ПАССИВНЫЙ МАРКЕР

Изобретение относится к устройствам для поиска подземных коммуникаций и может быть использовано 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 при помощи локатора (маркероискателя), который передает пульсирующее электромагнитное поле и возбуждает резонансный LC-контур в маркере, 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. Взаимодействие локатора с маркером состоит из двух этапов:
- накачка локатором энергии в колебательный контур маркера;
- излучение маркером энергии, накопленной на первом этапе в виде электромагнитной волны, и прием ее локатором.
Электронные пассивные маркеры имеют стандартные резонансную частоту пассивного LC-контура и цветовую кодировку корпуса, согласно специфическому типу сервисной линии, которую они отмечают. Например, 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. Длины волн электромагнитного излучения на указанных частотах составляет несколько километров, что значительно превосходит диапазон обнаружения маркеров, поэтому взаимодействие маркера и локатора можно рассматривать как квазистатическое и считать, что между катушками локатора и маркера существует только магнитное взаимодействие, а электрическое взаимодействие ничтожно. Удельное сопротивление грунта обычно не менее 300 Ом/см, поэтому толщина скин-слоя (характерной глубины проникновения переменного электромагнитного поля в проводящее вещество), например, на частоте 101,4 кГц, составляет более 250 м, что не приводит к каким бы то ни было ограничениям по глубине заложения маркера, которое обычно составляет от 1 метра до нескольких метров.
Надежность поиска маркера (диапазон обнаружения) повышается при повышении мощности резонансного сигнала маркера. Увеличение мощности резонансного сигнала маркера обеспечивают за счет увеличения размера резонансной катушки, оптимизации формы и количества витков провода катушки, добротности LC-контура, а также за счет ориентации в пространстве катушки маркера в направлении близком к вертикальному. В общем случае ориентация маркеров установленных в грунте не определена, что резко снижает надежность их поиска. Для самоориентации катушки маркера в направлении близком к вертикальному используют, например, предварительно настроенный, изолированный LC-контур, плавающий в жидкости, которая частично заполняет полую сферу [Патент США US 4712094 SELF-ORIENTING PASSIVE MARKER STRUCTURE]. Недостатком известной конструкции является малый диапазон обнаружения маркера локатором, обусловленный малыми размерами контура. Размеры корпусов шарообразных маркеров составляют приблизительно 100 мм в диаметре, которые ограничены величиной выталкивающей (смещающей) силы водонасыщенных слоев грунта окружающих маркер, а также универсальностью применения маркеров и возможностью их закладки в щели в грунте, получаемые баровыми машинами. Выталкивающая (смещающая) сила грунта пропорциональна объему корпуса маркера (кубу его диаметрального размера). Увеличение размера корпуса маркера также негативно влияет на смещение маркера при морозном пучении грунта. Кроме того, механическая привязка маркера увеличенного размера к конструктивным элементам сервисных сетей создает дополнительную нагрузку, которая может привести к их нежелательному всплытию (смещению) при эксплуатации. Размер полой сферы корпуса маркера, в свою очередь, ограничивает размеры LC-контура, что не позволяет увеличить размер витков катушки контура более 90 мм и является недостатком конструкции шарообразных маркеров. Использование же т.н. плоских маркеров с увеличенными размерами катушек LC-контуров не обеспечивает их самоориентацию в пространстве в процессе эксплуатации.
Известен пассивный самоориентирующийся маркер с расширенным диапазоном обнаружения [Патент США US 6246328 B1 EXTENDED RANGE PASSIVE MARKER], являющимся наиболее близким техническим решением. Современные локаторы способны осуществлять поиск указанного маркера на глубине (с диапазоном обнаружения) до 1,5 м. Маркер 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. Цилиндрическая часть катушки (соленоид) выполнена многослойной.
Данный маркер 1401-XR EMS II (1401-XR Scotchmark™EMS II) производства фирмы 3M за счет оригинальной формы составной катушки позволяет 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:
- Форма катушки, число ее витков и диаметр провода не оптимизированы по критерию максимума взаимной индуктивности M и уровня сигнала, принимаемого локатором (относительного отклика Θ);
- Значительная часть стоимости маркера определяется стоимостью изготовления катушки из толстого медного провода большой длины, а изготовление катушки сложной формы приводит к дополнительным затратам на ее изготовление.
Существует некоторый предел в увеличении диапазона обнаружения маркера за счет исчерпания возможностей увеличения его размера и добротности LC-контура, при сохранении самоориентации в пространстве катушки маркера в направлении близком к вертикальному. При этом имеется резерв в уменьшении затрат на изготовление шарообразного маркера ограниченного диаметральным размером (приблизительно ⌀100 мм) при сохранении или даже некотором увеличении диапазона его обнаружения за счет оптимизации формы катушки и количества витков LC-контура.
Увеличение диапазона обнаружения маркера возможно за счет:
- Увеличения эффективности передачи энергии от локатора к маркеру и от маркера к локатору;
- Улучшения способности маркера запасать энергию во время этапа «накачки» энергии локатором.
