Аппаратный комплекс дистанционного исследования почв

УДК 624.131.3

АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДИСТАНЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОЧВ

А.А. НАУМОВ, Ю.Ю. ВАССУНОВА Казанский государственный энергетический университет.

Статья посвящена разработке радиоволнового аппаратного комплекса, способного проводить исследования грунтов бесконтактным неразрушающим способом в условиях действующих энергетических предприятий, без остановки технологических процессов, строительно-монтажных, ремонтных работ.

Ключевые слова: аппаратный комплекс, геофизические методы, радиоволновой метод, дистанционное исследование, генераторный блок, приемный блок, антенна.

Проблема изучения поверхности земли во все времена является актуальной. В настоящее время наблюдается активная застройка территорий, прилегающих к крупным городам, а в городах участились случаи обвалов и разрушений зданий и сооружений, в том числе и энергетических. У высоковольтных линий электропередач периодически требуется контролировать качество заземления. Отходы крупных промышленных и строительных предприятий, городских агломераций (свалок), утечки нефтепродуктов на нефтеперегонных заводах, из трубопроводов, вблизи станций, перекачивающих нефть и газ, нефтехранилищ, складов горюче-смазочных материалов, бензоколонок и т.п. - все это приводит к экологическим проблемам и несет прямую угрозу хозяйственно-промышленной деятельности и населению.

При эксплуатации энергетических объектов подземные пустоты, ослабленные зоны, зоны тектонических разрушений, трещины, оползни приводят к нарушению режимов работы энергосистем. Поэтому крайне необходимо достоверно и оперативно получать информацию о состоянии грунтовых массивов под существующими и строящимися объектами, об их стойкости и распределению по глубине.

В настоящее время известны различные методы геофизических исследований подстилающих грунтов: контактные и бесконтактные. К простейшим контактным методам относятся бурение, копание шурфов, скважин и канав. Но эти способы имеют недостатки: невозможность исследования под существующими объектами, неоперативность получения информации, трудоемкость, высокая себестоимость. Метод бурения имеет принципиальный и неустранимый недостаток -избирательность точки бурения. Кроме того, отличительной его особенностью является дороговизна, проблемы использования в сложных условиях и опасность повреждения объектов подземной инфраструктуры, неприспособленность для использования на склонах, бетонных участках и в густо застроенных районах. Это привело к тому, что бурение применяется, в основном, в опорных точках для повышения достоверности бесконтактных методов.

Бесконтактные методы позволяют проводить мониторинг состояния объектов без прекращения их эксплуатации. Существует большое количество методов и средств дистанционного исследований почв, таких как методы сейсморазведки, гравиразведки, магниторазведки, электроразведки и т.д. Эти методы основаны на изучении естественных или антропогенных физических полей (магнитных, электрических, электромагнитных, акустических и др.), выявлении аномалий в этих полях, отражающих локальные особенности почвы. Но в условиях города использование многих методов малоэффективно из-за сильного влияния промышленных наводок, значительных переотражений от зданий и сооружений и ряда других факторов.

Для этих целей можно применять комплексы электроразведочной техники и технологии постоянных и низкочастотных электромагнитных полей [1,2]. Так, например, вертикальное электрическое зондирование. Это метод широко применяется при исследовании участков под строительство. Он проводится с забиванием свай и электродов, прокладкой кабеля, что ограничивает его использование ввиду трудоемкости процесса и затрудняет применение на

асфальтированных и забетонированных участках. А для исследования непосредственно под фундаментом существующего здания метод оказывается совершенно непригодным. Также большинство этих методов обладают высокой глубинностью и не всегда позволяют исследовать разрез с необходимой точностью и детальностью.

Для решения инженерных задач при эксплуатации и строительстве энергетических объектов необходима информация о распределении грунтов и о их состоянии до глубины порядка 100м.

Одним из методов является метод георадиолокации [2,3], который хорошо подходит для определения пустот в окрестности зданий. Недостатком можно назвать ограниченность глубины исследований (до 30 м), тогда как известны случаи обнаружения карстовых пустот на глубинах до 200 метров. Кроме того, применение ограничено необходимостью наличия гладкой и ровной поверхности. Если проводить исследование в подвале, то железобетонный пол и фундамент сильно поглощают излучение и резко ограничивают глубинность.

Применение методов теллурического тока, магнитотеллурического и магнитовариационного зондирования, магнитовариационного профилирования, основанных [2,4] на регистрации компонент напряженностей электрического и магнитного полей естественного поля земли, неприменимо в силу значительных промышленных помех.

Сейсморазведка [2,5] включает два основных метода: метод отраженных волн (МОВ) и метод преломленных волн (МПВ), относящихся к техническим модификациям, а также несколько второстепенных методов. Метод отраженных волн включает изучение волн, которые отразились от границы раздела двух сред. Вследствие отражений акустического сигнала от зданий, дополнительных вибраций, создаваемых железнодорожным транспортом, а также электрооборудованием на энергосистемах, этот метод обладает низкой информативностью и мало применим для задач определения устойчивости объектов.

