Патент на изобретение №2202812

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОИСКА ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к геофизике, а именно к устройствам, предназначенным для определения местоположения и параметров подземных трубопроводов как металлических, так и неметаллических, а также оптоволоконных кабелей, в том числе не содержащих металлических компонентов. Технический результат: расширение функциональных возможностей, улучшение эксплуатационных характеристик и упрощение устройства. Сущность: при движении антенна пересекает полосы искажений электромагнитного поля от проложенного под землей трубопровода. При этом происходит приращение разности фаз относительно значения, принятого за фоновый уровень и скомпенсированного напряжением с выхода блока коррекции. В результате этого на выходе интегратора появляется растущее напряжение, что приводит к срабатыванию компаратора и поступлению с его выхода прямого и инвертированного в инверторе импульса на входы вычислителям. Вычислитель производит анализ поступающих на его входы импульсов с выхода компаратора, их длительности в сравнении друг с другом, пауз между ними. В зависимости от соотношений этих величин между собой, а также с величинами, предварительно введенными в вычислитель, он управляет соответствующими светодиодами, сигнализирующими о наличии подземного трубопровода и о материале, из которого он изготовлен (металл или пластик). 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области геофизики, а именно к устройствам, предназначенным для определения местоположения и параметров подземных трубопроводов, с использованием электромагнитных волн, и может быть использовано, например, для поиска как металлических так и неметаллических, в том числе, пластиковых, в частности, полиэтиленовых газо- и нефтепроводов, а также оптоволоконных кабелей, в том числе, не содержащих металлических компонентов.

Известно устройство – система позиционирования подземного трубопровода, состоящая из датчика напряженности магнитного поля с усилителем, системы обработки информации и устройства ориентации, немагнитной штанги, приемника спутниковой навигационной системы, бортового компьютера с аналого-цифровым преобразователем и системой индикации, а также содержащая восемь датчиков напряженности магнитного поля, в совокупности выполненных в виде трех трехкомпонентных магнитометров, укрепленных на жесткой немагнитнои штанге, соединенной с корпусом, причем магнитометры разнесены вдоль ее оси так, что три триэдра измерительных осей параллельны соответственно друг другу и измерительным осям датчиков устройства ориентации, в качестве которого применена бесплатформенная инерциальная система, состоящая из трехкомпонентного блока измерителей кажущихся ускорений и трехкомпонентного блока гироскопических датчиков угловых скоростей, жестко установленных на корпусе, в качестве системы обработки информации использован бортовой компьютер с аналого-цифровым преобразователем и системой индикации, выходы трехкомпонентных магнитометров, а также выходы трехкомпонентного блока измерителей кажущегося ускорения и трехкомпонентного блока гироскопических датчиков угловых скоростей соединены со входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены со входами бортового компьютера, к выходу которого присоединена система индикации, к порту бортового компьютера присоединен выход приемника спутниковой навигационной системы, элементы системы позиционирования прикреплены к общему корпусу, который имеет лямки для закрепления на человеке-операторе [1].

Известное устройство при относительно небольших габаритах позволяет обеспечить с достаточно высокой степенью точности определение положения подземного ферромагнитного трубопровода относительно человека-оператора, пользующегося данным устройством. Устройство также является многофункциональным, позволяющим определять глубину залегания трубопровода, дальность оператора до него, магнитные курсы оператора и трубы, а также географические координаты оператора и трассы трубопровода.

К недостаткам известного устройства относятся низкие функциональные возможности по причине работы лишь с ферромагнитными трубопроводами и невозможность обнаружения и определения параметров скрытых пластиковых трубопроводов и кабелей, не содержащих металлических компонентов, например оптоволоконных. Недостатками также являются низкие эксплуатационные возможности известного устройства по причине низкой автономности из-за необходимости использования спутниковой навигационной системы, а следовательно, зависимости от нее, что обусловливает низкую надежность всей системы, в том числе, по причине зависимости от погодных условий и условий прохождения радиоволн.

Известно устройство для пассивной геофизической разведки, основанное на обнаружении неоднородностей, связанных с низкочастотными электромагнитными полями, содержащее антенну, усилитель, вход которого соединен с антенной, первый фильтр, вход которого соединен с выходом усилителя, модулятор, первый вход которого соединен с выходом первого фильтра, первый генератор, выход которого соединен со вторым входом модулятора, второй фильтр, вход которого соединен с выходом модулятора, детектор-умножитель и второй генератор, первый вход детектора соединен с выходом второго фильтра, а второй вход – с выходом второго генератора, компьютер и самописец, входы которых соединены и подключены к выходу детектора [2].

