Способ определения координат инженерных металлических коммуникаций и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 4 С 01 Ч 3/ ОПИСАН К АВТОРСКОМ ТЕНИ ЕЛЬС СВ измерение в о ной, параллел нои точке гориэ ной направлению ьной составляющ ости магнитного нталь- движех векия и вертика тора напряжен определение м поля иминиента выявлени У ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(56) Гордиенко В.И., Убогий В.П., Ярошевский Е,В, Электромагнитное обнаружение инженерных коммуникаций и локальных аномалий. Киев: Наукова думка, 1981, с.226.Авторское свидетельство СССР У 739451, кл. С 01 Ч 3/00, 1979.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИНЖЕНЕРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОММУНИКАЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электро- разведке низкочастотным гармоническим полем и может быть использовано в установках, предназначенных для поиска и определения координат подземных и подводных инженерных металлических коммуникаций (трубопроводов, кабелей и т.д.) непосредственно в процессе движения носителя поисковой установки, Целью изобретения является повышение точности определения координат инженерных металлических коммуникаций в процессе движения носителя поисковой установки и повышение производительности поисковых и рекогносцировочных работ с поверхности земли и в гидросреде, Способ определения координат инженерных металлических коммуникаций включает возбуждение первичного электромагнитного поля дипольным излучателем,БО, 1318957 А 1 мума модуля вертикальной составляющей. Дополнительно предложено в указанной точке одновременно измерятьдругую горизонтальную составляющую,перпендикулярную первой, измерять модуль и определять знак аргумента отношения горизонтальных составляющих,а также фиксировать моменты равенства модулей вертикальной и горизонтальной составляющих вектора напряженности вто ичного магнитного поля,Рпричем по временному интервалу межд моментами равенства модулей указанных составляющих определять глубину залегания инженерной металлической коммуникации, а по значению модуля и знаку аргумента отношения горизон тальных составляющих и моменту появления минимума модуля вертикальноисоставляющей - ее положение в плане.Устройство для опрделения координатинженерных металлических коммуникаций содержит генератор периодическихсигналов, соединенный с дипольным излучателем, последовательно соединенные вертикальный магнитоприемник,первый предврительный усилитель ипервый амплитудно-фазовый компенсатор, последовательно соединенные горизонтальный магнитоприемник, осьчувствительности которого параллельна направлению движения, а центр сов.мещен с центром вертикального магнитоприемника, второй предварительный усилитель, второй амплитудно-фа1318957 и,Зв стаВител хред И,В орректор А.Тяско едактор В к е Пгдизводственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул .Проектная,4 Заказ 6410 Т ВНИИПИ Госу по делам 113035, Москвраж 730арственного изобретенийЖ, Рауш Подписноомитета СССРоткрытийкая наб., д.4/51318957 зовый компенсатор и делительное устройство, цифровое отсчетное устройство, Предложено дополнительно ввести второй горизонтальный магнитоприемник, перпендикулярный первому,третий амплитудно-фазовый компенсатор, управляемый нуль-детектором,первый и второй амплитудные детекторы, определитель знака фазового сдви 1Изобретение относится к области электроразведки низкочастотным гармоническим полем и может быть использовано в установках, предназначенныхдля поиска и определения координатподземных и подводных инженерных металлических коммуникаций (трубопроводов, кабелей и т,д,) непосредственно в процессе движения носителяпоисковой установки.Цель изобретения - повьппение точности определения координат инженерных металлических коммуникаций в процессе движения носителя поисковой15установки и повышение производительности поисковых и рекогносцировочных работ на поверхности земли и вгидросреде,На фиг. 1 приведено схематическоеизображение геометрии поисковой си 20туации; на фиг.2 и 3 - расчетные амплитудные зависимости профилированиядля горизонтальной, параллельнойнаправлению движения, и вертикальнойсоставляющих вектора напряженностивторичного магнитного поля;на фиг.4 -.