2
1
1
2
Эффективность обмена энергией между локатором и маркером определяется, в основном, конструкцией и взаимным положением в пространстве катушек локатора и маркера. Мера взаимодействия двух катушек индуктивности определяется т.н. взаимной индуктивностью M - ЭДС индукции во второй катушке U пропорциональна скорости изменения тока I, в первой, а ЭДС индукции в первой катушке U - скорости изменения тока во второй I:
Коэффициент пропорциональности M в обоих случаях один и тот же, что является содержанием «теоремы взаимности» [Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. Москва, 2001, стр.256]. Улучшение способности маркера запасать энергию может быть реализовано увеличением «энергоемкости» контура маркера. Добротность Q является величиной, описывающей способность контура сохранять запасенную в нем энергию:
o
где ω - резонансная частота контура, L и R - индуктивность и активное сопротивление катушки контура. Количество свободных колебаний в контуре до момента затухания колебаний примерно равно величине добротности. При накачке энергии в контур рост амплитуды вынужденных колебаний продолжается до тех пор, пока величина потерь не сравняется с подводимой от локатора энергией. Величина установившихся колебаний будет равна произведению добротности Q на амплитуду вынуждающих колебаний. Количество энергии, запасенное в контуре, пропорционально квадрату амплитуды колебаний, поэтому выполнение задачи повышения «энергоемкости» контура сводится к увеличению его добротности. Задача же увеличения диапазона обнаружения маркера сводится к необходимости оптимизации конструкции катушки с целью увеличения взаимной индуктивности M и снижения активного сопротивления катушки R. Далее, в качестве примера, рассмотрим процессы, относящиеся к пассивному маркеру для поиска сетей связи. На фиг.1, показана форма напряжения на катушке пассивного маркера при взаимодействии с локатором Dynatel 1420 EMS-iD (3M) в режиме поиска на частоте 101,4 кГц. Длительность пакета импульсов «накачки» составляет около 300 мкс, что соответствует 30 периодам на частоте 101,4 кГц. Далее следует пауза 470 мкс, в течение которой локатор принимает сигнал от контура маркера. Процесс повторяется непрерывно с частотой 1/(300 мкс+470 мкс)≈1,3 кГц. Разновидностью пассивного маркера является т.н. интеллектуальный маркер, который позволяет предварительно записывать, а затем считывать информацию об объекте сервисной линии. При этом параметры LC-контура интеллектуального и пассивного маркеров одинаковы, а отличие заключается в дополнительной электронной схеме, присутствующей в интеллектуальном маркере. При чтении информации из интеллектуального маркера частота следования пачек импульсов меняется. При передаче данных от локатора к маркеру, логические уровни кодируются соотношением длительностей пакетов импульсов и пауз.
o
iωt
iωt
Одним из возможных путей расширения диапазона обнаружения маркера без увеличения размеров корпуса маркера является повышение мощности резонансного электромагнитного сигнала маркера. Оценим уровень сигнала маркера, принимаемого локатором. Установим основные зависимости, описывающие процесс передачи энергии от локатора к маркеру на первом этапе и от маркера к локатору на втором этапе взаимодействия. Колебательный контур маркера представим в виде последовательного соединения катушки с индуктивностью L, конденсатора с емкостью C и сопротивления R, определяющего потери в контуре. Взаимная индуктивность катушек локатора и маркера равна M (фиг.2). При токе в катушке маркера Ie, в цепи контура маркера будет наводиться ЭДС, приводящая к появлению тока установившейся величины Ie, при этом
После отключения тока в цепи локатора колебания в контуре маркера будут затухать по закону , а в первый момент времени амплитуда ЭДС, наводимая в катушке локатора, будет равна  такая, что . После преобразования получим ЭДС в катушке локатора на втором этапе взаимодействия при резонансной частоте колебательного контура маркера , как функцию амплитуды тока в катушке локатора на первом этапе:
Уровень сигнала, принимаемого локатором, будет определяться величиной:
которую будем называть относительным откликом.
o
При достаточно плотно уложенных витках катушки маркера и равномерно распределенном магнитном поле, взаимная индуктивность M может быть определена как отношение магнитного потока , охватываемого катушкой маркера, к току I в катушке локатора (интегрирование ведется по площади, покрываемой витками катушки маркера):
где  - величина магнитного поля в разных точках внутри катушки, N - количество витков катушки, D(n) - диаметр витка с номером n. При толщине намотки катушки маркера много меньше ее диаметра, можно считать, что все витки имеют одинаковую площадь, тогда выражение для относительного отклика примет вид:
Из выражения видно, что увеличение относительного отклика (уровня принимаемого локатором сигнала) достигается в первую очередь увеличением диаметра катушки маркера, затем - увеличением числа витков и, в последнюю очередь, - снижением сопротивления катушки. Увеличение диаметра катушки маркера невозможно по конструктивным ограничениям, поэтому оптимизация конструкции катушки может быть осуществлена только за счет выбора расположения, числа и диаметра витков провода.
-6
Активное сопротивление провода катушки описывается соотношением: , где ρ - удельное сопротивление материала проводника (для меди 0,0172·10 Ом/м), d - диаметр провода,  - суммарная длина витков катушки. Если толщина катушки много меньше ее диаметра, то можно считать, что Λ=π·DN и . Поэтому добиться уменьшения сопротивления и увеличения относительного отклика на низкой резонансной частоте можно простым увеличением диаметра провода. Наличие же высокочастотного переменного электромагнитного поля приводит к перераспределению плотности тока внутри проводника, что приводит к увеличению активного сопротивления переменному току. Здесь определяющими являются скин-эффект (skin-effect) и эффект близости (proximity effect).
