Результат интеллектуальной деятельности: Измерительный комплекс для поиска и диагностики подземных коммуникаций

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для оценки фактического положения и состояния подземных коммуникаций, а также привязки обнаруженных аномалий к длине коммуникации с последующим их обнаружением при ремонтно-восстановительных работах.

При практической реализации индукционного метода поиска и диагностики подземных коммуникаций используют два базовых устройства:

- генератор для запитки исследуемого объекта переменным током;

- приемник для исследования характера протекания тестового переменного тока [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. М.: Энергоиздат.1982, - С. 247-248].

Практическая реализация трассопоисковых генераторов и приемников разнообразна.

Известно устройство для поиска трассы и определения места повреждения электрического кабеля с защитой от помех, создаваемых гармониками токов промышленной частоты, содержащее генератор и измеритель-индикатор, в который, кроме усилителя и акустического индикатора, введены антенна магнитная, входной аттенюатор, преселектор, смеситель, гетеродин, узкополосный активный фильтр с использованием в нем гираторов в качестве искусственных индуктивностей, стрелочный индикатор, при этом выход антенны соединен с входом аттенюатора, его выход соединен с входом преселектора, выход которого соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, выход смесителя соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом узкополосного активного фильтра, выход которого соединен со стрелочным и акустическим индикаторами [патент РФ №2046363, МПК G01R 31/08 (1995.01), опубл. 20.10.1995 г.].

Известно устройство для определения трассы и глубины залегания подземных металлических коммуникаций, содержащее приемную антенну, усилитель напряжения, фильтры, индикаторы, приемная антенна подключена к входному усилителю напряжения, выход которого через первый переключатель связан с входами первого и второго полосовых фильтров, соединенных параллельно [патент РФ №2046378, МПК G01V 3/11 (1995.01), опубл. 20.10.1995]. Выходы фильтров через второй переключатель подключены к преобразователю, к которому последовательно присоединен акустический индикатор. Выход входного усилителя напряжения через первый выключатель подключен к акустическому индикатору. Стрелочный индикатор через третий переключатель соединен с выходом входного усилителя напряжения или через второй переключатель с выходом первого или второго полосовых фильтров. В устройство входят приборы, выполненные по известным схемам.

Эти устройства обладают хорошими характеристиками измерения параметров электромагнитного поля. Однако, определение глубины залегания трубопровода и, следовательно, величины тока, протекающего по нему, сопряжено с большой трудоемкостью, вследствие использования при определении этих характеристик ручного «метода катетов» [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. М.: Энергоиздат.1982,-С. 249.].

Для устранения указанных недостатков в современной трассопоисковой аппаратуре используют несколько индукционных преобразователей, разнесенных в пространстве, как по горизонтали, так и по вертикали, а обработку выходных сигналов индукционных преобразователей производят в реальном масштабе времени с использованием микропроцессорной техники [Руководство по эксплуатации трассопоисковой аппаратуры ООО "Ака-ГЕО". http://www.aKageo.ru4].

Недостатком аппаратуры является использование для идентификации мест повреждений изоляции амплитудных параметров исследуемых сигналов, которые и менее информативны, и менее помехоустойчивы.

Решить проблему повышения надежности и достоверности идентификации мест повреждения подземных коммуникаций возможно при переходе к фазовой идентификации мест повреждения при представлении подземных коммуникаций как искусственной линии связи [Сергованцев В.Т. Артемов В.А., Канев К.А. Газопровод как канал связи в системах телемеханики. М.: Недры. - 1984, - С. 6-15].

Наиболее близким аналогом является устройство, реализующее фазовый метод идентификации мест повреждения подземных коммуникаций [патент РФ №2414719, МПК G01R 31/08 (2006.01), опубл. 20.03.2011 г.]. Измерительный комплекс состоит из трассопоисковых генератора и приемника, при этом трассопоисковый генератор содержит последовательно соединенные задающий генератор и усилитель мощности, один выход которого гальванически подключен к исследуемому объекту, а второй заземлен, а трассопоисковый приемник содержит антенный блок, включающий два горизонтальных и два вертикальных индукционных преобразователей, четыре канала преобразования сигналов, состоящих из последовательно соединенных усилителя, фильтра и масштабирующего преобразователя, а также микропроцессора и соединенного с ним регистрирующего устройства, при этом масштабирующие преобразователи каналов преобразования сигналов вертикальных индукционных преобразователей через амплитудные детекторы и дифференциальный усилитель подключены к измерительному входу микропроцессора, введены дополнительные элементы, при этом трассопоисковый генератор дополнен микропроцессором, GPS приемником, передающим радиомодемом и аналого-цифровым преобразователем, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя мощности, тактируемый вход - с выходом микропроцессора, а выход - со входом микропроцессора, тактируемый вход которого соединен с выходом GPS приемника, а выход данных подключен к передающему радиомодему, а трассопоисковый приемник дополнен GPS приемником, приемным радиомодемом и двумя аналого-цифровыми преобразователями, сигнальные входы которых подключены к масштабирующим преобразователям каналов горизонтальных индукционных преобразователей, а сигнальные выходы - к информационным входам микропроцессора, тактируемый выход которого подключен к объединенным тактовым входам АЦП, а тактируемый вход - к выходу GPS приемника, а вход приема данных -к выходу радиомодема.