полученные расчетным путем в однойточке профили зависимости амплитуд1первой (Н ) и второй (Н 1 ) горизон 1тальных составляющих вектора напряженности вторичного поля от угла меж-ду трассой коммуникации и корпусомносителя поисковой установки; нафиг.5 - блок-схема устройства дляреализации предложенного способа определения координат инженерных металлических коммуникаций; на фиг,бэпюры выходных напряжений отдельныхузлов устройства, объясняющие его работу.40Сущность изобретения заключаетсяв следующем,га между входными сигналами, пороговое устройство, источник опорногонапряжения, первый и второй ключи,управляемый компаратор, датчик скорости, преобразователь скорость-частота, счетчик импульсов и дешифратор с соответствующими связями.2 з,п,ф-лы, б ил,1 2Известно, что в случае вертикальной составляющей вектора напряженности вторичного магнитного поля амплитудная зависимость профилирования над цилиндрической металлической коУ- муникацией характеризуется двумя максимумами, разделенными минимумом, появляющимся в момент расположения точки наблюдения точно над осью коммуникации. Аналогичная зависимость для горизонтальной составляющей напряженности вторичного магнитного поля, па раллельной направлению профилирования, имеет один максимум, возникающий при нахождении точки наблюдения над осью коммуникации. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено: независимо от значения угла между трассой коммуникации и курсом носителя поисковой установки расстояние между точками равенства амплитуд измеряемых в одной точке вертикальной и горизонтальной (параллельной направлению движения) составляющих вектора напряженности вторичного магнитного поля равно уд;военной высоте прохода магнитоприемников над коммуникацией, т,е, удвонной глубине залегания; отношение измеряемых в любой точке профиля горизонтальной (параллельной направлению движения) составляющей вектора напряженности вторичного магнитного поля к другой горизонтальнойсоставляющей, перпендикулярной первой, равно тангенсу угла между осью коммуникации и курсом носителя поисковой установки.На фиг 1 через ОХУ 2 обозначена выбранная декартова система координат, ось 02 которой совмещена с геометрической осью цилиндрической коммуни з 13189кации радиуса а, а ось ОХ направленавертикально вверх. В точке А (Х Уу Э2 ) расположен произвольно ориейтир 3 ванный дипольный излучатель с моментом М , а в точке В (Хд, У, 2) -5центры вертикального (Н) и взаимоперпендикулярных горизонтальных (НН ) магнитоприемников, При этом Х == Ь - высота перемещения приемников над плоскостью 702, т,е. глубина залегания коммуникации, ( - уголмежду осью коммуникации и курсомпоисковой установки, Отметим, чтоо и Ь являются искомыми координатами инженерной металлической коммуникации,На фиг,2 приведены полученные расчетным путем амплитудные зависимостипрофилирования поисковой установкой 20с горизонтальным электрическим диполем, вертикальным и горизонтальным, параллельным направлению профилирования, магнитоприемниками над цилиндрической неоднородностью в полупроводящей среде (например, морскаявода) для случая с = -- и различныхР2 значений Ь. При этом сплошными линиями обозначены зависимости амплитуды горизонтальной Н составляющейвектора напряженности вторичногомагнитного поля коммуникации от Уя,.а штриховыми - зависимости (Н ь ) отУ,Из приведенных графиков фиг.2 следУет, что расстояние между точкамипересечения кривых для(Н а ) и. (Н 1,полученных при одинаковых Ь, т.е.расстояние между точками равенства 40амплитуд указанных составляющих,равно удвоенной высоте прохода магнитоприемников над осью коммуникации,т.е. удвоенной глубине залегания последней. 45Иллюстрацией отсутствия влияниязначения Ы на отмеченное равенствомогут служить графики фиг,3, на которой изображены зависимости (ЙиЙ, ) от У, полученные при Ь = 2 ми различных Ы ,Из графиков фиг.2 и 3 можно такжезаключить, что (Н ) принимает минимальное (практически нулевое) значение при прохождении вертикальногомагнитоприемника над осью коммуникации, что в предложенном способеиспользовано для определения местоположения трассы коммуникации. Для определения положения инженерной металлической коммуникации в плане в предлагаемом способе, кроме того, используется отношение двух взаимоперпендикулярных горизонтальных составляющих вектора напряженности вторичного магнитного поля, одна из которых параллельна направлению профилирования (в данном случае Н), Зависимости значений модулей Йи Нг, полученных в одной точке профиля, от о при Ь = сопят изображены на фиг.4Нетрудно убедиться,что1 Н1 Нг4 сЕдс 1.1Поскольку котангенс является не четной функцией, а угол может изменяться в пределах 0-180, для однозначного определения положения коммуникации в плане необходима информация о фазовом (временном) сдвиге между мгновенными значениями горизонтальных составляющих Н и Н 11Устройство для реализацйи предложенного способа содержит генератор 1 периодических сигналов, дипольный излучатель 2, вертикальны 3, первый 4 и второй горизонтальный 5 магнитоприемники, первый, второй и третий предварительные усилители 6-8, первый, второй и третий амплитуднофазовые компенсаторы 9-11, первый и второй амплитудные детекторы 12 и 13, фазометр 14, делительное устройство 15,первый, второй, третий и четвертый ключи 16-19, пороговую схему 20; первый и второй источники 21 и 22 опорного напряжения, датчик 23 скорости, преобразователь 24 скорость - частота, управляемые компаратор 25 и нуль-детектор 26, арккотангенсный преобразователь 27,сумматор 28, счетчик 29 импульсов, дешифратор 30, цифровое отсчетное устройство 31.