0
-7
Скин-эффект выражается в том, что под действием переменного магнитного поля, создаваемого самим же проводником, ток в проводнике вытесняется на периферический слой с характерной толщиной , где ω - частота переменного тока, µ - магнитная проницаемость, (в системе СИ µ=4π·10), σ - удельная проводимость. Например, для меди на частоте 101,4 кГц толщина скин-слоя составляет 0,21 мм. При этом внутренняя часть толстого проводника практически не работает.
AC
DC
В эффекте близости кроме переменного магнитного поля, создаваемого самим проводником, учитывается влияние других витков катушки, также создающих переменное магнитное поле, что приводит к еще большей концентрации плотности тока в серповидных областях внутри проводника. На фиг.3 показано характерное распределение тока внутри проводов многослойной катушки, смоделированное с помощью программы FEMM [Finite Element Method Magnetics. Сайт: DavidMeeker, 2012. - URL:  Дата обращения 27.01.2012]. Наиболее распространенной моделью, описывающей увеличение активного сопротивления переменному току является модель Доуэлла (Dowell) [P.L.Dowell, "Effects of eddy currents in transformer windings", Proceedings of the IEEE, vol. 113, no. 8, pp.1387-1394, Aug. 1966]. Модель Доуэлла учитывает одновременно и скин-эффект и эффект близости. Согласно этой модели, отношение сопротивления переменному току R к сопротивлению постоянному току R является сложной функцией:
где , d - диаметр провода, δ - толщина скин-слоя, b - шаг намотки, m - количества слоев намотки. Указанная зависимость представлена на фиг.4. Видно, что эффект от использования толстого провода на высокой частоте очень быстро исчезает как с увеличением количества слоев, так и с увеличением диаметра провода. Поэтому при переменном токе уменьшение диаметра провода может приводить к уменьшению потерь.
d
Кроме активного сопротивления R катушка маркера имеет еще один 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. Распределенная емкость в большей степени обусловлена емкостью между слоями катушки, нежели между соседними витками в одном слое. Это объясняется тем, что между расположенными рядом витками, находящимися в разных слоях, действует большая разность потенциалов, чем между соседними витками в одном слое. Эквивалентная схема замещения катушки с учетом распределенной емкости показана на фиг.5. Наличие распределенной емкости приводит к тому, что в составе колебательного контура такая катушка ведет себя так, как будто ее индуктивность равна т.н. эффективной индуктивности:
а на резонансной частоте:
e
При этом эффективная добротность контура равна: . Видно, что с увеличением распределенной емкости величина эффективной добротности Q падает, поэтому следует стремиться к снижению отношения паразитной емкости катушки к емкости конденсатора контура. Существует несколько способов снижения распределенной емкости (фиг.6). Прежде всего, это разбиение витков обмотки на секции, как в осевом, так и в радиальном направлениях. Порядок укладки витков в слое также влияет на величину распределенной емкости: катушка, у которой витки уложены в одном направлении (Z-намотка) имеет меньшую распределенную емкость, чем катушка, у которой витки уложены в попеременном направлении (U-намотка). Так же, существует метод прогрессивной намотки, но он редко используется из-за технологической сложности и дороговизны.
Для увеличения диапазона обнаружения маркера необходимо максимизировать относительный отклик:
d
3
в котором уже учтено влияние распределенной емкости C на амплитуду колебаний при резонансе. Величина взаимной индуктивности M входит в выражение для Θ во второй степени, поэтому крайне желательно максимизировать параметр . В условиях ограничения внешнего диаметра катушки, равного 90 мм, это можно сделать только одним способом - выбрать форму катушки в виде многослойного соленоида заполняющего внутренний объем корпуса поплавка максимально возможным количеством витков, размещенных на максимально возможных диаметрах. Для указанного диаметра катушки ее высота h может быть выбрана либо как у маркера-прототипа и ограничена диапазоном 12 мм-14 мм (фиг.11), либо выполнена большей высоты h (фиг.12). Для свободной установки корпуса поплавка в корпусе маркера, габаритные размеры корпуса поплавка ограничиваются размером сферы радиуса , который меньше размера сферы внутренней поверхности корпуса маркера . В первом случае высота корпуса поплавка  постоянна, что предполагает равенство высот h слоев многослойного соленоида. Во втором случае высота корпуса поплавка  увеличена с целью размещения большего числа витков на максимально возможных диаметрах. И в первом и во втором случаях каждый слой соленоида выполнен с максимально возможной высотой намотки, ограниченной внутренними размерами полости поплавка.
Далее рассмотрим катушку с высотой h. Диаметр провода катушки определим как . Ограничимся максимальным количеством слоев равным 6. Для упрощения расчетов примем, что все витки катушки имеют одинаковый диаметр. Модель Доуэлла дает результат, показанный на фиг.7 сплошными линиями. Пунктирными линиями с точками нанесены результаты численного расчета параметров катушек с помощью программы FEMM. Для модели Доуэлла масштаб по горизонтали и по вертикали изменен в соответствии с результатами численного эксперимента. Видно, что модель Доуэлла и численное моделирование дают схожий результат. Расчетом на основе модели Доуэлла было установлено и подтверждено численным моделированием, что при увеличении шага намотки витков в слое относительный отклик Θ уменьшается. В модель Доуэлла в явном виде не входит расстояние между слоями обмотки катушки. Однако численное моделирование подтверждает слабую зависимость рассматриваемых параметров от толщины межслойной изоляции в диапазоне уже от диаметра обмоточного провода до 1 мм и более. Далее был определен интересующий нас диапазон диаметров d обмоточных проводов (фиг.8). Для катушек высотой намотки h=12 мм, 13 мм, 14 мм и диаметром D=90 мм, проводя численные расчеты для различных диаметров обмоточного провода, были подобраны оптимальные количества витков для количества слоев m=3…6. Результат представлен в таблице 1. Следует отметить, что представленные расчетные значения не учитывают поправку на распределенную емкость катушки, т.к. аналитическая оценка этого параметра слишком сложна.
