Способ определения местоположения пробойника в грунте и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для обнаружения пробойников, применяемых для пробивания скважин в грунте. Изобретение решает задачу определения направления движения и тангажа пробойника, повышения точности определения дальности, помехоустойчивости, надежности и упрощения устройства. Для этого в качестве сигнала излучателя, расположенного на пробойнике или рядом с ним, используют вращающееся магнитное поле. Поле вращают так, чтобы плоскость вращения вектора магнитного момента излучателя была перпендикулярна к оси пробойника. Находят расположение этой плоскости в пространстве с помощью направленных свойств антенн и по ее ориентации определяют направление оси пробойника. Определяют параметры вектора градиента поля с помощью минимум двух отсчетов и по направлению вектора определяют направление на излучатель. По модулю градиента и кубической зависимости напряженности поля от расстояния определяют дальность до излучателя. Способ реализуется устройством, содержащим одноканальный приемник, включающий коммутаторы на входе и выходе. Выходы антенн подключены к входам первого коммутатора, его выход подключен к входу регулируемого усилителя. Выход усилителя подключен к входу второго коммутатора, его выходы подключены к входам вычислителя, а его выход подключен к индикатору. 2 с. и 4 з. п.ф-лы, 5 ил.

Изобретения относятся к строительной технике и предназначены для обнаружения устройств ударного действия - пробойников, применяемых для пробивания скважин.

Известен метод обнаружения подземного объекта, разработанный ЦНИИС Министерства связи, для обнаружения буровой головки. Сущность его в том, что в буровую головку встраивается малогабаритный генератор звуковой частоты с излучающей рамкой и блоком питания. Электромагнитные колебания принимаются на поверхности земли приемником, состоящим из двух неподвижных и одной подвижной катушки искателя. Реализуется известный способ с помощью известного устройства, содержащего генератор, излучающий электромагнитные колебания, две неподвижные и одну подвижную катушки искателя, усилитель с батареей питания, индикатор и переключатель. Генератор закреплен на буровой головке, а все остальные элементы на поверхности земли [Пестов Г.Н. - Закрытая прокладка трубопроводов. М.: Стройиздат, 1964, с.51-52, рис.32].

Недостаток известного способа и устройства состоит в том, что он не позволяет определить курс и тангаж пробойника и имеет низкую точность определения его местоположения.

Наиболее близок к предлагаемому известный способ и устройство по обнаружению азимута пробойника с помощью обнаружения искрового генератора, расположенного на пробойнике или рядом с ним, минимум двумя антеннами, расположенными на поверхности земли, по максимуму сигнала. Известный способ реализуется с помощью устройства, содержащего закрепленную рядом с пробойником динамомашину с приводом от турбины, прерыватель, трансформатор, разрядник, две приемных антенны, приемное устройство и индикатор (см. фиг. 1, 2) [Патент N 2009298, E 02 F 5/18 - Буданов Г.И., Ткач X.Б., Костылев А.Д., Трубицын В. В. - Способ обнаружения пневмопробойника в грунте и устройство для его реализации].

В известном способе и устройстве динамомашина, приводимая во вращение турбиной, работающей от сжатого воздуха, вырабатывает высоковольтное напряжение, прерыватель, сидящий на общем валу с турбиной, периодически размыкает входную цепь трансформатора, соединяющую его с динамомашиной, в выходной цепи трансформатора формируется высоковольтный импульс, пробивающий разрядник. При этом излучается широкополосный радиоимпульс, принимаемый антеннами. Принятые сигналы усиливаются в приемном устройстве и подаются на индикатор.

Недостатки известного способа и устройства: 1) способ не позволяет определить направление движения и тангаж пробойника; 2) неоптимальное использование энергии разряда, так как направленные свойства радиоволна начинает проявлять только в дальней зоне. При расстояниях между излучателем и приемными антеннами, составляющих единицы метров (таковы условия работы), условиям дальней зоны будут соответствовать лишь волны дециметрового диапазона. Основная же доля энергии разряда сосредоточена в длинноволновой области; 3) способ имеет низкую точность определения дальности, так как приемники сложно защитить от низкочастотной, не имеющей направленности части энергии импульса. Она перегружает приемник и создает ошибку в пеленгации; 4) приемники в принципе должны быть широкополосными, так как должны пропускать короткие высокочастотные импульсы, а следовательно, они подвержены воздействию индустриальных помех; 5) использование радиоволн для пеленгации в грунте неоптимально, так как электрическая составляющая радиоволны быстро затухает в сыром грунте, и, кроме того, наличие металлических предметов создает переотражения; 6) устройство, реализующее данный способ, громоздко, имеет низкий КПД преобразования, электромеханические преобразователи ненадежны.