Работа устройства для определения координат инженерных металлических коммуникаций, реализующего предложенный способ, осуществляется следующим образом.Дипольный излучатель 2, питаемый генератором 1 периодических сигналов, создает в окружающем пространстве первичное электромагнитное поле. В отсутствие в зоне действия поисковой установки инженерной металлической коммуникации выходные сигналы вертикального 3, первого 4 и второ1318957 5го 5 горизонтальных магнитоприемников, обусловленные первичным магнитным полем, усиливаются предварительными усилителями 6-8,и поступают напервые входы первого 9, второго 10и третьего 11 амплитудно-фазовыхкомпенсаторов соответственно, другиевходы которых подсоединены к выходугенератора 1 периодических сигналов.При этом на выходах амплитудно-фазовых, компенсаторов 9-11 устанавливаются необходимые минимальные уровнисигналов.Выходной сигнал первого амплитудно-фазового компенсатора 9, продетектированный вторым 13 амплитудным детектором, поступает наодин из сигнальных входов управляемого компаратора 25, на другой сигнальный входкоторого одновременно поступает про-.детектированный первым амплитуднымдетектором 12 выходной сигнал второго амплитудно-фазового компенсатора 10, Постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде выходногосигнала второго амплитудно-фазовогокбмпенсатора 10, с выхода первогоамплитудного детектора 12 одновременно поступает на один иэ входов порОговой схемы 20, другой вход которойподсоединен к первому источнику 21опорного напряженияВыходные напряжения второго 10 и третьего 11 амплитудно-фазовых компенсаторов подаются на входы соответственно делителя и делимого делительного устрой-ства 15, При этом на выходе делительного устройства 15 устанавливается напряжение, пропорциональное отношению амплитуд входных сигналов,и поступает на сигнальный вход первого ключа 16, Одновременно выходные сигналы второго 10 и третьего 11амплитудно-фазовых компенсаторов поступают на различные входы фазометра14, а напряжение с выхода первогоамплитудно-фазового компенсатора 9на сигнальный вход управляемого нульдетектора 26,В отсутствие инженерных металлических коммуникаций в зоне действияпоисковой установки запрещающий выходной сигнал пороговой схемы 20 одновременно поступает на входы управления нуль-детектора 26, первого16 и четвертого 19 ключей, а такжеуправляемого компаратора 25. Б результате на выходах указанных узловустанавливается нулевое напряжение,бПри этом выходной сигнал датчика 23скорости, преобразованный в последовательность кратковременных импульсов преобразователем 24 скоростьчастота, не проходит на выход третьего ключа 18.Нет сигналов и на выходах управляемого нуль-детектора 26, предназначенного для фиксации момента ми- Ю. нимума амплитуды вертикальной составляющей вторичного магнитного поля,соответствующего расположению магнитоприемников точно над трассой коммуникации. Отсутствует также сигнал 15 и на выходе четвертого ключа 19,содержащий информацию о значенииугла между трассой коммуникации икурсом носителя поисковой установки,При появлении в зоне чувствитель ности устройства коммуникации на выходах магнитоприемников 3-5 появляются приращения к исходным значениямсигналов, обусловленные вторичныммагнитным полем.Эти приращения,уси ленные первым 6, вторым 7 и третьим8 предварительными усилителями, передаются на выходы амплитудно-фазовыхкомпенсаторов 9-11 соответственно.Выходное напряжение П, первого 30 амплитудного детектора 12 в видеоднополярного колоколообразного импульса поступает на один из входовпороговой схемы 20, другой вход которой подсоединен к первому источЗ 5 нику 21 опорного напряжения. Приэтом на выходе пороговой схемы 20появляется импульс, длительностькоторого равна длительности превышения напряжения П, 40 над выходным напряжением П, первого источника 2 1 опорного напряжения.Укаэанный импульс одновременно поступает на входы управления первого 16 и четвертого 19 ключей, а так- ,5 же управляемых нуль-детектора 26 икомпаратора 25, разрешая прохождениена их выходы преобразованных напряжений с сигнальных входов.Выходное напряжение Ц первого 0 амплитудного детектора 12 одновременно поступает на один иэ сигнальных входов управляемого компаратора 25, другой вход которого подсоединен к выходу второго амплитудного 55 детектора 13, Управляемый компаратор25 работает таким образом, что наего выходе появлется напряжение(импульс) при условии П 7 гт,е. формируется импульс, длитель 7 13189 ность которого= С - С пропорциональна расстоянию между точками равенства амплитуд выходных сигналов горизонтального (параллельного направлению движения) и вертикального магнитоприемников.