Способ бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погружённого в среду, и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам и средствам бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, и может быть использовано в областях промышленности, эксплуатирующих трубопроводы и другие протяженные металлические коммуникации. Сущность: формируют основной индукционный сигнал над исходной точкой искомого объекта. Наводят ток в искомом объекте. Осуществляют бесконтактный прием наведенного индукционного тока. Ищут его максимальное значение, определяющее точку над искомым объектом. Также бесконтактно формируют дополнительный индукционный сигнал, который наводит ток во всех прочих близкорасположенных токопроводящих объектах и не наводит ток в искомом объекте. Бесконтактно принимают соответствующий дополнительный наведенный индукционный сигнал от ближайшего постороннего объекта. Фиксируют разницу основного и дополнительного наведенных индукционных сигналов. По максимальному значению этой разницы определяют следующую точку оси искомого токопроводящего объекта. Для реализации способа предложено устройство, содержащее помимо основных индуктора и приемного устройства дополнительные индуктор и приемное устройство. Технический результат: повышение достоверности получаемой информации, расширение области применения. 2 н. и 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к способам и средствам бесконтактного определения оси подземного (подводного) металлического трубопровода или токопроводящего кабеля и может быть использовано в областях промышленности, эксплуатирующих трубопроводы и другие протяженные металлические коммуникации: в строительстве, коммунальном хозяйстве, дефектоскопии металлоконструкций, защите от коррозии, охране окружающей среды и т.п.

Известен трассоискатель подземных коммуникаций, предназначенный для поиска скрытых объектов (Патент РФ №2206106, кл. G01V 3/12, опубл. 2002 г.).

Данное устройство использует индукционный метод бесконтактного определения оси коммуникации.

Устройство выявляет подземные коммуникации, находящиеся на значительном удалении друг от друга в случае наличия в них токов электрохимической (катодной) защиты (ЭХЗ) или иных электрических токов.

В условиях помех от ЛЭП, троллейбусных или трамвайных линий выявление оси подземных сооружений затруднено.

Известны также способы и многочисленные технические средства для выявления оси токопроводящих трубопроводов и металлических кабелей с применением контактных или бесконтактных генераторов тока определенной частоты. Эти способы включают предварительное «наведение» тока в объекте при помощи контактного или индукционного генератора и последующую регистрацию данной частоты с применением специальных рамок или зондов (810 Dx фирмы Metrotech).

Заключение о местоположении оси искомого подземного сооружения делают по максимуму наведенного сигнала в приемной рамке (катушке) над коммуникацией.

К таким устройствам относится, например, устройство для электроразведки, описанное в авторском свидетельстве №646294, кл. G01V 3/10, опубл. 1979 г. Известное устройство содержит два излучателя, работающих от соответствующих генераторов с разными частотами генерируемых сигналов, и четыре приемника (по два на каждый передатчик). Определение экстремумов производится при движении поисковой установки перпендикулярно оси искомого объекта. Устройство не обеспечивает отслеживание оси конкретных скрытых токопроводящих объектов (трубопровода или кабеля). Кроме того, «схема И» 68, в соответствии с правилами ее работы, не позволит выполнять поставленную задачу, т.к. может пропускать сигнал только при наличии сигналов на всех входах одновременно.

Известны также трассоискатели (приемник ТИ-05-3, генератор ТИ-Т, АИ-3А, ЗАО "Эрстед" Россия, каталог фирмы 2004 г.), которые работают по принципу трассоискателя 810 Dx фирмы Metrotech, но с добавлением бесконтактного измерителя наведенного тока в каждом прослеживаемом трубопроводе (кабеле). Считается, что этот ток является характерным признаком каждого трубопровода или кабеля, поэтому перепутать или потерять прослеживаемую трассу маловероятно.

Недостатком этого способа и указанных выше устройств является следующее.

Используемый бесконтактный индуктор имеет диаграмму направленности в форме восьмерки, направленной максимумом излучения вертикально вниз на трассируемый объект. При этом облучаются все параллельно расположенные трубопроводы (кабели). Степень облучения зависит от углового положения параллельной оси и обратно пропорциональна расстоянию. Если параллельная трасса, например, силового кабеля проходит на меньшей глубине, то возможен вариант, что в нем наводится ток большей величины, чем в искомом объекте. При последующей трассировке максимальный сигнал может быть над соседним объектом, а не над тем, над которым установлен индуктор.