Задача, решаемая изобретениями, состоит в определении направления движения и тангажа пробойника, повышении точности определения дальности и помехоустойчивости, упрощении устройства, повышении его надежности и КПД.

Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения пробойника, согласно которому обнаруживают сигнал излучателя электромагнитного поля, расположенного на пробойнике или рядом с ним, с помощью двух антенн, приемного устройства и индикатора, расположенных на поверхности земли, согласно изобретению в качестве сигнала излучателя используют вращающееся магнитное поле, причем магнитное поле вращают так, чтобы плоскость вращения вектора магнитного момента излучателя была перпендикулярной оси пробойника, принимают сигналы в ближней зоне, где преобладает реактивная мощность поля, с помощью двух антенн, закрепленных на общей базе на расстоянии d так, чтобы совпали плоскости нулей их диаграмм направленности, определяют плоскость вращения вектора магнитного момента излучателя путем совмещения с ней плоскости нулей диаграмм направленности антенн так, чтобы уровни сигналов в антеннах равнялись нулю. При этом угол наклона плоскости нулей диаграмм направленности относительно вертикали равен углу тангажа пробойника. Затем определяют параметры вектора градиента поля и по ним определяют направление на излучатель и расстояние до него. Для этого поворачивают антенны до получения максимального уровня наведенного сигнала, ориентируют базу так, чтобы отношения α уровней сигналов в антеннах было минимальным, при этом направление базы совпадает с направлением на излучатель, и вычисляют расстояние до излучателя L по формуле Поставленная задача решается также тем, что устройство для определения местоположения пробойника, содержащее излучатель электромагнитных колебаний, расположенный на пробойнике или рядом с ним, две направленные антенны и приемное устройство с индикатором, расположенные на поверхности, согласно изобретению выход приемного устройства подключен к вычислителю, а его выход подключен к индикатору, приемные антенны закреплены на общей базе на расстоянии d так, чтобы плоскости нулей их диаграмм направленности совпадали, а база выполнена с возможностью переноса. В качестве излучателя используют генератор вращающегося магнитного поля, приемное устройство выполняют одноканальным с устройством коммутации на входе для поочередного подключения выходов антенн и устройством коммутации на выходе для поочередного, синхронного с переключением антенн подключения входов вычислителя.

Кроме того, согласно изобретению излучатель содержит генератор низкой частоты, три фазовращателя на 0, 120 и 240^o, три высокодобротных колебательных контура, к выходу генератора подключены входы фазовращателей, их выходы подключены к колебательным контурам, плоскости витков катушек колебательных контуров расположены под углом 60^o друг к другу вокруг оси пробойника, параллельно ей.

На фиг. 1 схематично изображено устройство, реализующее способ - прототип; на фиг.2 схематично изображено устройство излучателя прототипа; на фиг. 3 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 4 схематично изображен приемник предлагаемого устройства; на фиг.5 схематично изображен излучатель магнитного поля в предлагаемом устройстве.

