ПАССИВНЫЙ МАРКЕР С УВЕЛИЧЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ОБНАРУЖЕНИЯ

Полезная модель относится к устройствам для поиска подземных коммуникаций и может быть использована при строительстве и эксплуатации сервисных линий: общего применения, кабельного телевидения, газопровода, связи, сточных вод и канализации, водопровода, силовых и пр.
Положение подземного маркера, отмечающего сервисную линию, может быть обнаружено на глубине до нескольких метров при помощи локатора (маркероискателя), который передает пульсирующее электромагнитное поле и возбуждает в маркере резонансный LC-контур, настроенный на определенную частоту. В промежуток времени между импульсами от близкорасположенного локатора, маркер испускает затухающую электромагнитную энергию на той же резонансной частоте. Локатор получает указанную энергию, усиливает, фильтрует и преобразовывает ее в слышимый и/или визуальный сигналы, которые достигают максимума при наименьшем расстоянии между маркером и локатором.
Электронные пассивные маркеры имеют, согласно специфическому типу сервисной линии, которую они отмечают, стандартные резонансную частоту LC-контура и цветовую кодировку корпуса. Для различных сервисных линий определены следующие стандартные цвета и резонансные частоты маркеров: общего применения - фиолетовый, 66,35 кГц; кабельного телевидения - оранжево-черный, 77,0 кГц; газопровода - желтый, 83,0 кГц; связи - оранжевый, 101,4 кГц; сточных вод и канализации - зеленый, 121,6 кГц; водопровода - синий, 145,7 кГц; силовых - красный, 169,8 кГц.
Надежность поиска маркера (диапазон обнаружения) повышается при повышении мощности резонансного сигнала маркера. Увеличение мощности резонансного сигнала маркера обеспечивают за счет увеличения размера резонансной катушки, ориентации в пространстве катушки маркера в направлении близком к вертикальному, оптимизации формы и количества витков провода катушки и повышении добротности LC-контура.
Размеры корпусов шарообразных маркеров составляют приблизительно 100 мм в диаметре, и ограничены величиной выталкивающей (смещающей) силы окружающих маркер водонасыщенных слоев грунта, а также универсальностью применения маркеров и возможностью их закладки в щели в грунте, получаемые баровыми машинами. При этом LC-контур, как правило, можно разместить внутри корпуса, внутри сферы диаметром до 94 мм. Современные локаторы способны осуществлять поиск шарообразных маркеров на глубине (с диапазоном обнаружения) до 1,5 м, что является ограничением их использования на местности, покрытой толстым слоем снега и льда.
Для самоориентации катушки маркера в направлении близком к вертикальному используют, например, предварительно настроенный, изолированный LC-контур, размещенный в герметичном поплавке и плавающий в жидкости, которая частично заполняет полую сферу [Патент США US4712094 SELF-ORIENTING PASSIVE MARKER STRUCTURE]. Недостатком известной конструкции является необходимость герметизации поплавка и относительно малый диапазон обнаружения маркера локатором.
Известен пассивный самоориентирующийся маркер с расширенным диапазоном обнаружения [Патент США US6246328 В1 EXTENDED RANGE PASSIVE MARKER], который содержит полый герметичный сферический корпус, частично заполненный жидкостью с низкой температурой замерзания, герметичный поплавок, расположенный внутри корпуса, настроенный LC-контур, расположенный внутри поплавка, катушку LC-контура, состоящую из цилиндрической и плоской частей. Данный маркер выпускает фирма ЗМ под названием 1401-XR EMS II (1401-XR Scotchmark™EMS II). Цилиндрическая часть катушки (соленоид) LC-контура выполнена однослойной ⌀86 мм, а плоская часть выполнена многослойной с размерами намотки от ⌀42 мм до ⌀86 мм. За счет сложной формы составной катушки маркера удалось получить добротность Q LC-контура, превышающую добротности LC-контуров многослойных спиральных катушек или соленоидов известных маркеров на 8%…15%, что считается значимым техническим результатом. Однако маркер имеет следующие недостатки: катушка LC-контура имеет сложную форму, что приводит к дополнительным затратам на изготовление; катушка LC-контура обладает большой паразитной емкостью, которая уменьшает ее добротность и снижает диапазон обнаружения маркера.