Таблица 1.
Оптимальное количество витков N в зависимости от высоты намотки катушки h и числа слоев намотки m
Число слоев намотки m
Высота катушки h, мм
Кол-во витков N
Диаметр провода d<sub>Cu</sub>, мм
Относительный отклик ~Θ
Индуктивность L, мГн
Добротность Q (101,4 кГц)
12
111
0,265
959
1,980
96,8
3
13
120
0,265
1033
2,256
101,6
14
123
0,28
1108
2,315
106,6
12
176
0,224
1115
4,922
111,4
4
13
172
0,25
1207
4,568
117,1
14
196
0,236
1299
5,803
123,3
12
220
0,224
1257
7,608
124,2
5
13
265
0,20
1345
10,818
130,2
14
270
0,21
1443
10,949
136,2
12
306
0,19
1371
14,694
135,2
6
13
318
0,20
1489
15,419
142,6
14
342
0,20
1592
17,442
149,2
Для проверки установленных закономерностей было изготовлено 12 макетов катушек (№1-№12) и 3 макета катушек (№13-№15) для проверки проектировочного расчета. Запись вида «k*d» означает, что намотка велась в k проводов с диаметрами жил d. Катушка №0 - это катушка пассивного маркера-прототипа 1401-XR EMS II (1401-XR Scotchmark™EMS II). Добротность и распределенную емкость образцов катушек измеряли на стенде, схема которого представлена на фиг.9. Стенд состоит из перестраиваемого генератора прямоугольных импульсов G1, развязывающего конденсатора С1, конденсатора резонансного контура С2, резисторов делителя напряжения R1 и R2 и двухканального цифрового осциллографа OSC1. Исследуемая катушка обозначена L1. Конденсатор С1 служит для развязки сигнала генератора по постоянному току. Резистор R2 выбран таким, чтобы его сопротивление было пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением исследуемой катушки L1. С помощью канала СН1 осциллографа производилось измерение частоты и амплитуды вынуждающего сигнала, с помощью канала СН2 измерялась амплитуда напряжения на конденсаторе С2 резонансного контура. Амплитуда выходного сигнала генератора составляла 2,5 B. То, что в качестве вынуждающего сигнала использовался меандр, а не синусоидальный сигнал в данном случае не имеет принципиального значения, т.к. исследовалась узкополосная система. При считывании амплитуды вынуждающего сигнала учитывалось, что амплитуда основной гармоники меандра в  раз больше амплитуды самого меандра. Для того, чтобы входные цепи канала СН1 осциллографа не вносили значительной погрешности в измерения, входное сопротивление выбиралось значительно больше 1,0 МОм (для добротностей до 150 и активного сопротивления L1 до 40 Ом), а емкость значительно меньше емкости конденсатора С2, что достигалось использованием внешнего делителя Х10. Для измерения добротности катушки L1, генератор G1 настраивался на частоту 101,4 кГц. Изменением емкости конденсатора С2 резонансный контур L1-C2 вводился в резонанс. Факт резонанса определялся по сдвигу фаз между каналами СН1 и СН2 осциллографа, равному 90°. Величина добротности рассчитывалась по формуле:
Таблица 2.
