ного обстежуваною комунікацією електромагнітно3. Деклараційний патент 37807А. Мікрокомп'юго поля. Це забезпечує їй широке практичне викотерна електромагнітна пошуково-вимірювальна ристання при проведенні пошуку та обстеженні система / П.П. Драбич, О.П. Драбич, П.П. Драбич таких комунікацій, як підземні тепло-, нафто-, газо(мол.). Опубл. 15.05.2001, Бюл. №4. продуктопроводи, лінії електропередач та елект4. Аппаратура для аэрогеофизической разведрозв'язку, телекомунікаційні мережі тощо. ки с магнитным и электромагнитным информациСписок використаної літератури онными каналами // А.А. Вакульский, Л.Я. Мизюк, 1. А. с. 1471138 (СРСР). Безконтактний виміР.В. Проць, Ю.Ю. Сикачевский. - К.: Наук, думка. рювач струму в трубопроводі / Р.М. Джала, Б.Я. 1985. - 256с. Вербенець. Опубл. 07.04.1989, Б.В. №13. 5. Улич Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с 2. Драбич П.П. Поиск и обследование протяней. Введение в коррозионную науку и технику: женных элетропроводящих коммуникаций Пер. с англ. / Под ред. А. М. Сухотина. - Л.: Химия, //Измерительная техника. - М.: Изд-во стандартов. Ленингр. отд-ние, 1989. - Пер. изд., США, 1985. 1996. - №3. - С.56-58., рис.2 (прототип). 456с.: ил. Комп’ютерна верстка Т. Чепелева Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601