d
Известен пассивный маркер [Патент на полезную модель RU 119150 U1. Пассивный маркер], который является наиболее близким техническим решением. Маркер содержит: сферический полый герметичный корпус, частично заполненный жидкостью с низкой температурой замерзания; герметичный поплавок; LC-контур настроенный на одну из резонансных частот и размещенный внутри поплавка; катушку, выполненную из изолированного провода в виде многослойного соленоида максимально возможного диаметра; слои соленоида разделены в радиальном направлении межслойной изоляцией; каждый слой выполнен с максимально возможной высотой намотки, ограниченной внутренними размерами полости поплавка; толщина межслойной изоляции превосходит толщину провода. Техническим результатом прототипа является расширение диапазона обнаружения маркера. Повышение уровня резонансного сигнала достигают выполнением катушки LC-контура с межслойной изоляцией с малой распределенной емкостью C, а витки катушки располагают на максимально возможном диаметре, слоями максимально возможной высоты. Однако прототип имеет следующие недостатки: не использован резерв увеличения размера катушки LC-контура до максимально возможного (сфера 94 мм), что позволило бы увеличить уровень резонансного сигнала маркера (см. ниже выражение (1)); сложный, дискретный процесс намотки катушки с наложением слоев межслойной изоляции.
В описании прототипа показано, что уровень принимаемого локатором резонансного сигнала LC-контура, от которого зависит диапазон обнаружения маркера, определяется т.н. относительным откликом:
∝
d
где N - количество витков катушки, D - средний диаметр витков катушки, R - активное сопротивление катушки, C - распределенная емкость катушки; С - емкость конденсатора LC - контура.
d
d
d
Из выражения видно, что увеличение уровня принимаемого локатором сигнала достигается в первую очередь увеличением диаметра катушки маркера D, затем - увеличением числа витков N, и, затем, - снижением сопротивления катушки R. Известно, что катушка маркера имеет паразитный параметр - распределенную емкость C. Соседние витки и слои катушки образуют некое подобие обкладок конденсатора, создавая емкость между витками, распределенную по всей длине провода катушки. Видно, что с увеличением распределенной емкости C величина относительного отклика Θ' падает, поэтому следует стремиться к снижению отношения паразитной емкости катушки к емкости конденсатора контура С. Распределенную емкость C снижают, применяя однослойные катушки, многослойные катушки у которых витки уложены в одном направлении (Z-намотка), многослойные катушки с разбиением витков обмотки на секции, в радиальном и в осевом направлениях, например, с размещением изоляции между слоями.
Техническим результатом полезной модели является увеличение диапазона обнаружения маркера. Сопутствующим техническим результатом является упрощение процесса намотки катушки LC-контура, а также снижение затрат на изготовление маркера.
Указанный технический результат достигается тем, что маркер выполнен в виде сферического полого герметичного корпуса частично заполненного жидкостью с низкой температурой замерзания, содержащий поплавок, LC-контур, настроенный на одну из резонансных частот, многослойную катушку LC-контура максимально возможного диаметра и высотой, ограниченной внутренними размерами поплавка, и выполненную из изолированного провода, электронные компоненты LC-контура, катушка LC-контура выполнена бескаркасной, спеченной из провода с пластмассовой изоляцией, поплавок имеет диаметр не больше диаметра катушки LC-контура и выполнен из материала с закрытой пористой структурой, имеющего плотность меньше плотности жидкости с низкой температурой замерзания, а в качестве указанной жидкости используют электроизоляционный жидкий диэлектрик, например, трансформаторное масло. Поплавок может быть выполнен из части отрезка теплоизоляционной трубки из вспененной пластмассы, отделенного от отрезка в продольном направлении, и установленного так, что поверхность отверстия части отрезка соприкасается с ответной внутренней поверхностью катушки LC-контура. В поплавке выполнен паз для размещения электронных компонентов LC-контура.
Существенными признаками заявленной полезной модели, являются:
- Маркер выполнен в виде сферического полого герметичного корпуса частично заполненного жидкостью с низкой температурой замерзания, Признак обеспечивает возможность горизонтального положения уровня жидкости при любом возможном положении корпуса маркера в пределах изменения рабочей температуры окружающей среды.
- Содержит поплавок. Признак обеспечивает возможность самоориентации поплавка маркера по уровню жидкости, а, следовательно, ориентацию оси катушки LC-контура маркера в направлении близком к вертикальному. При этом обеспечивается максимально возможный диапазон обнаружения маркера.
- Содержит LC-контур, настроенный на одну из резонансных частот. Признак обеспечивает возможность поиска маркера локатором и идентификации соответствующей сервисной сети.
- Содержит многослойную катушку LC-контура максимально возможного диаметра и высотой, ограниченной внутренними размерами поплавка. Признак обеспечивает получение максимально возможного диапазона обнаружения маркера. Известно [Патент РФ на полезную модель RU 104736 U1 Подземная камера для хранения и локализации муфт и запасов оптических кабелей], что с увеличением числа витков катушки LC-контура, имеющих максимально возможный диаметр, увеличивается диапазон обнаружения маркера.
