ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПОИСКА И ДИАГНОСТИКИ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
MEASUREMENT SYSTEM FOR SEARCHING AND DIAGNOSTIC OF UNDERGROUND COMMUNICATIONS

Изобретение относиться к электроизмерительной технике и может быть использовано для оценки фактического положения и состояния подземных коммуникаций, а также привязки обнаруженных аномалий к длине коммуникации с последующим их обнаружением при ремонтно-восстановительных работах без применения специальных переизлучающих маркеров.
При реализации наиболее распространенного на практике индукционного метода поиска и диагностики подземных коммуникаций [1] используются два базовых устройства:
- генератор для запитки исследуемого объекта переменным током;
- приемник для исследования характера протекания тестового переменного тока.
В основу индукционного метода поиска инженерных коммуникации положено наличие магнитного поля, которое создается протекающим по коммуникациям током генератора. Посредством измерения электромагнитного поля трассопоисковым приемником определяют местоположение коммуникации, глубину их залегания и место повреждения.
Схемотехника трассопоисковых генераторов и приемников разнообразна. Так, известны генератор и приемник, реализованные по патентам [2, 3]. Недостатком данных устройств, осуществляющих только индикацию величины электромагнитного поля, является ручной характер определения глубины залегания коммуникации, и следовательно, величины тока, протекающего по ним.
Для устранения указанных недостатков в современной трассопоисковой аппаратуре используются несколько индукционных преобразователей, разнесенных в пространстве как по горизонтали, так и по вертикали, а обработку выходных сигналов датчиков производят в реальном масштабе времени с использованием нескольких каналов преобразования и микропроцессорной техники [4].
Однако решив проблему автоматизации поиска трассы и измерения глубины залегания подземных коммуникаций и протекающего по ним тока, трассопоисковая аппаратура по прежнему не обеспечивает необходимой достоверности в фиксации дефектов в изоляционном покрытии подземных коммуникаций. Связанно это с использованием для идентификации мест повреждений амплитудных параметров исследуемых сигналов, которые и менее информативны и менее помехоустойчивы. Радикально решить проблему возможно при переходе к фазовой идентификации мест повреждения. Такая возможность использования фазовых методов вытекает из представления трубопровода как искусственной линии связи [5].
Таким образом, целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей диагностики подземных коммуникаций.
Поставленная цель достигается тем, что в измерительный комплекс, состоящий из трассопоисковых генератора и приемника, при этом трассопоисковый генератор содержит последовательно соединенные задающий генератор и усилитель мощности, один выход которого гальванически подключен к исследуемому объекту, а второй заземлен, а трассопоисковый приемник содержит антенный блок, включающий два горизонтальных и два вертикальных индукционных преобразователей, четыре канала преобразования сигналов, состоящих из последовательно соединенных усилителя, фильтра и масштабирующего преобразователя, а также микропроцессора и соединенного с ним регистрирующего устройства, при этом масштабирующие преобразователи каналов преобразования сигналов вертикальных индукционных преобразователей через амплитудные детекторы и дифференциальный усилитель подключены к измерительному входу микропроцессора, введены дополнительные элементы, при этом трассопоисковый генератор дополнен микропроцессором, GPS приемником, передающим радиомодемом и аналого-цифровым преобразователем, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя мощности, тактируемый вход - с выходом микропроцессора, а выход - со входом микропроцессора, тактируемый вход которого соединен с выходом GPS приемника, а выход данных подключен к передающему радиомодему, а трассопоисковый приемник дополнен GPS приемником, приемным радиомодемом и двумя аналого-цифровыми преобразователями, сигнальные входы которых подключены к масштабирующим преобразователям каналов горизонтальных индукционных преобразователей, а сигнальные выходы - к информационным входам микропроцессора, тактируемый выход которого подключен к объединенным тактовым входам АЦП, а тактируемый вход - к выходу GPS приемника, а вход приема данных - к выходу радиомодема.