Существенным недостатком данного устройства являются конструктивные особенности, обеспечивающие измерение параметров сигналов по трем дискретным выборкам, взятым в каждом периоде исследуемых сигналов, ограничивающие его помехоустойчивость и точность.

Техническим результатом является повышение надежности и достоверности диагностики подземных коммуникаций.

Для достижения технического результата измерительный комплекс содержит трассопоисковые генератор и приемник. Трассопоисковый генератор содержит последовательно соединенные Глонасс/GPS приемник, микроконтроллер, задающий генератор и усилитель мощности, один выход которого гальванически подключен к исследуемому объекту, а второй заземлен. Трассопоисковый приемник содержит антенный блок, включающий два горизонтальных, верхний и нижний, два вертикальных, правый и левый, индукционных преобразователя, подключенных к четырем преобразователям напряжение - ток, которые попарно соединены с первым и вторым коммутатором сигналов соответственно, сигнальные выходы которых через фильтры подключены к входам первого и второго масштабирующих преобразователей, а управляющие входы коммутаторов к первому и второму управляющим выходам микроконтроллера, синхронизирующий вход которого соединен с выходом приемника Глонасс/GPS, а третий выход подключен к регистрирующему устройству. В трассопоисковый приемник комплекса дополнительно введены четыре синхронных детектора, два DDS генератора, при этом выход первого DDS генератора соединен с управляющими входами первого и третьего синхронных детекторов, а выход второго DDS генератора с управляющими входами второго и четвертого синхронных детекторов, сигнальные входы первого, второго, третьего и четвертого синхронных детекторов попарно объединены и подключены к выходам первого и второго масштабирующих преобразователей. Выходы синхронных детекторов подключены к измерительным входам микроконтроллера, четвертый и пятый управляющий выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго DDS генераторов соответственно, синхронизирующие входы которых объединены и подключены к шестому управляющему выходу микроконтроллера.

В предлагаемом комплексе трассопоисковый приемник дополнительно введены четыре синхронных детектора, два DDS генератора, при этом выход первого DDS генератора соединен с управляющими входами первого и третьего синхронных детекторов, а выход второго DDS генератора с управляющими входами второго и четвертого синхронных детекторов (два квадратурных фазовых детектора).

Связи вновь введенных элементов между собой и общими с прототипом элементами в совокупности образуют устройство, позволяющее исключить передачу сравниваемых параметров по радиоканалу [Постановление Минкомсвязь России от 14.09.2010 №124], а формирование опорного сигнала реализовать путем синхронизации генератора и приемника сигналами от Глонасс/GPS приемников, заменив оценку параметров сигналов по дискретным выборкам на широкополосную и помехоустойчивую оптимальную корреляционную обработку сигналов [Фалькович С.Е. Оценка параметров сигналов. М. Советское радио. - 1970. - С. 58-62+].

На фиг. представлена структурная схема измерительного комплекса для поиска и диагностики подземных коммуникаций.

Измерительный комплекс состоит из трассопоисковых генератора 1 и приемника 2.

Трассопоисковый генератор 1 состоит из Глонасс/GPS приемника 3, микроконтроллера 4, задающего генератора 5 и усилителя мощности 6, один выход которого гальванически подключен к исследуемому объекту, а второй заземлен.