В силу всего вышесказанного, для целей диагностики состояния зданий и сооружений наиболее подходящими являются радиоволновые методы (РВМ). Целесообразность применения данного метода обуславливается тем, что выявление аномалий на поверхности грунтового массива обеспечивается оперативно и без нарушения физического состояния зондируемой среды. Особенностью технологии РВМ является используемый диапазон частот (0,5 - 10 МГц) [6].

Нами была поставлена и решена задача разработки радиоволнового аппаратного комплекса, способного проводить исследования бесконтактным неразрушающим способом и выполнять исследования в условиях действующих предприятий, без остановки технологических процессов, строительно-монтажных, ремонтных работ. Комплекс имеет достаточную помехозащищенность, а также позволяет проводить работы в районах застройки, электрифицированных железных дорог.

Был собран опытный образец радиоволнового комплекса для исследования грунтового пространства. В качестве критерия оптимальности был выбран критерий наибольшей производительности при минимальной конструктивной сложности. Указанному критерию соответствует система, состоящая из генератора и приемника с магнитными антеннами. Генератор непрерывно излучает в пространство монохромное электромагнитное излучение частотой единицы мегагерц, приемник фиксирует наведенные вторичные поля.

Выбор частоты обусловлен тем, что при указанной частоте возможно проведение зондирования до глубины 100 метров, что в большинстве случаев достаточно для диагностики состояния зданий и сооружений, при этом разрешающая способность довольна высокая.

Приемник реагирует на одну составляющую поля, поскольку информативность при этом довольно высокая, а производительность максимальная. Взаимное расположение элементов системы, их ориентация в пространстве, величина и направление определяют геометрию установки.

Аппаратный комплекс состоит из малогабаритных, мобильных, переносных генераторного и приемного блоков с антеннами, конструктивно выполненными

раздельно.

В качестве антенн для генератора и приемника выбраны магнитные кольцевые рамочные антенны в форме круга (рис. 1).

Рис. 1. Фото антенн

Важнейшее преимущество магнитной антенны перед электрической заключается в том, что влияние среды на нее при работе в окружении предметов из диэлектрика с потерями на эффективность и на резонансную частоту (т.е. расстройку антенны) значительно слабее. Вносимые потери, создаваемые стволом дерева, находящимся рядом с антенной, телом и рукой оператора, могут изменить напряженность поля электрической антенны в десятки раз, в рамке же они не приводят к заметному ухудшению параметров поля.

Под диаграммой направленности приемной антенны понимается зависимость ЭДС, наводимой в антенне, от направления прихода электромагнитной волны. В соответствии с теоремой взаимности антенна обладает одной и то же диаграммой направленности при использовании ее как в качестве передающей, так и в качестве приемной. С помощью программы моделирования антенн MMANA были теоретически рассчитаны диаграммы направленности рамочных кольцевых магнитных антенн.

По результатам расчетов показано, что вертикально расположенная антенна обладает значительными направленными свойствами и имеет диаграмму направленности как по вертикальной, так и по горизонтальной поляризации, причем диаграмма вертикально поляризованных волн несколько больше, чем диаграмма горизонтально поляризованных волн (рис. 2).

Рис. 2. Вертикальная поляризация передающей антенны

Максимумы сигналов для волн вертикальной поляризации лежат в плоскости антенны, максимумы для волн горизонтальной поляризации находятся перпендикулярно плоскости антенны.

Горизонтально расположенная кольцевая антенна обладает круговой диаграммой для волн горизонтальной поляризации и направленной диаграммой для волн вертикальной поляризации с двумя максимумами и двумя минимумами.

Магнитные рамочные антенны генератора и приемника представляют из себя «обруч» диаметром около 70 см, изготовленный из дюралюминиевой трубы диаметром около 50 мм; диаметр проводника 0,8 мм, расстояние между проводниками 6 мм при рабочей частоте 2 МГц.

Внутри «обруча» расположены 5 витков. Антенна приемника располагается в горизонтальной плоскости, а генератора - в вертикальной. Такая ориентация приемной и передающей антенн применена для максимального уменьшения влияния первичного сигнала на входной сигнал приемника.

Устройство генераторного блока Рис. 3. Генераторный блок выполнено в виде единого с дипольной

антенной конструктивного элемента, устанавливаемого на теодолитный штатив (рис. 3).

Разработана принципиальная схема генератора и произведен расчет ее элементов. Генератор выполнен на пяти транзисторах.

Особенностью схемы генератора является то, что она разрабатывалась из требований минимизации количества элементов с малыми токами покоя транзисторов усилителя мощности, что позволило значительно уменьшить общий ток потребления при обеспечении заданной выходной мощности [7].