Известное устройство обладает преимуществами пассивного метода, а именно достаточно хорошими эксплуатационными характеристиками, в частности низкими весогабаритными показателями, ввиду возможности его компактного выполнения, низким энергопотреблением ввиду отсутствия блоков, излучающих электромагнитную энергию.

Однако недостатками известного устройства являются низкие функциональные возможности по причине того, что устройство, ввиду его низкой разрешающей способности, обнаруживает лишь достаточно крупные геологические аномалии и не имеет возможности поиска и определения параметров более мелких предметов, в частности скрытых в почве подземных трубопроводов. По причине применения амплитудных измерений известное устройство обладает также низкой помехозащищенностью, что не позволяет повысить его чувствительность, что также не дает возможности обнаружения мелких скрытых предметов.

Наиболее близким к предлагаемому является известное устройство для геоэлектромагнитной разведки, содержащее антенну, выполненную ненаправленной и широкополосной и имеющую размеры, пренебрежимо малые по сравнению с длинами принимаемых волн; последовательно соединенные предварительный усилитель, импульсный фильтр, усилитель переменного тока, фазовый детектор, причем вход предварительного усилителя соединен с выходом антенны; перестраиваемый генератор опорного сигнала, выход которого соединен со вторым входом импульсного фильтра и вторым входом фазового детектора; интегратор, блок коррекции, усилитель постоянного тока, индикаторный элемент и кнопку сброса интегратора. Кроме того, устройство содержит фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом фазового детектора, а выход соединен со входом усилителя постоянного тока, второй вход которого соединен с выходом блока коррекции, выход усилителя постоянного тока соединен со входом интегратора, выход которого соединен со входом индикаторного элемента, а второй вход интегратора соединен с выходом кнопки сброса интегратора. Кроме того, фазовый детектор, фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, интегратор, блок коррекции, индикаторный элемент и кнопка сброса интегратора образуют анализатор, входами которого являются первый и второй входы фазового детектора [3].

Известное устройство обладает высокой чувствительностью и позволяет достаточно точно определять местоположение и конфигурацию аномалий, например тектонических разломов, локализацию подземных вод, мест утечек жидкостей из трубопроводов и т.д. за счет применения фазовых измерений.

Однако недостатками его являются низкие функциональные возможности, не позволяющие дифференцировать сигналы от самих трубопроводов и определять, вследствие этого, их местоположение и параметры, такие как глубина залегания, направление прокладки, диаметр трубопровода и т.д. Сказанное относится как к металлическим, так и неметаллическим трубопроводам, в том числе пластиковым, например полиэтиленовым и неметаллическим шлангам и кабелям, например, оптоволоконным.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет осуществления возможности поиска скрытых подземных трубопроводов, кабелей и других протяженных тел, в том числе полиэтиленовых, либо выполненных из других немагнитных не проводящих электрический ток материалов; повышение разрешающей способности устройства с возможностью определения параметров скрытых трубопроводов за счет повышения стабильности его работы и повышения степени “интеллектуализации”, а также улучшение эксплуатационных характеристик и упрощение устройства за счет осуществления возможности поиска трубопроводов пассивным путем, что позволяет выполнить устройство компактным, легким и простым в обращении.