Трассопоисковый приемник 2 состоит из антенного блока 7 (включающего два горизонтальных, верхний и нижний, два вертикальных, правый и левый, индукционных преобразователя), четырех преобразователей напряжение-ток 8, 9, 10, 11; первого 12 и второго 13 коммутаторов сигналов; фильтров 14 и 15; первого 16 и второго 17 масштабирующих преобразователей; первого 18 и второго 19 генераторов DDS; первого 20, второго 21, третьего 22 и четвертого 23 синхронных детекторов; микроконтроллера 24; Глонасс/GPS приемника 25 и регистрирующего устройства 26. К антенному блоку 7 подключены преобразователи напряжение-ток 8, 9, 10, 11; которые попарно соединены с первым 12 и вторым 13 коммутаторами сигналов соответственно, их сигнальные выходы через фильтры 14 и 15 подключены соответственно к входам первого 16 и второго 17 масштабирующих преобразователей, а управляющие входы первого 12 и второго 13 коммутаторов сигналов - соответственно к первому и второму управляющим выходам микроконтроллера 24, синхронизирующий вход которого соединен с выходом приемника Глонасс/GPS 25, а третий его выход подключен к регистрирующему устройству 26. Выход первого 16 масштабирующего преобразователя подключен к входам первого 20 и второго 21 синхронных детекторов, а выход второго 17 масштабирующего преобразователя подключен к входам третьего 22 и четвертого 23 синхронных детекторов, при этом выход первого 18 DDS генератора соединен с управляющими входами первого 20 и третьего 22 синхронных детекторов, а выход второго 19 DDS генератора - с управляющими входами второго 21 и четвертого 23 синхронных детекторов, выходы синхронных детекторов 20, 21, 22 и 23 подключены к измерительным входам микроконтроллера 24, четвертый и пятый управляющие выходы микроконтроллера 24 подключены к управляющим входам первого 18 и второго 19 DDS, синхронизирующие входы которых объединены и подключены к шестому управляющему выходу микроконтроллера 24.

Трассопоисковый генератор 1 осуществляет запитку исследуемого трубопровода. Тактовые импульсы с Глонасс/GPS приемника 3 с частотой равной одному Гц поступают в микроконтроллер 4, осуществляющий временную синхронизацию генератора 5. Это означает, что выходной сигнал с усилителя мощности 6 трассопоискового генератора 1, фаза которого в этом случае жестко привязана к тактовым импульсам Глонасс/GPS приемника 3, может быть использована в измерительном комплексе в качестве опорного, так как его фаза не меняется.

Это осуществляется путем измерения фазы ϕ_Г выходного сигнала трассопоискового генератора 1 трасспоисковым приемником 2 в начальной точке обследуемого трубопровода и фиксируется (запоминается) в микроконтроллере 24 трасспоисковым приемником 2.

Для этого трасспоисковым приемником 2 измеряют фазу ϕ_Г выходного сигнала в начальной точке обследуемого трубопровода и фиксируют в микроконтроллере 24 трасспоискового приемника 2.

Цикл генерации трассопоискового генератора 1 Т_ц=1 сек начинается по поступлению в микроконтроллер 4 синхронизирующих тактовых импульсов с Глонасс/GPS приемника 3. Поэтому собственная нестабильность частоты задающего генератора 5, а также не кратность периода сигнала к циклу измерения не оказывают влияния на стабильность фазы выходного опорного сигнала трассопоискового генератора 1, а, следовательно, и на точность процесса фазовой идентификации измерительным комплексом.

В трассопоисковом приемнике 2 при поиске места повреждения трубопровода, выходные сигналы индукционных преобразователей антенного блока 7 поступают на преобразователи напряжение-ток 8, 9, 10, 11, обеспечивающие усиление сигнала, коммутаторы сигналов 12 и 13, коммутирующие их и подают на фильтры 14 и 15, а затем происходит их масштабирование масштабирующими преобразователи 16 и 17. К выходу первого масштабирующего преобразователя 16 подключены объединенные входы первого и второго синхронных детекторов 20 и 21, на которые подаются опорные сигналы, сдвинутые по фазе на 90° с первого 18 и второго 19 DDS генераторов, параметры которых (частота, фаза) управляются и синхронизируются от микроконтроллера 24 трассопоискового приемника 2. Выходные сигналы с первого 20 и второго 21 синхронных детекторов поступают на измерительные входы микроконтроллера 24, где вычисляют амплитуду и фазу выходного сигнала первого масштабного преобразователя 16 по формулам:

где ϕ_МП - фаза первого масштабирующего преобразователя 16;

U_МП - напряжение первого масштабирующего преобразователя 16;

U_СД1 = U_МПcosϕ - напряжение с первого синхронного детектора 20;

U_СД2 = U_МПsinϕ - напряжение со второго синхронного детектора 21.

Из анализа формул (1) и (2) следует, что при использование синхронных детекторов 20 и 21 (первый квадратурный фазовый детектор), фазовое рассогласование между опорными сигналами синхронных детекторов 20 и 21 и сигнала с масштабирующего преобразователя 16 не влияет на точность измерения его амплитудных и фазовых параметров. При этом каждый цикл измерения Т_ц=1 сек так же, как в трассопоисковом генераторе 1, начинается по поступлению в микроконтроллер 24 синхронизирующих тактовых импульсов с Глонасс/GPS приемника 25. Поэтому собственная нестабильность частоты генераторов квадратурных сигналов (DDS генераторов 18 и 19) не оказывает никакого влияния на точность процесса измерения фазы.