Импульс с выхода управляемого компаратора 25 поступает на управляющий вход второго ключа 17, При этом выходной сигнал с датчика 23 скоро сти, преобразованный преобразователем 24 скорость - частота в последовательность кратковременных однополярных импульсов, через третий ключ 18 поступает на счетчик 29 импуль сов, Количество импульсов, прошедших через третий ключ 18 за время Т 4- дейстия импульса на выходе управляемого компаратора 25, пропорционально расстоянию между точками пересечения зависимостей Н (С) и 0 з (С) (фиг,б), т.е. глубине залегания коммуникации, С выходов счетчика 29 импульсов сигналы через дешифратор 30 поступают на сбответствующие входы 25 цифрового отсчетного устройства 31, регистрирующего значение глубины залегания коммуникации.Одновременно выходное напряжение делительного устройства 15, пропор циональное отношению амплитуд второй (Н) и первой (Н) горизонтальнык составляющих вектора напряженности вторичного магнитного поля коммуникации, через. первый ключ 16 поступает на вход арккотангенсного преобразователя 27, выходной сигнал которого равен Б.К агссс 8 Б где К - коэффициент пропорционаг.ьности, 40Поскольку на выходе делительного устройства 15 сигнал пропорционален 1 Й1 Й 1, выходной сигналтарккотангенсного преобразователя 27 содержит информацию об истинном зна чении угла Ы между трассой коммуникации и курсом носителя поисковой установки только в случае 0 .( Ы с 90 Оо Для однозначного определения Ы во всем диапазоне возможных значений, 50 т,е. от 0 до 180 , необходима дополнительная информация о фазовом (временном) сдвиге между мгновенными знаВчениями Ни Н. В зависимости от д указанные составляющие могут быть 55 либо синфазны О с И с 90 , либо противофазны 90 ( Ы ( 180 О. При этом напряжение на выходе фазометра будет принимать либо минимальное, ли 578бо максимальное значение соответственно.В случае синфазности Ни НЧвыходное напряжение с второго источника 22 опорного напряжения на другой вход сумматора 28 не поступает,поскольку второй ключ 17 при этомзакрыт. Эта ситация соответствуетО ( с( ( 90, При 90 ( с( с 180 ,когда Н и Нстановятся противо 2 1фазными, на вход управления второгоключа 17 поступает напряжение, разрешающее прохождение через негосигнала с выхода второго источника22 опорного напряжения. Указанныйсигнал, соответствующий значениюугла 90 , поступает на другой входосумматора 28, чем обеспечиваетсяоднозначное определение. С выхода сумматора 28 через четвертый ключ19, на вход управления которого вэто время поступает разрешающий импульс с выхода пороговой схемы 20,сигнал, содержащий информацию означении 3, поступает на соответствующий вход цифрового отсчетногоустройства 3 1.Одновременно выходное напряжениес первого амплитудно-фазового компенсатора 9 поступает на сигнальныйвход управляемого нуль-детектора26, который в течение действия импульса управления с выхода пороговой схемы 20, т,е. С- С, формирует импульс длительностью Т- Спередний фронт которого соответствуегмоменту пересечения магнитоприемниками трассы коммутации, С выхода нульдетектора 26 сигнал поступает на соответствующий вход цифрового отсчетного устройства 31, регистрирующегомомент пересечения трассы коммуникации.По окончании импульса с выхода пороговой схемы 20 предложенное устройство переводится в исходное состояние,Известные технические решения аналогичного назначения обеспечивают определение координат инженерных металлических коммуникаций поэтапно, раздельно во времени Как правило, вначале путем обхода исследуемой областипо контуру либо параллельным профилем локализуется положение коммуникации в горизонтальной плоскости,т.е. в плане. Затем в статике с помощью манипуляций с антенной частьюустройства или по стационарным точного поля, причем по временному интервалу между моментами равенстваамплитуд указанных составляющих приизвестной скорости движения определяют глубину залегания инженернойметаллической коммуникации, а по значению отношения амплитуд и временному сдвигу между мгновенными значениями горизонтальных составляющих,а также моменту появления минимумаамплитуды вертикальной составляющей - ее положение в плане,2. Устройство для определения координат инженерных металлических коммуникаций, содержащее генератор периодических сигналов, соединенныйс дипольным излучателем, последовательно соединенные магнитоприемник,первый предварительныи усилитель ипервый амплитудно-фазовый компенсатор, последовательно соединенные горизонтальный магнитоприемник, осьчувствительности которого параллельна направлению движения, а центрсовмещен с центром вертикальногомагнитоприемника, второй предварительный