Конструкции макетов катушек
Катушка №
Число витков N
Диаметр провода d, мм
Намотка
Укладка витков в слоях
Толщина межслойной изоляции, мм
Диаметр оправки, мм
0
175=141+34
0,32
Спираль (141 внавал)+Соленоид (34)
Плотно
Нет
1
133
3×0,355
Внавал
Плотно
Нет
76
2
130
0,36
5 слоев по схеме «U»
Плотно
1
76
3
130
0,355
5 слоев по схеме «Z»
Плотно
1
76
4
182
0,355
7 слоев по схеме «U»
Плотно
1
76
5
130
2×0,355
10 слоев по схеме «U»
Плотно
1
76
6
130
0,355
10 слоев по схеме «Z»
Шаг 0,4 мм
1
76
7
130
0,355
5 слоев по схеме «U»
Плотно
0,36
76
8
130
0,355
5 слоев по схеме «Z»
Плотно
0,36
76
9
130
0,355
2 слоя по схеме «U»
Плотно
1
76
10
123
0,30
3 слоя по схеме «U»
Плотно
0,1
87
11
123
0,30
3 слоя по схеме «Z»
Плотно
1
87
12
123
0,30
3 слоя по схеме «U»
Плотно
1
87
13
126
0,265
3 слоя по схеме «U»
Плотно
0,1
84
14
126
0,265
3 слоя по схеме «U»
Плотно
1
84
15
126
0,265
3 слоя по схеме «Z»
Плотно
1
84
1
2
Для измерения распределенной емкости номинал конденсатора С2 устанавливался равным 940 пФ. Изменением частоты генератора колебательный контур вводился в резонанс. Факт резонанса определялся по сдвигу фаз между каналами СН1 и СН2 осциллографа, равному 90°. Фиксировалась частота резонанса f. Далее проводилась аналогичная процедура для емкости конденсатора C2', равной 1410 пФ, фиксировалась резонансная частота f. Распределенная емкость вычислялась по формуле:
AC
Рассчитанные численно и измеренные на стенде параметры катушек представлены в таблице 3 и в таблице 4. Численное моделирование производилось с помощью программы FEMM для всех макетов катушек кроме катушки №1 из-за сложности задания конфигурации ее витков. В результате моделирования для каждой конфигурации было получено значение иммитанса Z (полного комплексного сопротивления) на частоте 101,4 кГц. Действительные части Z соответствуют активным сопротивлениям катушек на заданной частоте R, мнимые части - реактивным сопротивлениям. Индуктивности и добротности вычислялись по формулам:
Эффективные индуктивности и добротности вычислялись по формулам:
Таблица 3
Рассчитанные параметры макетов катушек
Катушка №
Сопротивление переменному току R<sub>AC</sub>, Ом
Индуктивность L, мГн
Эффективная индуктивность L<sub>e</sub>, мГн
Добротность Q
Эффективная добротность Q<sub>e</sub>
0
11,9
2,206
2,236
116,1
114,6
1
-
-
-
-
-
2
14,2
2,140
2,176
94,9
93,3
3
14,2
2,140
2,173
94,9
93,4
4
26,5
4,135
4,276
97,9
94,7
5
13,0
2,089
2,120
101,0
99,6
6
11,2
2,097
2,127
117,7
116,0
7
19,3
2,229
2,414
72,4
66,9
8
19,3
2,229
2,380
72,4
67,8
9
8,3
1,602
1,644
121,1
118,0
10
13,3
2,349
2,971
110,9
87,7
11
12,1
2,173
2,218
113,0
110,7
12
12,1
2,173
2,235
113,0
109,8
13
14,5
2,425
2,953
105,1
86,3
14
13,3
2,226
2,279
105,1
102,6
15
13,3
2,226
2,274
105,1
102,8
d
e
d
1
1
Соответствующие значения C были взяты из таблицы 4. Измерение эффективных добротностей Q и распределенных емкостей C макетов катушек производилось в соответствии с методиками, описанными выше. Значения эффективных индуктивностей вычислялись как , где f - резонансные частоты контуров с конденсатором емкостью C=940 пФ.
Таблица 4
Измеренные параметры катушек
№
Эффективная добротность Q
Распределенная емкость C<sub>d</sub>, пФ
Эффективная индуктивность L<sub>e</sub>, мГн
Сопротивление переменному току R<sub>AC</sub>, Ом
Отношение суммарных площадей σ
Относительный отклик Ө'
0
100
14,8
2,482
15,7
0,62
748
1
47
150,7
2,879
38,7
0,91
314
2
96
18,7
2,278
15,0
0,79
694
3
96
17,2
2,278
15,0
0,79
695
4
92
19,6
4,408
30,3
0,83
373
5
102
17,1
2,172
13,4
0,89
986
6
105
16,7
2,175
13,1
0,89
1013
7
65
84,6
2,549
24,8
0,75
352
8
68
70,2
2,495
23,2
0,75
383
9
97
39,5
1,739
11,3
0,73
778
10
70
219,6
2,836
25,6
0,95
404
11
101
23,2
2,234
14,0
0,97
1014
12
98
31,9
2,257
14,5
0,97
966
13
75
181,5
2,769
23,3
0,89
432
14
94
25,7
2,267
15,2
0,93
890
15
95
23,5
2,286
15,2
0,93
894
Сопротивления переменному току вычислялись по формуле:
где f=101,4 кГц.
Величины σ рассчитаны как отношение суммарных площадей, покрываемых витками макетов катушек, к суммарной площади, покрываемой витками катушки, имеющей вид однослойного соленоида диаметром 90 мм, с таким же количеством витков, как и рассматриваемая катушка. Величины относительных откликов Ө' рассчитывались по формулам:
где f=101,4 кГц.
Катушка №1 была изготовлена из соображения уменьшения активного сопротивления за счет увеличения сечения провода. Как отмечалось, увеличение диаметра провода на большой частоте не эффективно, поэтому было решено намотать катушку в 3 провода. Результат оказался не удовлетворительным из-за высокой распределенной емкости и действия эффекта близости.
Распределение обмотки на слои в катушке №2 позволило значительно снизить распределенную емкость. По сравнению с катушкой №1 ширина катушки увеличилось, а количество слоев уменьшилось. Соответственно, уменьшились сопротивление переменному току, что позволило значительно увеличить добротность и относительный отклик катушки.
В катушке №3 для еще большего уменьшения распределенной емкости была использована Z-намотка. К сожалению, это не привело ни к значительному уменьшению распределенной емкости, ни к увеличению добротности и относительного отклика.
С помощью катушки №4 проверялся эффект от простого увеличения количества витков: по сравнению с катушками №2 и №3 количество слоев было увеличено с 5 до 7. Это привело к небольшому увеличению распределенной емкости и увеличению потерь из-за эффекта близости и как результат - к уменьшению добротности. Простое увеличение количества витков оказалось не эффективно.