- Катушка выполнена из изолированного провода. Признак обеспечивает отсутствие замыкания витков катушки при их соприкосновении.
- Маркер содержит электронные компоненты LC-контура. Признак обеспечивает возможность настройки LC-контура на требуемую резонансную частоту путем выбора комбинаций конденсаторов различной емкости, а также защиту от перенапряжений. Все электронные компоненты объединены в плату.
d
- Катушка LC-контура выполнена бескаркасной, спеченной из провода с пластмассовой изоляцией. Признак обеспечивает получение прочной бескаркасной катушки LC-контура путем спекания катушки, выполненной из провода с пластмассовой изоляцией, например, из провода НВМ-1 по ГОСТ 17515-72 «Провода монтажные с пластмассовой изоляцией». При нагреве провода НВМ-1, имеющего изоляцию из поливинилхлоридного пластиката, происходит спекание витков провода по наружным поверхностям. А после охлаждения получают жесткую бескаркасную катушку, у которой жилы провода отделены друг от друга спеченной изоляцией. Прочность такой катушки значительно выше прочности катушки из самоспекаемых (склеиваемых) эмалированных проводов [Сайт ELEKTRISOLA. Самоспекаемые эмалированные провода, self-bonding-wire.html Режим доступа свободный. Дата обращения 15.08.2012]. Таким образом, получают катушку с высокой добротностью и исключительно низкой распределенной емкостью С, у которой каждый виток отделен от соседнего витка слоем изоляции как в радиальном, так и в осевом направлениях. При этом витки могут быть намотаны внавал, что существенно упрощает процесс намотки.
- Поплавок имеет диаметр не больше диаметра катушки LC-контура. Признак обеспечивает возможность выполнения катушки LC-контура максимально возможного диаметра.
- Поплавок выполнен из материала с закрытой пористой структурой, имеющего плотность меньше плотности жидкости с низкой температурой замерзания. Признак обеспечивает сохранение плавучести поплавка в диапазоне рабочих температур маркера.
- В качестве указанной жидкости используют электроизоляционный жидкий диэлектрик, например, трансформаторное масло. Признак обеспечивает возможность размещения LC-контура в негерметичном поплавке, что существенно снижает затраты на изготовление маркера. Применение жидкого диэлектрика способствует сохранению настройки и долговечности расположенного внутри него LC-контура. При этом отсутствует необходимость герметизации и электрической изоляции элементов LC-контура.
- Поплавок может быть выполнен из части отрезка теплоизоляционной трубки из вспененной пластмассы, отделенного от отрезка в продольном направлении, и установленного так, что поверхность отверстия части отрезка соприкасается с ответной внутренней поверхностью катушки LC-контура. Признак обеспечивает получение простой и легко сборной конструкции поплавка, которая за счет собственной жесткости в сдеформированном состоянии надежно закреплена на катушке LC-контура. Длину части отрезка выбирают в соответствии с длиной ответной поверхности катушки. В поперечном сечении поплавок частично охватывает катушку, не выступая за максимально возможные габариты катушки LC-контура (сфера 94 мм).
- В поплавке выполнен паз для размещения электронных компонентов LC-контура. Признак обеспечивает надежное закрепление платы с электронными компонентами в теле поплавка без элементов дополнительного крепления. С одной стороны паза перемещение платы ограничено внутренней частью катушки, а с другой стороны - стенкой паза.
Существенными отличительными признаками, влияющими на получение технического результата являются:
- Катушка LC-контура выполнена бескаркасной, спеченной из провода с пластмассовой изоляцией.
- Поплавок расположен внутри катушки LC-контура.
- Поплавок имеет диаметр не больше диаметра катушки LC-контура.
- Поплавок выполнен из материала с закрытой пористой структурой, имеющего плотность меньше плотности жидкости с низкой температурой замерзания.
- В качестве указанной жидкости используют электроизоляционный жидкий диэлектрик, например, трансформаторное масло.
- Поплавок может быть выполнен из части отрезка теплоизоляционной трубки из вспененной пластмассы, отделенного от отрезка в продольном направлении, и установленного так, что поверхность отверстия части отрезка соприкасается с ответной внутренней поверхностью катушки LC-контура.
- В поплавке может быть выполнен паз для размещения электронных компонентов LC-контура.
Перечисленные отличительные признаки, относящиеся к пассивному маркеру для поиска сетей связи, рассмотренному в качестве примера, в равной степени относятся также и к пассивным маркерам для поиска других сервисных сетей.