усилитель, второй амплитудно-Фазовый компенсатор и делительноеустройство, цифровое отсчетное устройство, причем выход генератора периодических сигналов соединен с вторыми входами первого и второго амплитудно-Фазовых компенсаторов, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности поисковых и рекогносцировочных работна поверхности земли и в гидросреде,в него дополнительно введены второйгоризонтальный магнитоприемник, перпендикулярный первому, третий предварительный усилитель третий амплитудно-Фазовый компенсатор, два амплитудных детектора, фазометр, четыре ключа, пороговая схема, два источникаопорного напряжения, датчик скорости, преобразователь скорость-частота, управляемые компаратор и нульдетектор, арккотангенсный преобразователь, сумматор, счетчик импульсови дешифратор, при этом второй горизонтальный магнитоприемник, центркоторого совмещен с центрами двухдругих приемников, через третий предварительный усилитель подключен кодному из входов третьего амплитудно-фазового компенсатора, другойвход которого подсоединен к выходугенератора периодических сигналов,а выход " к входу делимого делитель. Формула изобретения 1. Способ определения координат инженерных металлических коммуникаций, включающий возбуждение первичногоэлектромагнитного поля дипольным излучателем, измерение в одной точке горизонтальной, параллельной направлению движения, и вертикаль ной составляющих вектора напряженности вторичного магнитного поля и.определение момента появления минимума амплитуды вертикальной составляющей, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности определения координат инженерных металлических комму" никаций в процессе движения носите- ля поисковой установки, в указанной точке одновременно измеряют другую горизонтальную составляющую, перпендикулярную первой, определяют отношение амплитуд горизонтальных составляющих, а также фиксируют моменты 55 равенства амплитуд вертикальной и перпендикулярной направлению движения горизонтальной составляющих вектора напряженности вторичного магнит 9 131895 кам профильных кривых определяется глубина залегания неоднородности. В том и другом случае необходимо обе-. спечить строго определенное взаимное расположение антенной части устрой 5 ства и неоднородности.Отмеченные недостатки, обуславливая низкую точность и производительность поисковых работ, ограничивают, а зачастую делают принципиально не 10. пригодными известные способы и устройства, их реализующие, при решении указанных задач, особенно в гидро- среде.Погожительный эффект предложенных 15 способов определения инженерных металлических коммуникаций и устройства для его реализации состоит в возможности однозначного с высокой точностью определения положения комму никации за один проход поисковой установки без изменения ориентации момента тока излучателя и осей чувствительности приемников поля при произвольном положении коммуникации от носительно антенной части устройства, что обеспечивает существенное повышение производительности поисковых и рекогносцировочных работ с поверхности земли и в гидросреде. 3011 13189 ного устройства и одному из входов фазометра другой вход которого подключен к выходу второго амплитудно-фазового компенсатора, одновременно подсоединенного к входу перво 5 го амплитудного детектора, выход первого амплитудного детектора одновременно подключен к одному из входов пороговой схемы, другой вход которой соединен с первым источником опорного напряжения, и одному из сигнальных входов управляемого компаратора, выход первого амплитуднофазового компенсатора одновременно подключен к сигнальному входу управляемого нуль-детектора и входу второго амплитудного детектора, выход кокоторого соединен с другим сигнальным входом управляемого компаратора, выход пороговой схемы одновременно подключен к входам управления управляемого нуль-детектора, управляемого компаратора, первого и четвертого ключей, сигнальный вход первого клю 57 12 ча соединен с выходом делительногоустройства, а выход - с входом арккотангенсного преобразователя, выход фазометра подключен к входу управления второго ключа, сигнальныйвход, которого соединен с вторым источником опорного напряжения, а выход - с одним извходов сумматора,другой вход которого подключен квыходу арккотангенсного преобразо-вателя, выход сумматора соединен ссигнальным входом четвертого ключа,выход датчика скорости через преобразователь скорость-частота подсоединен к сигнальному входу третьегоключа, вход управления которого соединен с выходом управляемого компаратора, а выход - с входом счетчикаимпульсов, выходы счетчика импульсовсоединены с входами дешифратора, авыходы дешифратора, управляемого нульдетектора, а также четвертого ключа подсоединены к соответствующим входам цифрового отсчетного устройства.