Сравнивая фазу ϕ_Г, зафиксированную в трассопоисковом приемнике 2 в начальной точке обследования трубопровода, с текущими значениями ϕ_МП определяем разность фаз:

Очевидно, что значение Δϕ определяется временем распространения сигнала в исследуемом трубопроводе. В местах нарушения изоляции линейный характер изменения фазы прерывается и происходит ее скачок, который можно использовать для идентификации мест повреждения изоляции исследуемого объекта.

Важно подчеркнуть, что поскольку измерение как амплитудных, так и фазовых параметров сигналов происходит синхронно, то в моменты скачка фазы происходит также скачок тока, протекающего по объекту, что обеспечивает полную корреляцию процессов фазовой и амплитудной идентификации, а значит, увеличивает достоверность обнаружения мест повреждения изоляции исследуемого трубопровода. При этом относительная погрешность измерения разности фаз определяется только временем рассогласования тактовых секундных импульсов, поступающих с Глонасс/GPS приемников 3 и 25 соответственно в микроконтроллеры 4 и 24 трассопоисковых генератора 1 и приемника 2. С учетом, что расстояние между трассопоисковыми генератором 1 и приемником 2 не превышает несколько километров, то нестабильность тактовых импульсов определяется только инструментальной погрешностью Глонасс/GPS приемников 3 и 25, которая не превышает ±50 не. При частоте сигнала 975 Гц фазовая погрешность Δϕ составляет ±0,02°. Столь малая относительная погрешность позволяет использовать фазовый метод также для отсчета расстояния от точки привязки трассопоискового генератора до места повреждения изоляции, что по сравнению с маркероискателями значительно упрощает обозначение и повторный поиск дефектов исследуемого объекта, так как в этом случае не надо закапывать маркер для последующего его поиска. Достаточно только зафиксировать расстояние от места подключения трассопоискового генератора до места обнаружения дефекта (осуществляется автоматически) и сделать отметку в соответствующей документации. Погрешность обозначения дефектов на местности, с учетом линейного характера изменения фазы, определяется формулой:

где L_max - максимальное расстояние между пунктами подключения трассопоискового генератора.

Учитывая, что L_max не превышает нескольких километров, погрешность идентификации ΔL_x не превышает 10÷20 см. Это означает, что влияние погрешности Δϕ практически не сказывается на точности идентификации мест повреждения исследуемого трубопровода.

Трассопоисковый приемник 2 при обследовании трубопровода работает следующим образом.

Первый коммутатор сигналов 12 предназначен для подключения верхнего и нижнего горизонтальных индукционных преобразователей антенного блока 7 через фильтр 14 и первый масштабирующий преобразователь 16 к первому и второму синхронным детекторам 20 и 21, образующих первый квадратурный фазовый детектор. Выходные сигналы первого 20 и второго 21 синхронных детекторов поступают на измерительные входы микроконтроллера 24 для периодического измерения глубины заложения трубопровода по формуле:

где ΔН - известное расстояние между горизонтальными индукционными преобразователями антенного блока 7 приемника 2;

- напряжение с первого масштабирующего преобразователя 16 при подключении нижнего индукционного преобразователя антенного блока 7;

- напряжение с первого масштабирующего преобразователя 16 при подключении верхнего индукционного преобразователя антенного блока 7.

Второй коммутатор сигналов 13 осуществляет коммутацию сигналов с правого и левого вертикальных индукционных преобразователей антенного блока 7 через фильтр 15 и второй масштабирующий преобразователь 17 к третьему и четвертому синхронным детекторам 22 и 23, образующих второй квадратурный фазовый детектор. Выходные сигналы третьего 22 и четвертого 23 синхронных детекторов поступают на измерительные входы микроконтроллера 24, который после их обработки по формуле (1) осуществляет сравнение выходных сигналов второго масштабирующего преобразователя 17 при коммутации сигналов с правого и левого вертикальных индукционных преобразователей антенного блока 7. В зависимости от результатов сравнения на регистрирующем устройстве 26 фиксируется информация о месте положении оператора относительно осевой линии подземных коммуникаций.

Таким образом, наличие в заявляемом комплексе четырех синхронных детекторов и двух DDS генераторов и соответствующих связей между элементами заявляемого устройства позволило:

- формирование опорного сигнала реализовать путем синхронизации генератора 1 и приемника 2 сигналами от Глонасс/GPS приемников, и измерения фазы ϕ_Г выходного сигнала генератора 1 в начальной точке обследования трубопровода и фиксации его значения в микроконтроллере 24 трассопоискового приемника 2;

- заменить оценку параметров сигналов по дискретным выборкам на оптимальную корреляционную обработку сигналов.

Это повышает надежность и достоверность идентификации мест повреждения подземных коммуникаций, как по амплитудным, так и по фазовым критериям.

Следовательно, предлагаемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым к изобретениям.