Для реализации поставленной цели в известное устройство для геоэлектромагнитной разведки, содержащее антенну, выполненную ненаправленной и широкополосной и имеющую размеры, пренебрежимо малые по сравнению с длинами принимаемых волн; последовательно соединенные предварительный усилитель, импульсный фильтр, усилитель переменного тока, фазовый детектор, причем вход предварительного усилителя соединен с выходом антенны; перестраиваемый генератор опорного сигнала, выход которого соединен со вторым входом импульсного фильтра и вторым входом фазового детектора; интегратор, блок коррекции, усилитель постоянного тока, индикаторный элемент и кнопку сброса интегратора, дополнительно введены компаратор, элемент НЕ, блок интегрирующей емкости, вычислитель, блок установки времени паузы, блок задания коэффициента обратной связи, три индикаторных светодиода зеленого цвета и один красного и элемент ИЛИ, а в предварительный усилитель введены второй и третий инвертирующий входы, причем второй вход интегратора соединен с выходом блока коррекции, а выход интегратора соединен со входами усилителя постоянного тока и блока задания коэффициента обратной связи, выход которого соединен со вторым инвертирующим входом предварительного усилителя, третий инвертирующий вход которого соединен через блок интегрирующей емкости с выходом усилителя постоянного тока, который соединен также со входом индикаторного элемента и входом компаратора, выход которого соединен с первым входом вычислителя и через элемент НЕ со вторым входом вычислителя, третий вход которого соединен с выходом блока установки временной паузы, а каждый выход вычислителя соединен со входом соответствующего светодиода, управляющий выход вычислителя соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом кнопки сброса интегратора, а выход элемента ИЛИ соединен со входом сброса блока интегрирующей емкости. Кроме того, входной каскад предварительного усилителя выполнен как входной каскад усилителя заряда. Кроме того, генератор опорных сигналов выполнен с фиксированными настройками и переключателем настроек, интегратор и блок интегрирующей емкости содержат переключатель и набор коммутируемых конденсаторов различных емкостей, соединенных с переключателем, причем переключатели генератора, интегратора и блока интегрирующей емкости имеют одинаковое число положений и совмещены механически друг с другом. Кроме того, устройство дополнительно содержит закрытый корпус, выполненный из электропроводного материала, соединенный с общим проводом, внутри которого смонтирована электронная часть устройства, кроме антенны и источника питания, и рукоятку, выполненную из диэлектрического материала, внутри которого расположен источник питания. Кроме того, антенна выполнена в виде плоского диска из материала с низким удельным сопротивлением и расположена снаружи корпуса. Кроме того, вычислитель выполнен в виде однокристального микропроцессора, причем первым входом вычислителя является вход аппаратного прерывания единицы микропроцессора, а вторым входом вычислителя является вход аппаратного прерывания нуля; блок установки временной паузы выполнен в виде клавиатуры, выходы которой соединены с выводами первого параллельного порта микропроцессора, а входы клавиатуры соединены с выводами его второго параллельного порта, выходами вычислителя являются выводы третьего параллельного порта микропроцессора.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для поиска подземных трубопроводов.

На фиг.2 схематически изображены принимаемые устройством сигналы изменений сдвига фаз от металлического и пластикового трубопроводов.

На фиг.3 изображена диаграмма работы устройства в случае обнаружения сигнала от неоднородности грунта, не являющегося трубопроводом.

На фиг.4 изображена диаграмма работы устройства в случае обнаружения сигнала от неоднородности грунта, являющегося трубопроводом.

На фиг.5 изображена функциональная схема блока интегрирующей емкости.

На фиг.6 изображена схема примера реализации вычислителя.

На фиг.7 изображена блок-схема работы алгоритма, в случае реализации вычислителя в виде микропроцессора.

Устройство для поиска подземных трубопроводов (фиг. 1) содержит приемную антенну 1, являющуюся ненаправленной и широкополосной, выполненную в виде тонкого проводящего диска и имеющую пренебрежимо малые размеры по сравнению с длинами принимаемых волн; внешний интегратор 2, содержащий предварительный усилитель 3, вход которого является входом внешнего интегратора 2, соединенный с выходом предварительного усилителя 3 первый вход импульсного фильтра 4, генератор 5 опорного сигнала; последовательно соединенные усилитель 6 переменного тока, фазовый детектор 7, интегратор 8, усилитель 11 постоянного тока (УПТ), выход которого является выходом внешнего интегратора 1, вход усилителя 6 переменного тока соединен с выходом импульсного фильтра 4, выход генератора 5 соединен со вторыми входами импульсного фильтра 4 и фазового детектора 7; блок 9 коррекции, выход которого соединен со вторым входом интегратора 8; блок 10 задания коэффициента обратной связи, вход которого соединен с выходом интегратора 8, а выход – с первым инвертирующим входом предварительного усилителя 3; блок 12 интегрирующей емкости, вход которого соединен с выходом УПТ 11, а выход соединен со вторым инвертирующим входом предварительного усилителя 3, управляющий вход блока 12 является управляющим входом внешнего интегратора 2; устройство также содержит элемент ИЛИ 13, кнопку 14 сброса интегратора 8, вычислитель 15, индикаторный элемент 16, компаратор 17, элемент НЕ 18, блок 19 установки временной паузы, четыре светодиода: зеленые 20, 22, 23 и красный 21; первый вход вычислителя 15 соединен с выходом компаратора 17, вход которого подключен к выходу внешнего интегратора 2, управляющий выход вычислителя соединен с первым входом элемента ИЛИ 13, второй вход которого соединен с выходом кнопки 14 сброса интегратора 8, выход элемента ИЛИ 13 соединен с управляющим входом внешнего интегратора 2; второй вход вычислителя 15 соединен с выходом элемента НЕ 18, вход которого соединен с выходом компаратора 17; выходы блока 19 установки временной паузы соединены с третьими входами вычислителя 15, выходы которого соединены со светодиодами 20-23.