Рассмотрим реализуемость способа и устройства на конкретном примере. В предлагаемом способе для определения местоположения пробойника используется вращающееся низкочастотное магнитное поле, излучатель которого располагают вблизи от пробойника. Магнитное поле низкой частоты не отрывается от излучателя, и его силовые линии имеют форму, близкую к окружностям, проходящим через излучатель. В качестве приемной антенны обычно применяют катушку индуктивности. Плоскость витков этой катушки является плоскостью нуля диаграммы направленности антенны, так как при совпадении этой плоскости с силовой линией поля сигнал в антенне равен нулю. Если силовая линия перпендикулярна плоскости витка, то уровень сигнала, наведенного в антенне, максимален. Благодаря этому, находясь в произвольной точке пространства, можно определить ориентацию силовых линий магнитного поля, однако этого недостаточно для определения местоположения излучателя. Но если плоскости нулей диаграмм направленности антенн совпадают, а сами антенны находятся на одной линии с излучателем, то разница в расстояниях от антенн до излучателя будет максимальной, что соответствует вектору градиента магнитного поля, а значит, и разница в уровнях наведенных в антеннах сигналов также будет максимальной. Этот признак и используется в предлагаемом способе для определения направления на излучатель следующим образом: контролируют отношение α уровней сигналов, наведенных в антеннах, и находят такую ориентацию базы, при которой это отношение будет минимальным, - это и есть искомое направление на излучатель. Благодаря кубической зависимости уровня сигнала от дальности способ обладает достаточной пространственной избирательностью. Далее, при известном размере d базы и кубической зависимости уровня сигнала от дальности дальность L от центра ближней антенны до излучателя определяют по формуле Более точно определить местоположение, а также направление движения и тангаж пробойника позволяет специфика вращающегося магнитного поля. Магнитное поле вращают вокруг оси, совпадающей с направлением движения пробойника. Существует плоскость, проходящая через излучатель и перпендикулярная оси вращения поля. Это плоскость вращения вектора магнитного момента P_м (фиг. 3). Если плоскости нулей диаграмм направленности антенн совместить с этой плоскостью, то сигналы в антеннах будут равны нулю. Есть вертикальная плоскость, проходящая через ось пробойника и перпендикулярная к плоскости вращения магнитного поля. Линия пересечения этих плоскостей проходит через излучатель. Если теперь совместить базу с этой линией, то отклонение базы от вертикали будет равно углу тангажа пробойника, а нормаль к найденной плоскости вращения вектора P_м укажет направление его движения. Осуществляется это следующим образом: ориентируют базу вертикально, поворачивают плоскость нулей диаграмм направленности антенн и находят точку на поверхности и такое направление этой плоскости, при котором уровни сигналов в антеннах будут максимальными; фиксируют это направление, поворачивают антенны вокруг вертикали на 90^o, перемещают в найденном направлении и подбирают такой наклон и поворот базы, при котором уровни сигналов в антеннах равны нулю. При этом плоскость нулей диаграмм направленности антенн с высокой точностью совпадает с плоскостью вращения вектора P_м, так как при малейшем несовпадении сигналы в антеннах уже не равны нулю. Направление движения пробойника уточняется после нахождения плоскости вращения вектора P_м.

Устройство, реализующее способ обнаружения пробойника 1 (фиг. 3), содержит излучатель 2, расположенный на пробойнике или рядом с ним, две антенны 3, 4, выходы которых подключены к входам приемника 10, а также индикатор 11, согласно изобретению антенны 3, 4 закреплены на общей базе 12 на заданном расстоянии d так, чтобы плоскости нулей их диаграмм направленности совпали, а база выполнена с возможностью переноса, приемник 10 (фиг. 4) содержит первую пару ключей 13, выходы ключей этой пары соединены с входом регулятора усиления 14, а его выход соединен с входом усилителя 15, выход усилителя подключен к общему входу второй пары ключей 16, выходы ключей второй пары подключены к входам вычислителя 17, выход вычислителя соединен со входом индикатора, выход одного из ключей второй пары 16, через который проходит сигнал от антенны 3, подключен к входу схемы АРУ 18, ее выход соединен с первым входом переключателя 20, второй вход переключателя 20 соединен с выходом схемы РРУ 19, выход переключателя 20 соединен с управляющим входом регулятора усиления 14, выход схемы управления ключами 21 подключен к управляющим входам ключей первой 13 и второй 16 пары так, что в каждой паре ключи управляются противофазно.

Излучатель магнитного поля 2 (фиг. 5) содержит генератор низкой частоты 22, выход которого подключен к входам трех фазовращателей 23, 24 и 25, выходы фазовращателей подключены к отводам от части витков катушек индуктивности 26 трех колебательных контуров соответственно, в состав контуров входят конденсаторы 27 и катушки индуктивности 26, плоскости витков катушек расположены под углом 60^o друг к другу и параллельны оси пробойника.

Устройство работает следующим образом. Сигнал, наведенный в антенне 3, поступает на один из ключей первой пары 13, а сигнал от антенны 4 поступает на второй ключ этой пары. Ключи в каждой паре управляются противофазно сигналами устройства 21. На выходе первой пары ключей сигналы объединяются с разносом во времени так, что оба имеют равную длительность, и поступают на вход регулятора усиления 14, затем усиливаются в усилителе 15 и поступают на входы ключей второй пары 16. Ключи второй пары также управляются устройством 21 противофазно и синхронно с первой парой ключей. Благодаря этому на выходе второй пары ключей 16 происходит разделение сигналов. Далее сигналы поступают на входы вычислителя 17, а результат выдается на устройство индикации 11, в котором либо производится индикация непосредственно дальности L, либо значение отношения α, а дальность определяется по номограмме.