Недостатком трассоискателей ЗАО "Эрстед" и, например, фирмы «Radiodetection» (трассоискатель RD 400, каталог 2005 г.) является то, что при параллельной прокладке двух и более трасс приемное устройство по изложенной выше причине не может раздельно измерить токи в близкорасположенных объектах, т.к. приемная рамка (катушка) также регистрирует токи от соседних параллельных объектов. Такая ситуация характерна, например, для прямой и обратной труб тепловых сетей или основной и резервной ниток трубопроводов ТЭК. За счет этого способ и прибор не позволяют различить параллельно проложенные объекты.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройства, способных определять трассу металлического трубопровода или кабеля в условиях помех в виде близкорасположенных трубопроводов и кабелей даже при их параллельной прокладке или при различной глубине залегания параллельных трасс подземных коммуникаций.

Технический результат, который может быть получен при реализации способа и устройства для его осуществления, состоит в повышении достоверности информации о местонахождении оси и непосредственно оси объекта (металлического трубопровода или токопроводящего кабеля) в условиях помех в виде параллельных сооружений (трубопроводов, кабелей, а также в расширении области применения способа и устройства.

Повышение достоверности информации о местонахождении оси металлического трубопровода или токопроводящего кабеля достигается за счет получения и обработки дополнительной информации от искомого и посторонних (расположенных вблизи искомого трубопровода (кабеля) трубопроводов. Расширение области применения достигается за счет возможности поиска оси не только отдельно расположенного трубопровода (кабеля), но и выявление оси искомого объекта из группы параллельных посторонних близкорасположенных трубопроводов (кабелей).

Результат достигается тем, что в способе бесконтактного определения оси трубопровода или кабеля при подземной (подводной) прокладке, включающем бесконтактное формирование основного индукционного сигнала над исходной точкой трубопровода или кабеля над поверхностью земли (воды), наведение тока во всех параллельных близкорасположенных трубопроводах или кабелях, бесконтактный прием наведенного индукционного тока, поиск максимального значения этого сигнала, определяющего следующую точку оси трубопровода или кабеля, бесконтактно формируют дополнительный индукционный сигнал, который наводит ток во всех параллельных трубопроводах и кабелях, расположенных вблизи оси искомого токопроводящего объекта и не наводит ток в искомом трубопроводе (кабеле), бесконтактно принимают сигнал от соответствующего дополнительного наведенного индукционного тока, вычисляют разницу сигналов от основного и дополнительного наведенных индукционных токов, и по максимальному значению этой разницы определяют следующую точку оси искомого трубопровода (кабеля), при этом основной индуктор имеет диаграмму направленности с максимумом в вертикальной плоскости, дополнительный индуктор имеет диаграмму направленности с минимумом в вертикальной плоскости; и тем, что основной и дополнительный индукционные сигналы принимают основным и дополнительным приемными устройствами; и тем, что основной индуктор и основное приемное устройство работают на частоте, отличающейся от частоты работы дополнительного индуктора и дополнительного приемного устройства; и тем, что основной индуктор и основное приемное устройство работают поочередно на частоте, равной частоте работы дополнительного индуктора и дополнительного приемного устройства, но в разные промежутки времени; и тем, что основной индуктор и основное приемное устройство работают на частоте, отличающейся от частоты, на которой работают дополнительный индуктор и дополнительное приемное устройство, и в разные промежутки времени; и тем, что промежутки времени, в которые работают основной и дополнительный индукторы и основное и дополнительное приемные устройства формируются устройством синхронизации; и тем, что основной и дополнительный индукторы и питающие их генераторы объединены в передающий блок, основное и дополнительное приемные устройства совместно с блоком обработки информации и индикатором объединены в приемный блок, и тем, что основной и дополнительный индукторы выполнены в виде рамки или катушки, и тем, что оси основного индуктора, ось основной приемной катушки (рамки) и ось дополнительной приемной катушки (рамки) расположены перпендикулярно оси трубопровода (кабеля) и параллельно поверхности земли (воды); а ось дополнительного индуктора расположена перпендикулярно оси трубопровода (кабеля) и перпендикулярно поверхности земли (воды); и тем, что содержит блок синхронизации для совмещения времени работы основного индуктора со временем работы основного приемного устройства и времени работы дополнительного индуктора со временем работы дополнительного приемного устройства; и тем, что совмещенные основное и дополнительное приемные устройства имеют интеграторы, узел вычитания дополнительного сигнала из основного (алгебраический сумматор) и индикатор уровня.