Логическим развитием фазовых методов преобразования информации используемых в измерительном комплексе является применение принципов синхронного (фазочувствительного) детектирования преобразования переменного напряжения в постоянное. Для этого в измерительном комплексе по пункту 1 в качестве амплитудных детекторов использованы синхронные детекторы, управляющие входы которых объединены и подключены к выходу дополнительного усилителя-ограничителя, вход которого подключен к выходу масштабирующего преобразователя одного из каналов горизонтальных индукционных преобразователей.
Решение проблемы помехоустойчивости вследствие повышения в целом избирательности измерительного комплекса позволило решить также задачу достижения предельной чувствительности каналов преобразования сигналов. Для этого в измерительном комплексе по пункту 1 усилители каналов преобразования сигналов выполнены по схеме преобразователей напряжение-ток.
На чертеже представлена схема подключения измерительного комплекса к объекту исследования, а также структурная схема генератора и приемника.
Генератор 1 состоит из задающего генератора 3, усилителя мощности 4, аналого-цифрового преобразователя 5, приемника глобальной системы позиционирования GPS 6, микропроцессора 7 и передающего радиомодема 8.
Приемник 2 состоит из: антенного блока 9; преобразователей напряжение-ток 10, 11, 12, 13; фильтров 14, 15, 16, 17; масштабирующих преобразователей 18, 19, 20, 22; усилителя-ограничителя 21; аналого-цифровых преобразователей 23, 24; синхронных детекторов 25, 26; дифференциального усилителя 27; приемника глобальной системы позиционирования GPS 28; микропроцессора 29; приемного радиомодема 30 и регистрирующего устройства 31.
Принцип действия измерительного комплекса следующий.
Генератор 1 по прежнему осуществляет запитку исследуемого объекта, а введенные в него дополнительные узлы осуществляют измерение мгновенного значения фазы выходного сигнала усилителя мощности 4 относительно тактовых импульсов, поступающих с GPS приемника 6 с частотой 1 Гц. Измерение фазы происходит путем взятия трех выборок за каждый период сигнала усилителя 4:
где ϕ - искомый фазовый сдвиг; θ - фазовый сдвиг между выборками.
После несложных тригонометрических преобразований микропроцессор 7 определяет значение фазы сигнала и его амплитуды в каждом периоде сигнала
Г
Г
Измеренные значения Ф и U поступают в радиомодем 8 и по радиоканалу передаются в трассопоисковый приемник 2.
ц
Важно подчеркнуть, что каждый цикл измерений Т=1 сек начинается по поступлению в микропроцессор 7 синхронизирующих тактовых импульсов с GPS приемника 6. Поэтому собственная нестабильность частоты задающего генератора 3, а также некратность периода сигнала к циклу измерения не оказывают никого влияния на точность процесса измерения фазы.
В трассопоисковом приемнике 2 процедура усиления, фильтрации и масштабирования выходных сигналов индукционных преобразователей является общепринятой.
ц
Различие заключается в процедуре аналого-цифрового преобразования, которое так же, как в трассопоисковом генераторе осуществляется путем взятия трех выборок за период выходных сигналов масштабирующих преобразователей 18 и 19. Циклы измерения Т=1 сек так же, как в трассопоисковом генераторе 1 задаются синхронизирующими тактовыми импульсами GPS приемника 28.
В результате в микропроцессоре 29 формируются массивы данных соответствующие амплитудным значениям сигналов, поступающих с нижнего и верхнего индукционного преобразователей:
а также значение фазы
Пн
Пв
Амплитудные значения сигналов U и U используются для непрерывного контроля глубины заложения подземных коммуникаций по формуле
где ΔН - известное значение расстояния между горизонтальными антеннами.
Г
Пн
Сравнивая фазу Ф, поступающюю в микропроцессор 29 с радиомодема 30, с фазой Ф, определяем разность фаз
Очевидно, что значение ΔФ определяется временем распространения сигнала в исследуемом объекте. В местах нарушения изоляции линейный характер изменения фазы прерывается и происходит ее скачок, который можно использовать для идентификации мест повреждения изоляции исследуемого объекта.