ВН
Сущность полезной модели поясняется фиг.1 - сечение маркера. Цифрами на фиг.1 обозначены: 1 - корпус маркера, 2 - поплавок, 3 - жидкость с низкой температурой замерзания (электроизоляционный жидкий диэлектрик), 4 - катушка LC-контура, 5 - электронные компоненты LC-контура, 6 - заглушка, 7 - ушко. Буквами обозначены: h - высота намотки катушки, Н - высота поплавка, г - максимальный габаритный размер (радиус сферы) поплавка и катушки LC-контура, r - размер (радиус сферы) внутренней поверхности корпуса маркера, D - средний диаметр витков катушки LC-контура. Жирными линиями показаны электрические соединения элементов 4 и 5.
Пассивный маркер содержит: 1 - корпус маркера, 2 - поплавок, 3 - жидкость с низкой температурой замерзания (электроизоляционный жидкий диэлектрик), 4 - катушку LC-контура, 5 - электронные компоненты LC-контура, 6 - заглушку, 7 - ушко.
Герметичный шарообразный сварной корпус маркера 1 изготавливают из двух одинаковых пластмассовых полукорпусов, например, из окрашенного полиэтилена высокой плотности. Цвет корпуса маркера 1 выбирают в зависимости от типа сервисной линии. В корпусе маркера 1 размещают поплавок 2, катушку LC-контура 4, электронные компоненты LC-контура 5, а также жидкость с низкой температурой замерзания 3. В качестве жидкости с низкой температурой замерзания 3 используют электроизоляционный жидкий диэлектрик, например, трансформаторное масло. Предварительно наматывают катушку 4 на разъемную оправку из термостойкого материала, например, из стеклотекстолита. Разъемная оправка имеет кольцевой паз с радиусом скругления, соответствущим радиусу отверстия отрезка теплоизоляционной трубки из вспененной пластмассы в сдеформированном состоянии, используемого в качестве заготовки для изготовления поплавка 2. Затем катушку спекают, нагревая пластмассовую изоляцию провода катушки до температуры несколько превышающей температуру ее плавления любым из известных способов, используемых для самоспекаемых (склеиваемых) эмалированных проводов [Сайт ELEKTRISOLA. Методы спекания. -wire/bonding-methods.html Режим доступа свободный. Дата обращения 15.08.2012]: струей горячего воздуха, в тепловой камере или с помощью пропускания электрического тока через катушку. После охлаждения катушки 4 разъемную оправку снимают и получают бескаркасную катушку нужной формы (радиус r, размеры h, и др.). Концы проводов катушки 4 соединяют, преимущественно пайкой, с платой электронных компоненов LC-контура 5. Плата содержит, как минимум, один конденсатор, параллельно соединенный с ним сдвоенный диод Шоттки, а также набор конденсаторов различной емкости для настройки резонансной частоты. Производят настройку резонансной частоты. Поплавок 2 выполняют из вспененной пластмассы, например, из вспененного полиэтилена или вспененного каучука. Поплавок 2 может быть выполнен, например, из части отрезка теплоизоляционной трубки, отделенного от отрезка трубки в продольном направлении и свернутого, как показано на фиг.1. Для обеспечения положительной плавучести элементов 4 и 5 маркера, поплавок 2 выполняют из материала с закрытой пористой структурой, имеющего плотность меньше плотности жидкости с низкой температурой замерзания, а в качестве указанной жидкости используют электроизоляционный жидкий диэлектрик 3, например, трансформаторное масло. Высоту Н поплавка 2 выполняют меньше его диаметра для устойчивого положения на поверхности жидкости 3, но достаточную для размещения платы с электронными компонентами 5, а также такую, чтобы размеры поплавка не выходили за пределы сферы радиусом r. Устанавливают поплавок 2 в катушку LC-контура, совмещая поверхность отверстия поплавка 2 с ответной внутренней поверхностью катушки LC-контура. Длину части отрезка выбирают такой, чтобы его торцы соединялись внатяг, а плату электронных компоненов LC-контура 5 размещают в продольном пазе (на фиг.1 не обозначен) поплавка 2. Размещают собранные элементы 2, 4, 5 в полукорпусах 1 и соединяет их любым известным способом: местным нагреванием под давлением, сваркой трением и пр. Через выполненное отверстие в верхней части корпуса 1 заливают мерное количество электроизоляционного жидкого диэлектрика 3 и обеспечивают свободное плавание элементов 2, 4, 5. Герметизируют корпус маркера 1 пластмассовой заглушкой 6, например, при помощи местного нагревания. На корпусе маркера выполнены два ушка 7 для крепления маркера к элементам сервисных линий.