Предлагаемый способ включает:

- наведение в искомом трубопроводе или кабеле генератором переменного тока через облучающий индуктор индукционного сигнала; причем индуктор имеет диаграмму направленности в форме восьмерки, т.е. в плоскости рамки сигнал равен нулю, а перпендикулярно плоскости - максимальный. Это означает что, если установить плоскость индуктора вертикально на поверхности земли вдоль оси трубопровода, то в трубопроводе возникает максимальный ток наводки;

- во всех трубопроводах или кабелях, параллельно проложенных рядом с исходным, также возникают токи наводки. Величина этих токов будет обратно пропорциональна расстоянию до облучающего индуктора и углового положения относительно максимума диаграммы направленности;

- фиксацию приемником максимального сигнала над тем трубопроводом или кабелем, где установлен индуктор;

- в случае, если расположить плоскость рамки горизонтально над трубопроводом или кабелем, то под рамкой будет находиться нулевая область диаграммы направленности индуктора, при этом ток наводки в трубопроводе (кабеле) под индуктором будет равен нулю. В то же время во всех параллельных объектах, не расположенных в области нулевой диаграммы направленности индуктора, наводится ток.

В соответствии с предлагаемым изобретением облучающее устройство содержит два совмещенных индуктора. Один облучает все трубопроводы (кабели), расположенные вблизи него в нижней полусфере, а другой облучает все объекты в нижней полусфере, кроме того, над которым он установлен.

Двухканальное приемное устройство, отнесенное от облучающих индукторов в сторону на расстояние, достаточное для обеспечения затухания прямого сигнала, принимает сигналы от наведенных в трубопроводах (кабелях) токов, детектирует их, накапливает, вычитает из основного сигнала дополнительный и разницу выводит на индикатор.

Над искомым трубопроводом (кабелем) из сигнала от тока, наведенного основным индуктором, вычитается сигнал от тока, наведенного дополнительным индуктором, т.е. нулевой сигнал. Над соседним трубопроводом (кабелем) из сигнала от тока, наведенного основным индуктором, вычитается сигнал от тока, наведенного дополнительным индуктором, который всегда больше нуля. Этим увеличивается достоверность определения оси того объекта, над которым установлен облучатель.

Возможны следующие варианты разделения сигналов на облучающих индукторах и приемных устройствах.

1. Основные индуктор и приемное устройство работают на разных частотах с дополнительными индуктором и приемным устройством.

2. Основные индуктор и приемное устройство работают на той же частоте, что и дополнительные индуктор и приемное устройство, но поочередно в разные промежутки времени.

3. Основные индуктор и приемное устройство работают на другой частоте, чем дополнительные индуктор и приемное устройство и поочередно в разные промежутки времени.

Реализация способа и работа устройства поясняются с помощью фиг.1, на которой проиллюстрирован способ и фиг.2, на которой приведены варианты реализации устройства в соответствии с вариантами предложенного способа. На фиг.1 указаны рамка основного индуктора 1, рамка дополнительного индуктора 2, диаграмма направленности 3 излучения основного индуктора 1, диаграмма направленности 4 дополнительного индуктора 2, вектор интенсивности облучения 5 основным индуктором 1 соседнего трубопровода 6, вектор интенсивности облучения 7 дополнительным индуктором 2 соседнего трубопровода 6, вектор интенсивности облучения 8 основным индуктором 1 искомого трубопровода 9, генератор 10, питающий основной индуктор 1, генератор 11, питающий дополнительный индуктор 2, передающие индукторы объединены в передающий блок 12, основное приемное устройство 13, дополнительное приемное устройство 14, устройство вычитания (алгебраического суммирования) 15, индикатор 16, диаграмма направленности приемного устройства 17, уровень принимаемого сигнала 18 от наведенного основным индуктором 1 тока в соседнем трубопроводе 6, уровень принимаемого сигнала 19 от наведенного дополнительным индуктором 2 тока в соседнем трубопроводе 6, уровень принимаемого сигнала 20 от наведенного основным индуктором тока в искомом трубопроводе 9, узлы 13-16 объединены в приемный блок 21.