Важно подчеркнуть, что поскольку измерение как амплитудных, так и фазовых параметров сигналов происходит синхронно, то в моменты скачка фазы происходит также скачок тока, протекающего по объекту, что увеличивает достоверность обнаружения мест повреждения изоляции исследуемого объекта.
Методическая погрешность измерения разности фаз определяется только временем рассогласования тактовых секундных импульсов поступающих с GPS приемников в микропроцессоры приемника и генератора. С учетом, что расстояние между приемником и генератором не превышает несколько километров, то нестабильность тактовых импульсов определяется только инструментальной погрешностью GPS приемников, которая не превышает ±50 нс. При частоте сигнала 975 Гц фазовая погрешность ΔФ составляет ±0,02°. Столь малая методическая погрешность позволяет использовать фазовый метод также для отсчета расстояния от точки привязки генератора до места повреждения изоляции, что по сравнению с маркероискателями значительно упрощает обозначение и повторный поиск дефектов исследуемого объекта. Действительно в этом случае не надо закапывать маркер для последующего его поиска. Достаточно только зафиксировать расстояние от места подключения генератора до места обнаружения дефекта (осуществляется автоматически) и сделать отметку в соответствующей документации. Погрешность обозначения дефектов на местности, с учетом линейного характера изменения фазы, определяется формулой
max
max
где L - максимальное расстояние между пунктами подключения генератора. Учитывая, что L, не превышает нескольких километров, погрешность идентификации ΔL не превышает 10÷20 см, что является вполне приемлемым результатом.
Изменения структуры приемника по п.2 и п.3 формулы изобретения направлены на увеличение чувствительности и избирательности как в целом всего приемника, так и аналоговых каналов трассировки трассы при сравнении сигналов, поступающих с антенного блока на преобразователи 12 и 13.
Действительно, применение синхронных детекторов для селективного преобразования позволяет объединить в одном устройстве функции фильтрации и детектирования, причем вторая задача, решается более эффективно по сравнению с традиционным амплитудным детектированием [6].
Изменение структуры входных устройств каналов преобразования сигналов определяется следующим обстоятельством. Известно выражение для усилительного каскада на инвертирующем операционном усилителе
d
d
1
2
где U - напряжение с индукционного датчика; R - внутреннее сопротивление датчика; R,R - внешнее сопротивления операционного усилителя.
1
d
Традиционно для увеличения входного сопротивления каскада принимают R>>R со всеми вытекающими отрицательными последствиями такого решения.
1
Предлагается R полностью исключить. Тогда
Предельная чувствительность такого каскада определяется значениями входного тока операционного усилителя. Для лучших операционных усилителей LTC7652, LTC1052 входной ток не превышает ±10 пА.
∂min
∂min
∂min
∂max
Столь малая величина входного тока (а значит, и I) обеспечивает чувствительность по напряжению U=I·R не достижимую в традиционной аналоговой усилительной схемотехнике.
1. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоиздат. 1982. 312 С.
2. Патент РФ №2046363. Способ поиска трассы и определения места повреждения электрического кабеля с защитой от помех, создаваемых гармониками токов промышленной частота и устройство для его осуществления. Рябчиков В.И., Прибылов В.И. 1992.
3. Патент РФ №2046378. Устройство для определения трассы и глубины залегания силовых электрических кабелей и подземных металлических коммуникаций. Рябчиков В.И., Прибылов В.И. 1992.
4. Руководство по эксплуатации трассопоисковой аппаратуры ООО "Ака-ГЕО". http://www.aKageo.ru.
5. Сергованцев В.Т. Артемов В.А., Канев К.А. Газопровод как канал связи в системах телемеханики. - М.: Недра. 1984. 244 С.
6. Дехтяренко П.И. Синхронное детектирование в измерительной технике и автоматике. - Киев.: Техника. 1965. 315 С.