Генераторный блок находится в экранированном пылевлагозащищенном

корпусе. На корпусе блока находятся органы управления питанием генератора, а также, для удобства настройки генераторного контура, движок подстроенного конденсатора выведен на наружную часть генераторного блока. Генераторный блок может работать в двух режимах выходной мощности (положение 1 - коэффициент равен 0,5; положение 2 -коэффициент равен 1). Источник питания определяется, в первую очередь, мощностью генераторного устройства. Это может быть аккумулятор, обеспечивающий небольшие выходные токи (до 0,2 А), в этом случае генератор называется портативным (переносным). Питание генератора осуществляется напряжением 12 В от аккумулятора емкостью 4 Ah, размещенного отдельно в непромокаемом чехле. При подключении питания загорается индикаторная светодиодная лампа.

Приемный блок выполнен в виде единого с дипольной антенной конструктивного элемента, устанавливаемого на теодолитный штатив.

Плата приемника установлена в специальный бокс, приваренный к антенной системе, что обеспечивает электромагнитное экранирование элементов приемника и его защиту от атмосферных осадков. Блок питания приемника крепится к штативу).

Рабочая частота приемника (2 Рис. 4. Приемный блок МГц) соответствует частоте генератора,

выполненного в виде отдельного блока. Приемное устройство обеспечивает прием вторичных полей, наведенных радиоволновым излучением антенны генератора.

На приемной антенне установлен визир для ортогональной установки плоскости антенн в процессе проведения полевых работ. На корпусе приемника имеется уровень для настройки положения плоскости антенны по горизонтали (рис. 4).

Приемник выполнен по супергетеродинной схеме. Выход антенны через разделительный конденсатор C1 и трансформатор TR1 подключены к усилителю высокой частоты (УВЧ), который построен на транзисторах VT1 и VT2 по каскадной схеме с высоким входным сопротивлением и малой проходной емкостью. Выход УВЧ через трансформатор TR2 нагружен на смеситель. Смеситель и гетеродин с внешним кварцевым резонатором созданы на микросхеме DA1. На дискретных элементах DR2 и С8, С9 собран фильтр промежуточной частоты. На микросхемах DA2, DA3 и DA4, DA5 построены усилитель ПЧ и выпрямитель сигнала ПЧ. К выводу 7 микросхемы DA4 подключается измерительный цифровой вольтметр с плавающей запятой, что позволяет автоматически производить измерение амплитуды отклика в диапазоне от единиц mV до 3 V (рис. 5). Питание приемника осуществляется стабилизированным напряжением ± 5 В через стабилизаторы DA6 и DA7. Чувствительность приемника не ниже 1 мкВ/м.

Рис. 5. Схема приемника

Вольтметр установлен в корпусе антенны (рис.4). Приемный блок, также как и генераторный блок, может работать в двух режимах выходной мощности (положение 1 - коэффициент равен 0,5; положение 2 - коэффициент равен 1), тумблер переключения данного усиления находится на передней стенке приемного блока. Также на передней стенке приемника расположены: тумблер включения питания (Вкл. и Выкл. приемн.), тумблер контроля питающего напряжения (+ и - ), тумблер включения и выключения питания вольтметра, разъем питания приемника и вольтметра. Источником питающего напряжения являются две батареи из 6 штук никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 1000 тА^ Батареи собраны как двухполярный источник питания с общей точкой.

Выводы

Интенсивное использование аппаратного комплекса в течение года в лабораторных и полевых условиях показало его высокие эксплуатационные свойства при обеспечении дополнительных мер для защиты схемы от воздействия влаги, что обеспечивалось размещением всех элементов, за исключением источника питания, в замкнутый экранированный бокс, жестко закрепленный непосредственно на антенне, и промазкой элементов крышки герметиком.

Summary

Article are dedicated to development radio wave hardware complex capable to conduct studies a soil noncontact way in condition acting energy enterprise, without stop of the technological processes, civil and erection, repair work.

Key words: hardware complex, geophisical methods, radio wave method, remote study, generator block, receiving block, antenna.

Литература

1. Якубовский Ю.В., Ляхов Л.Л. Электроразведка. М.: Недра. 1982.

2. Введение в геофизическую разведку / Под редакцией Г.Н. Гогоненкова. М.: Мир, 1988.

3. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Георадиолокационные исследования верхней части разреза. Изд-во МГУ, 2002.

4. В.К. Хмелевской. Геофизические методы исследования земной коры. Международный университет природы, общества и человека "Дубна", 1997 г.

5. Гликман А.Г. Физика и практика спектральной сейсморазведки. http:www.new.geophys.spb.ru/ru/book.

6. Задериголова М.М. Радиоволновой метод в инженерной геологии и геоэкологии. Изд-во Москов. ин-та, 1998. 320 с.

7. Наумов А.А., Куделя А.М., Вассунова Ю.Ю. Генератор радиоволнового аппаратного комплекса. Вестник КГЭУ. 2009. №2.

Поступила в редакцию 05 мая 2009 г.

Наумов Анатолий Алексеевич - д-р физ.-мат. наук, заведующий кафедрой «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-75. Е-mail: naumov@hitv.ru.

Вассунова Юлия Юрьевна - старший преподаватель кафедры «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8927-4293949. Е-mail: karalina777@mail.ru.