В катушке №5 была реализована попытка увеличить добротность многослойной катушки путем уменьшения активного сопротивления постоянному току: катушка была выполнена в 2 провода при сохранении количества витков. Соответственно, по сравнению с катушками №2 и №3 количество слоев было увеличено в два раза: с 5 до 10. В результате распределенная емкость практически не изменилась, а добротность несколько возросла.
В катушке №6 была опробована намотка с удвоенным шагом. В результате, параметры катушки №6 оказались даже лучше, чем у катушки №5, несмотря на то, что активное сопротивление постоянному току увеличилось вдвое! Это объяснятся ослаблением эффекта близости из-за увеличения расстояния между витками.
Несмотря на то, что катушки №5 и №6 имеют весьма высокие значения параметра относительного отклика, их практическое применение в маркере невозможно из-за большого наружного диаметра (98 мм) обусловленного большим количеством слоев.
В катушках №7 и №8 была реализована попытка вернуться к плотной намотке, используя слои, разделенные тонкой изоляцией. Потенциально это бы позволило увеличить суммарную площадь, покрываемую витками катушек. Но, из-за высокой распределенной емкости (даже при использовании Z-намотки в катушке №8), приемлемых результатов получить не удалось.
Катушка №9 была изготовлена для проверки того факта, что уменьшение количества слоев ведет к уменьшению потерь, и это подтвердилось. Несмотря на высокую распределенную емкость катушка обладает высокой добротностью и относительным откликом. Практическое использование этой катушки в маркере так же невозможно, т.к. у нее слишком большая высота (27 мм).
Катушки №10, №11 и №12 были изготовлены в соответствии с оптимизационным расчетом на основе модели Доуэлла, описанным выше, что принесло положительный результат. Катушка №10 из-за высокой распределенной емкости, обусловленной тонкой межслойной изоляцией имеет посредственные параметры, зато катушки №11 и №12 имеют высокие добротности и относительные отклики. Как и прежде, использование Z-намотки в катушке №11 позволило несколько улучшить ее параметры, но учитывая более высокую технологическую сложность такой катушки использование Z-намотки не целесообразно. Поэтому катушка №12 с толщиной межслойной изоляции 1 мм (превышающей толщину провода) имеет габариты, приемлемые для практического использования в маркере.
Из практического опыта и приведенных выше рассуждений становится ясно, что значительно увеличить амплитуду напряжения на конденсаторе колебательного контура маркера невозможно. Уменьшение емкости конденсатора приводит к уменьшению добротности из-за большего влияния распределенной емкости катушки. Как было показано, значительно увеличить добротность так же не удается.
M
Известно, что на расстоянии, значительно превосходящем геометрические размеры катушки, поле на ее оси убывает пропорционально кубу расстояния r [И.Е.Иродов. Электромагнетизм. Основные законы. Москва, 2001, стр.160]. По такому же закону будет убывать и взаимная индуктивность катушек локатора и маркера. Было проведено численное моделирование взаимодействия катушки локатора и маркера. Катушка локатора имела форму соленоида диаметром 20 мм и длиной 40 см, что близко к катушке существующего локатора. Катушка маркера имела форму соленоида диаметром 90 мм и высотой 12 мм, расположенного соосно с соленоидом локатора. Расстояние r (диапазон обнаружения маркера) отсчитывалось между торцем катушки локатора и центром катушки маркера. По условиям расчета в катушке локатора возбуждался переменный ток амплитудой 1 A частотой 101,4 кГц. Численно рассчитывалась ЭДС, наводимая в катушке маркера. Результат моделирования представлен фиг.10. По горизонтальной оси отложено расстояние r между локатором и маркером в мм. По вертикальной оси отложена величина , где U - амплитуда ЭДС, наводимой в катушке маркера. Прямолинейный характер зависимости подтверждает соотношение  и, тогда . Амплитуда сигнала убывает как шестая (!) степень от расстояния и именно по этой причине индикатор локатора имеет логарифмическую шкалу. Ясно, что увеличение параметра Θ даже на 10% не дает практического эффекта, а может использоваться, разве что только, как маркетинговый ход производителя. Поскольку , где D - диаметр катушки, то следует ожидать, что диапазон обнаружения r будет увеличиваться как степенная функция  диаметра катушки D, но диаметр катушки ограничен размерами корпуса маркера и не может быть увеличен. Таким образом, показано, что увеличение добротности контуров катушек и их относительных откликов, в рамках ограниченного размера катушки могут привести лишь к незначительному увеличению диапазона обнаружения маркера, но имеется резерв снижения затрат на изготовление маркеров за счет выбора оптимальных параметров катушек.