Примером выполнения полезной модели является пассивный маркер с увеличенным диапазоном обнаружения, предназначенный для поиска сетей связи. Корпус маркера 1 состоит из двух полукорпусов и выполнен сварным из полиэтилена высокой плотности оранжевого цвета толщиной до 2 мм. Поплавок 2 выполнен из отрезка трубной теплоизоляции «Энергофлекс» из вспененного полиэтилена типоразмера 15×13 [Сайт Центртрубпласт. Теплоизоляция. polietilena/trubki-dlina-2m/izolvaciva-iz-vspenen-polietilena-15h13.html Дата обращения 15.08.2012. Режим доступа открытый]. Фактический внутренний диаметр указанной трубки составляет 17 мм, толщина стенки - 13 мм. Диаметральный размер поплавка 2 в установленном (сдеформированном) состоянии не превышает максимальный габаритный размер r (радиус сферы) катушки LC-контура.
В качестве жидкости 3 с низкой температурой замерзания применяют, например, трансформаторное масло с температурой застывания не выше минус 45°С [ГОСТ 10121-76. Масло трансформаторное селективной очистки. Технические условия.]. Катушка 4 выполнена многослойной, со скруглением в центральной его части выполненным с радиусом 9 мм. Наружный диаметр катушки составляет 94 мм. Высота намотки h составляет около 18 мм. Число витков катушки - 141. Для намотки катушки используют провод монтажный с жилой из медной проволоки с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката НВМ-1 × 0,12 1 600 (толщина жилы 0,42 мм, наружный диаметр 1,1 мм) [ГОСТ 17515-72 Провода монтажные с пластмассовой изоляцией]. Температурный диапазон работы провода от минус 50°С до 105°С. Электронные компоненты LC-контура 5, состоят из конденсаторов с малым температурным коэффициентом емкости и малым тангенсом угла потерь (конденсаторы керамические в корпусе 0805, диэлектрик NPO) и параллельно подключеного сдвоенного диода Шоттки (BAS40-05 в корпусе SOT-23). Как вариант исполнения, электронные компоненты 5 могут дополнительно содержать электронную схему интеллектуальной системы RFID по функциям аналогичную системе RFID маркеров 1411-XR/ID, 1421-XR/ID, производства фирмы ЗМ. LC-контур настроен на резонансную частоту, соответствующую типу сервисной линии, подбором емкости. Плата с электронными компонентами 5 соединена пайкой с концами провода катушки 4 и размещена в пазе поплавка 2.
Устанавливают сборку элементов 2, 4, 5 в один из полукорпусов корпуса маркера 1. В другом полукорпусе корпуса маркера 1 выполняют отверстие для заливки жидкости 3. Сваривают полукорпусы по внешнему контуру. Заливают через отверстие в корпусе маркера 1 трансформаторное масло 3 и заваривают отверстие расплавленной пластмассой, образуя заглушку 6. Заглушку 6 устанавливают при помощи ручного аппарата горячего воздуха с ручной подачей присадочного полиэтиленового прутка, например, LEISTER TRIAC S.
Диапазоны обнаружения маркеров составляют 1,56 м - у прототипа и 1,71 м - у заявленного маркера. Диапазоны обнаружения определялись при равенстве резонансных сигналов указанных маркеров в режиме поиска локатором на частоте 101,4 кГц.
Устройство работает следующим образом. При строительстве сервисной линии маркер закладывают в котлован (траншею, щель) без ориентации в пространстве и при необходимости крепят его стяжкой через ушко 9 к конструктивным элементам сервисной линии. Засыпают котлован (траншею, щель) грунтом. При этом внутренняя часть маркера, содержащая LC-контур самоустанавливается по уровню жидкости 3, так, что ось LC-контура автоматически ориентируется в положении близком к вертикальному. При необходимости поиска сервисной линии, отмечают примерные границы участка ее нахождения. Перемещают локатор внутри границ участка. При этом приемо-передающая катушка локатора посылает пульсирующие электромагнитные сигналы в предполагаемом направлении размещения маркера, которые возбуждают его LC-контур на резонансной частоте. В паузах между пульсирующим излучением катушка локатора переключается на прием резонансного сигнала маркера. Локатор получает резонансный сигнал маркера, усиливает, фильтрует и преобразовывает его в слышимый и визуальный сигналы. Перемещая локатор, добиваются максимального уровня резонансного сигнала, который указывает на положение маркера под приемо-передающей катушкой локатора. При этом максимум сигнала соответствует наименьшему расстоянию между маркером и локатором.