Работа устройства поясняется с помощью фиг.2, на которой приведены варианты реализации устройства в соответствии с вариантами предложенного способа, где первый и второй генераторы 22, 23 импульсов, соединенные соответственно с основной и дополнительной облучающими рамками 24, 25, объединенные в передающий блок 26, основной и дополнительный приемники 27, 28, соединенные через сумматор 29 с индикатором 30, объединенные в приемный блок 31, генератор 32 импульсов, соединенный через коммутатор 33 с основной и дополнительной облучающими рамками 34, 35, блок 36 формирования промежутков времени работы основных индуктора и приемника и промежутков времени работы дополнительных индуктора и приемного устройства, соединенный с коммутатором 33, объединенные в передающий блок 37, основной и дополнительный приемники 38, 39, соединенные через коммутатор 40 с сумматором 41, соединенным с индикатором 42, объединенные в приемный блок 43, первый и второй генераторы 44, 45 импульсов, соединенные через коммутатор 46 с основной и дополнительной облучающими индукторами 47, 48, блок 49 формирования промежутков времени работы основных индуктора и приемного устройства и промежутков времени работы дополнительных индуктора и приемника, соединенный с коммутатором 46, объединенные в передающий блок 50, основной и дополнительный приемники 51, 52, соединенные через коммутатор 53 с сумматором 54, соединенным с индикатором 55, объединенные в приемный блок 56. Генераторы 10, 11, 22, 23, 32, 44, 45 могут быть выполнены в виде синтезатора, блока управления и индикации и усилителей мощности на базе микроконтроллера AT90S8535 фирмы ATMEL. Синтезатор формирует импульсные последовательности с индивидуальными частотами и периодами повторения импульсов. Электрическая схема не приводится для сохранения конфиденциальности, но может быть показана эксперту для подтверждения работоспособности генератора и всего устройства в целом. Приемники 13, 14, 27, 28, 38, 39, 51, 52 могут быть выполнены в виде усилителей мощности, преобразователя частоты, блока управления и индикации (на базе микроконтроллера АТMega8535 и жидкокристаллического индикатора BL12864 фирмы ATMEL), блока гетеродинов (на базе микроконтроллера АТMega8535 фирмы ATMEL) и блока аналого-цифрового преобразования и цифровой обработки сигналов (на базе микроконтроллера ATtiny 12 фирмы ATMEL). Электрическая схема не приводится для сохранения конфиденциальности, но может быть показана эксперту для подтверждения работоспособности генератора и всего устройства в целом.

Способ реализуется следующим образом.

Над искомым трубопроводом или кабелем устанавливается передающий блок 12, состоящий из генераторов 10, 11 и облучающих рамок - индукторов 1, 2. Основная рамка 1, имеющая диаграмму направленности 3, наводит ток I_осн в искомом трубопроводе 9 и ток I'_осн в соседнем трубопроводе. Дополнительная рамка 2, имеющая диаграмму направленности 4, наводит ток I'_доп в соседнем трубопроводе.

Искомый трубопровод 9 находится в нулевой области диаграммы направленности 4 дополнительной рамки 2, поэтому наведенный ток от этой рамки в искомом трубопроводе равен нулю.

На фиг.1 изображен частный случай, когда расстояние между искомым и мешающим трубопроводами равно глубине их заложения (L=Н), при этом I'_осн=I'_доп.

В любом другом случае при условии, что L>H ток в мешающем трубопроводе от дополнительного индуктора будет больше тока от основного индуктора I'_доп>I'_осн.

Тогда над трубопроводом 9 блок 21 зафиксирует сигнал, пропорциональный разнице токов I_осн-I_доп=I_осн-0=I_осн, над трубопроводом 6 сигнал пропорционален разнице токов I_осн-I_доп=0. В случае L>H эта разница отрицательна и не регистрируется индикатором 15.

Таким образом, разница сигналов на индикаторе 16 в блоке 21 над искомым объектом всегда больше разницы сигналов над объектом, расположенным рядом.

Применение двух индукторов, генерирующих два сигнала, согласно изложенному, и двух приемных устройств с соответствующей обработкой сигналов позволяет распознать искомый объект среди других параллельно расположенных сооружений и повышает достоверность трассировки подземных трубопроводов (кабелей), даже если расстояние между ними меньше глубины их заложения.

Устройство работает следующим образом.

В первом варианте (фиг.2) на основной и дополнительный облучающие индукторы 24, 25 поступают от генераторов 22, 23 сигналы разных частот. Наведенные сигналы соответствующих частот принимаются приемными устройствами 27, 28, разностный сигнал фиксируется в сумматоре 29 и отражается индикатором 30.

Во втором варианте, при наличии одного генератора 32, его сигналы подаются поочередно на основной и дополнительный облучающие индукторы 34 и 35 через коммутатор 33, управляемый блоком 36, который также управляет коммутатором 40 посредством радиоканала (на чертежах не показан). Через коммутатор 40 наведенные сигналы, принятые приемными устройствами 38, 39, передаются в сумматор 41 и оттуда разностный сигнал поступает в индикатор 42. Приемные устройства имеют интеграторы.