14
14
0
0
Выбор оптимального количества слоев катушки в значительной степени определяется емкостью конденсатора контура и технологичностью изготовления катушки. Для обеспечения стабильности резонансной частоты колебательного контура большой добротности необходимо использовать конденсатор с малым температурным коэффициентом емкости и малым тангенсом угла потерь. Этим условиям удовлетворяют керамические конденсаторы с диэлектриком NPO. С одной стороны, увеличение количества витков позволяет получить большую добротность, с другой стороны, это приводит к увеличению индуктивности катушки и необходимости уменьшать емкость конденсатора (см. табл.1). Уменьшение емкости конденсатора приводит к уменьшению эффективной добротности контура за счет увеличивающегося влияния распределенной емкости. Однако, возможен вариант намотки катушки в несколько проводов, что позволит сохранить добротность и уменьшить индуктивность, но этот вариант сложен и дорог в изготовлении. Компромиссным решением является емкость 1000 пФ. Такие конденсаторы широко распространены и имеют низкую цену. Учитывая эти ограничения, были изготовлены катушки №13, №14 и №15. Катушка №13 имеет низкие значения параметров из-за большой распределенной емкости. Относительные отклики и добротности катушек №14 и №15 имеют приемлемые, практически одинаковые уровни. Выбираем катушку №14 как наиболее простую и дешевую в изготовлении. Величина относительного отклика заявленной катушки на 19% превосходит данный параметр катушки прототипа (табл.4), что должно дать по расчетам прирост диапазона обнаружения приблизительно на 3%. При этом затраты на изготовление заявленной катушки зависят от массы медного провода и меньше затрат на изготовление катушки маркера-прототипа в 1,5 раза. Это следует из соотношения чисел витков и диаметров проводов (табл.2) заявленной катушки N=126, d=0,265 мм и катушки прототипа N=175, d=0,32 мм.
Техническим результатом изобретения является снижение затрат на изготовление маркера за счет уменьшения массы использованного медного провода с одновременным расширением диапазона обнаружения маркера.
Указанный технический результат достигается тем, что маркер выполнен в виде сферического полого герметичного корпуса частично заполненного жидкостью с низкой температурой замерзания, содержит внутри корпуса герметичный поплавок, размещенный внутри полости поплавка LC-контур, настроенный на одну из резонансных частот, катушку LC-контура, выполненную из изолированного провода в виде многослойного соленоида максимально возможного диаметра, слои соленоида разделены в радиальном направлении межслойной изоляцией, толщина межслойной изоляции превосходит толщину изолированного провода, а каждый слой выполнен с максимально возможной высотой намотки, ограниченной внутренними размерами полости поплавка.
Общими существенными признаками прототипа с заявленным техническим решением, являются:
- Пассивный маркер, выполненный в виде герметичного полого сферического 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.
- Маркер, содержащий внутри корпуса герметичный поплавок. Признак обеспечивает сохранение плавучести поплавка, сохранение настройки и долговечности расположенного внутри него LC-контура и возможность самоориентации поплавка маркера по уровню жидкости, а, следовательно, ориентацию оси катушки LC-контура маркера в направлении близком к вертикальному.
- Размещенный внутри поплавка LC-контур, настроенный на одну из резонансных частот локатора. Признак обеспечивает возможность поиска маркера локатором и идентификации соответствующей сервисной сети.
- Катушка контура, выполненная из изолированного провода в виде многослойного соленоида максимально возможного диаметра. Признак обеспечивает требуемую индуктивность LC-контура, что способствует получению максимально возможного диапазона обнаружения маркера.
- Слои соленоида разделены в радиальном направлении межслойной изоляцией, толщина межслойной изоляции превосходит толщину провода. Признак обеспечивает высокую добротность LC-контура, обусловленную малой межслойной распределенной емкостью, сочетаемой с большей, чем у прототипа, взаимной индуктивностью, что ведет к увеличению диапазона его обнаружения.
- Каждый слой выполнен с максимально возможной высотой намотки, ограниченной внутренними размерами полости поплавка. Признак обеспечивает расположение максимального количества витков соленоида на максимально возможном диаметре, что определяет максимальный уровень сигнала, принимаемого локатором (относительный отклик).
Существенными отличительными признаками, влияющими на получение технического результата являются:
- 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.
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.
AC
DC
1
2
3
1
2
3
п
П
вн
Сущность изобретения поясняется фиг.1-фиг.13. Фиг.1 - Форма напряжения на катушке маркера в режиме поиска маркеров. Фиг.2 - Эквивалентная схема для описания взаимодействия локатора и маркера. Фиг.3 - Плотность тока в витках катушки маркера на частоте 101,4 кГц. Фиг.4 - Зависимость отношения сопротивлений R/R от относительного диаметра провода. Фиг.5 - Схема замещения катушки с распределенной емкостью. Фиг.6 - Способы снижения распределенной емкости. Фиг.7 - Зависимость относительного отклика Θ от количества витков и слоев катушки. Фиг.8 - Зависимость относительного отклика  Θ от диаметра обмоточного провода. Фиг.9 - Электрическая схема стенда для измерения параметров катушек. Фиг.10 - Степенная зависимость величины  взаимной индуктивности M от расстояния r между локатором и маркером. Фиг.11 - Схема расположения слоев соленоида с одинаковой высотой намотки h и межслойной изоляции в корпусе поплавка. Фиг.12 - Схема расположения слоев соленоида с разными высотами намотки h, h, h межслойной изоляции в корпусе поплавка. Фиг.13 - Сечение пассивного маркера. Цифрами на фиг.11-13 обозначены: 1 - корпус маркера, 2 - поплавок, 3 - жидкость с низкой температурой замерзания, 4 - слой намотки провода соленоида LC-контура, 5 - слой межслойной изоляции, 6 - электронная часть маркера, 7 - заглушка, 8 - ушко для крепления. Буквами обозначены: h - одинаковая высота намотки слоев соленоида, h, h, h - разные высоты намотки слоев соленоида, Н - высота корпуса поплавка, r - габаритный размер корпуса поплавка, r - размер внутренней поверхности корпуса маркера.