В усилителе 15 предусмотрена схема автоматической регулировки усиления (АРУ) 18, работающая по сигналу от нижней антенны 3, и ручная регулировка усиления (РРУ) 19. Выбор режима осуществляется переключателем 20. АРУ удерживает сигналы на линейном участке амплитудной характеристики усилителя, что исключает ошибки при измерении отношения сигналов, и, следовательно, обеспечивает высокую точность определения дальности. Режим РРУ необходим при отыскании местоположения с максимальным уровнем сигналов и плоскости вращения вектора P_м.

Генератор низкой частоты 22 в излучателе магнитного поля 2 для повышения стабильности выполняют кварцованным с понижением частоты на цифровом делителе, а фазовращатели 23, 24 и 25 выполняют на кольцевом делителе на три. Сигналы с выходов фазовращателей поступают на три высокодобротных колебательных контура, образованных тремя индуктивными катушками 26 и тремя конденсаторами 27. Плоскости витков катушек располагают под углом 60^o друг относительно друга вокруг оси пробойника и параллельно ей, а благодаря наличию фазового сдвига 0, 120 и 240^o между сигналами, возбуждающими магнитные поля в катушках, суммарный вектор магнитных моментов P_м катушек 26 вращается с частотой сигнала генератора 22. Для обеспечения высокой добротности контуров выходы фазовращателей подключены к отводам от части витков катушек. Интенсивность магнитного поля в катушках накапливается пропорционально добротности контуров, что позволяет использовать генератор 22 малой мощности и использовать для него автономный источник питания.

Формула изобретения

1. Способ определения местоположения пробойника в грунте, согласно которому с помощью расположенного на пробойнике или рядом с ним излучателя возбуждают электромагнитные колебания, принимают сигналы с помощью антенн, расположенных на поверхности земли, отличающийся тем, что в качестве сигнала излучателя используют вращающееся магнитное поле, поле вращают так, чтобы плоскость вращения вектора магнитного момента излучателя была перпендикулярна к оси пробойника, находят положение этой плоскости в пространстве с помощью направленных свойств антенн и по ее ориентации определяют направление оси пробойника, а также с помощью минимум двух отсчетов определяют параметры вектора градиента поля и по направлению вектора градиента определяют направление на излучатель, а по модулю градиента и кубической зависимости напряженности поля от расстояния определяют дальность до излучателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плоскость нуля диаграммы направленности антенны совмещают с плоскостью вращения вектора магнитного момента излучателя путем получения нулевого уровня сигнала в антенне и определяют по ее ориентации тангаж и направление оси пробойника по азимуту.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что направление и дальность до излучателя определяют с помощью двух антенн, закрепленных на общей базе на расстоянии d так, чтобы совпали плоскости нулей их диаграмм направленности, путем отыскания такой ориентации базы, при которой относительная разница уровней сигналов в антеннах максимальна, определяют отношение α этих сигналов и вычисляют дальность L в найденном направлении по формуле 4. Устройство для определения местоположения пробойника, содержащее излучатель электромагнитных колебаний, расположенный на пробойнике или рядом с ним, две направленные антенны и приемное устройство с индикатором, расположенные на поверхности, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен вычислитель, вход которого подключен к выходу приемного устройства, а выход подключен к индикатору, приемные антенны закреплены на общей базе на расстоянии d так, чтобы плоскости нулей их диаграмм направленности совпадали, а база выполнена с возможностью переноса, в качестве излучателя используют генератор вращающегося магнитного поля.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что приемное устройство выполняют одноканальным с устройством коммутации на входе для поочередного подключения выходов антенн и устройством коммутации на выходе для поочередного, синхронного с переключением антенн подключения входов вычислителя.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что излучатель содержит генератор низкой частоты, три фазовращателя на 0, 120 и 240^o, три высокодобротных колебательных контура, к выходу генератора подключены входы фазовращателей, из выходы соединены с колебательными контурами, плоскости витков катушек расположены под углом 60^o друг к другу вокруг оси пробойника, параллельно ей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5