В третьем варианте поочередную подачу импульсов на основной и дополнительный облучающие индукторы 47, 48 можно осуществлять и при наличии двух разночастотных генераторов 44, 45 через коммутатор 46, управляемый блоком 49. Прием наведенных электромагнитных сигналов осуществляется основным и дополнительным приемными устройствами 51, 52, передающими их через коммутатор 53 в сумматор 54, через который разностный сигнал поступает в индикатор 55. Приемные устройства имеют интеграторы. В этом случае не требуется линия связи для синхронизирующих сигналов.

Наличие в предлагаемом устройстве двух облучающих индукторов и облучения объектов двумя частотами, а также двухчастотного приемного устройства обеспечивает выявление искомого объекта и в том случае, если он находится рядом с посторонними близкорасположенными скрытыми токопроводящими объектами. Это позволяет однозначно определять местоположения оси искомого подземного трубопровода (кабеля) в многониточном коридоре для дальнейшей регистрации в базе данных при паспортизации оборудования.

Предлагаемое устройство позволяет осуществить вычисление результирующей величины разницы сигналов от двух облучающих индукторов, ориентированных в различных плоскостях. Это обеспечивает возможность уверенного дифференцирования оси искомого сооружения в многониточном коридоре близкорасположенных объектов, а также в условиях отсутствия электрохимической защиты искомого объекта от коррозии (тока ЭХЗ), способствует ускорению обработки текущей информации в режиме реального времени.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет расширить область применения за счет распознавания местонахождения оси искомого объекта среди других параллельно расположенных сооружений, а также в условиях помех (ЛЭП и др.) и при отсутствии катодной (ЭХЗ) защиты металлического трубопровода.

1. Способ бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, включающий формирование основного индукционного сигнала над исходной точкой искомого токопроводящего объекта, наведение тока в искомом токопроводящем объекте, бесконтактный прием наведенного индукционного тока, поиск его максимального значения, определяющего точку над искомым токопроводящим объектом, отличающийся тем, что бесконтактно формируют дополнительный индукционный сигнал, который наводит ток во всех прочих близкорасположенных токопроводящих объектах и не наводит ток в искомом токопроводящем объекте, бесконтактно принимают соответствующий дополнительный наведенный индукционный сигнал от ближайшего постороннего токопроводящего объекта, фиксируют разницу основного и дополнительного наведенных индукционных сигналов и по максимальному значению этой разницы определяют следующую точку оси искомого токопроводящего объекта.

2. Способ бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, по п.1, отличающийся тем, что основной индукционный сигнал формируют индуктором с диаграммой направленности, имеющей максимум в вертикальной плоскости, и дополнительный индукционный сигнал формируют индуктором с диаграммой направленности, имеющей минимум в вертикальной плоскости.

3. Способ бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, по п.1, отличающийся тем, что основной и дополнительный сигналы формируют основным и дополнительным индукторами, основной и дополнительный наведенные сигналы принимают основным и дополнительным приемными устройствами.

4. Способ бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, по п.3, отличающийся тем, что основные индуктор и приемное устройство работают на частоте, отличающейся от частоты работы дополнительных индуктора и приемного устройства.

5. Способ бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, по п.3, отличающийся тем, что основные индуктор и приемное устройство работают на частоте, равной частоте работы дополнительных индуктора и приемного устройства, но в разные промежутки времени.

6. Способ бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, по п.3, отличающийся тем, что основные индуктор и приемное устройство работают на частоте, отличающейся от частоты работы дополнительных индуктора и приемного устройства, и в разные промежутки времени.

7. Способ бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, по п.1, отличающийся тем, что токопроводящий объект выполнен в виде металлического трубопровода или токопроводящего кабеля.

8. Способ бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, по п.1, отличающийся тем, что средой служит грунт или вода.

9. Устройство для бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, содержащее основные индуктор и приемное устройство, отличающееся тем, что введены дополнительные индуктор и приемное устройство, причем основное и дополнительное приемные устройства через узел обработки принимаемых сигналов соединены с узлом индикации, основной и дополнительный индукторы объединены в передающий блок, основное и дополнительное приемные устройства, узел обработки принимаемых сигналов и узел индикации объединены в приемный блок, передающий и приемный блоки разнесены в пространстве, причем оси основного индуктора, основного и дополнительного приемных устройств расположены перпендикулярно оси объекта и параллельно поверхности Земли (воды), а ось дополнительного индуктора расположена перпендикулярно оси объекта и перпендикулярно поверхности Земли (воды).

10. Устройство для бесконтактного определения оси токопроводящего объекта, погруженного в среду, по п.9, отличающееся тем, что основной и дополнительный передающие индукторы выполнены в виде рамки и/или катушки.