Реализацией заявленного изобретения является пассивный маркер, содержащий герметичный шарообразный сварной корпус маркера 1, выполненный из двух одинаковых пластмассовых полукорпусов, например, из окрашенного полиэтилена высокой плотности толщиной до 2 мм. Цвет корпуса маркера 1 выбирают в зависимости от типа сервисной линии. В корпусе 1 размещают герметичный поплавок 2, свободно плавающий в жидкости 3 с низкой температурой замерзания. Высота поплавка выполнена меньше его диаметра для устойчивого положения на поверхности жидкости 3. Корпус поплавка 2 может быть выполнен, например, сварным из полиэтилена или из полимерной пленки, например, полиэтиленовой [ГОСТ 10354-82 Пленка полиэтиленовая. Технические условия.] толщиной до 500 мкм, сваренной по внешнему контуру поплавка. Указанные толщины полиэтиленовых элементов 1 и 2 обеспечивают требуемую долговечность устройства. В качестве жидкости 3 с низкой температурой замерзания применяют, например, антифриз с температурой замерзания не выше минус 40°C. Поплавок 2 содержит катушку LC-контура маркера, состоящую из слоев 4 намотанного провода соленоида и слоев межслойной изоляции 5, а также электронную часть маркера 6. Электронная часть маркера 6, состоит из конденсатора с малым температурным коэффициентом емкости и малым тангенсом угла потерь и сдвоенного диода Шоттки. Как вариант исполнения, электронная часть 6 может дополнительно содержать электронную схему интеллектуальной системы RFID по функциям аналогичную системе RFID маркеров 1411-XR/ID, 1421-XR/ID, производства фирмы 3M. Места пайки электрических соединений и электронных компонентов схемы дополнительно герметизируют, например, Скотч мастичной лентой 2900 R или электроизоляционной мастикой Scotchfil™ производства компании ЗМ [Электротехнические ленты компании 3M. Сайт 3M, 2012. - URL: _RU/EU_ElectricalMarkets/Home/News/ProductFeatures/?PC_7_RJH9U52300OH6023C9LDDR0CU3_assetld=1258563887820 Дата обращения 10.02.2012].
Катушку LC-контура выполняют многослойной из медного обмоточного провода с эмалевой изоляцией, например, ПЭТВ-2 ТУ 16-705.110-79. В качестве межслойной изоляции используют, например, двухсторонний скотч или двухстороннюю клейкую ленту на основе вспененного полиэтилена толщиной 1 мм. Намотку слоев провода и межслойной изоляции ведут последовательно. LC-контур настраивают на резонансную частоту, соответствующую типу сервисной линии, подбором емкости. Устанавливают собранный и настроенный LC-контур маркера внутрь полукорпусов поплавка 2 и сваривают их по внешнему контуру любым известным способом. В одном из полукорпусов корпуса маркера 1 выполняют отверстие. Устанавливают внутрь собранный поплавок 2 и сваривают полукорпусы по внешнему контуру. Заливают через отверстие в корпусе 1 жидкость с низкой температурой замерзания 3 и заваривают отверстие расплавленной пластмассой, образуя заглушку 7.
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 8 к конструктивным элементам линии. Засыпают котлован (траншею, щель) грунтом. При этом поплавок 2 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/или визуальный сигналы. Перемещают локатор и 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.
Примером реализации полезной модели является, например, пассивный маркер для обнаружения линии связи (цвет корпуса -оранжевый, резонансная частота - 101,4 кГц;). Сварной корпус маркера 1 выполнен из полиэтилена высокой плотности толщиной около 2 мм, диаметром сферы 104 мм. Сварной поплавок 2 выполнен также из полиэтилена с толщиной стенки 1,5 мм, диаметром 98 мм и высотой 18 мм. Катушка LC-контура имеет 126 витков провода ПЭТВ-2 ⌀0,265 мм и выполнена в виде трехслойного соленоида по 42 витка в каждом слое 4 - плотная намотка по схеме «U» на оправке ⌀84 мм с двумя слоями 5 межслойной изоляцией из двухстороннего скотча ЕТ-155 (1×15 мм×5 м) MEGAPOWER /10/600 [Скотч двухсторонний (зеленый) MEGAPOWER. Сайт «МЕГАПАУЭР», Россия 2012. - URL: .mega-power.ru/products/scotch/scotch_19.html Дата обращения 10.02.2012]. В качестве жидкости с низкой температурой замерзания 3 используется автомобильный антифриз на основе этиленгликоля. Заглушка 7 устанавливается при помощи ручного аппарата горячего воздуха с ручной подачей присадочного полиэтиленового прутка LEISTER TRIAC S.
Катушка заявленного маркера содержит в 1,5 раза меньше медного провода, чем катушка маркера-прототипа 1401-XR EMS II (1401-XR Scotchmark™EMS II). Диапазоны обнаружения маркеров составляют: 1,50 м у прототипа; 1,56 м у заявленного маркера, что хорошо согласуется с данными расчета. Диапазоны обнаружения определялись при равенстве резонансных сигналов указанных маркеров в режиме поиска на частоте 101,4 кГц.