Вычислитель 15 (фиг.6) выполнен в виде однокристального микропроцессора 27, первым входом вычислителя 15 является вход аппаратного прерывания единицы параллельного порта Р3 микропроцессора 27, а вторым входом вычислителя – вход аппаратного прерывания нуля порта Р3, блок 19 установки временной паузы выполнен в виде клавиатуры 28, входы сканирования которой соединены с выводами параллельного порта Р1 микропроцессора 27, а выходы клавиатуры 28 соединены с выводами его параллельного порта Р0; управляющим выходом вычислителя 15 является первый вывод параллельного порта Р2 микропроцессора 27, соединенный через конденсатор 34 с входом сброса RST микропроцессора 27, а выходами вычислителя 15, соединенными со светодиодами 20-23, являются открытые коллекторы транзисторов 35, эмиттеры которых соединены с общим проводом, а базы подключены к другим выводам порта Р2.

Устройство (фиг.1) для поиска подземных трубопроводов работает следующим образом.

В исходном положении устройство располагают так, чтобы плоскость антенны 1 была расположена параллельно поверхности земли на расстоянии порядка 1 м. При этом антенна 1 образует с землей электроемкость. Частотная характеристика антенны 1 является широкополосной, поскольку длины волн рабочего диапазона устройства (сверхдлинные радиоволны 1-10 кГц) несравнимы с размерами антенны 1, т.е. прием осуществляется в диапазоне далеком от ее резонансной частоты. В связи с этим не происходит избирательное выделение сигнала какой-либо фиксированной частоты, а осуществляется прием шума с равномерным спектром, вызванного сигналами наводок от различных радиостанций, грозового электричества, собственных электрических токов почвы и т.д. Заряд емкости, образованной антенной 1 и землей, не зависит от расстояния антенны 1 до земли и определяется лишь свойствами электрической составляющей электромагнитного поля в данном месте, поэтому флуктуация заряда этой емкости пропорциональна шумовому сигналу электрической компоненты электромагнитного поля в данном месте. Электрический сигнал с приемной антенны 1, пропорциональный текущим флуктуациям заряда, поступает на вход внешнего интегратора 2, работающего, в результате емкостного характера антенны, как интегратор входного тока, т.е. как усилитель заряда антенной емкости [4]. Это позволяет оптимальным образом согласовать вход приемного тракта с антенной 1 и, поскольку, таким образом, осуществляется усиление заряда, исключить зависимость напряжения на выходе предварительного усилителя 3 от расстояния антенны 1 до земли.

Предварительный усилитель 3 преобразует заряд антенной емкости в выходное напряжение. Усиленный таким образом сигнал, пропорциональный шуму на антенне 1, проходит через узкополосный импульсный фильтр 4 с минимально возможной шириной полосы пропускания на частоте импульсного фильтра 4, задаваемой с выхода генератора опорного сигнала 5, имеющего возможность перестройки. Сигнал с выхода фильтра 4 усиливается в усилителе 6 переменного напряжения, коэффициент усиления которого подбирается таким образом, что напряжение на его выходе имеет вид импульсов, частота следования которых равна частоте напряжения с выхода генератора 5. Поступая на входы фазового детектора 7, оба эти напряжения сравниваются по фазе (при этом фаза напряжения с выхода генератора 5 является опорной и постоянна), а напряжение, пропорциональное разности фаз, с выхода фазового детектора 7 поступает на вход интегратора 8, из которого вычитается поступающий на второй вход интегратора 8 с выхода блока 9 коррекции сигнал коррекции. Разностный сигнал интегрируется в интеграторе 8 и, ослабляясь в блоке 10 задания коэффициента обратной связи, являющимся делителем напряжения, поступает на первый инвертирующий вход предварительного усилителя 3, где вычитается из входного напряжения шумов. За счет охвата интегратора 8 петлей обратной связи весь тракт от входа предварительного усилителя 3 до выхода интегратора 8 работает одновременно как сглаживающий фильтр нижних частот, что необходимо для сглаживания пульсаций на выходе фазового детектора 7 и повышения точности преобразования величины фазового сдвига в постоянное напряжение. Величиной коэффициента передачи блока 10 также регулируется коэффициент усиления указанного тракта. Сглаженное напряжение, пропорциональное разности фаз, дополнительно усиливается усилителем 11 постоянного тока и через блок интегрирующей емкости 12, являющийся емкостной обратной связью и (поскольку он находится в обратной связи) образующий внешний интегратор 2 и реагирующий на изменение этого напряжения, поступает на второй инвертирующий вход предварительного усилителя 3, где также вычитается из напряжения шумов. Обнуление напряжения на емкости обратной связи блока 12 осуществляется путем ее закорачивания электронным ключом блока 12, управляющий сигнал на который подается через элемент ИЛИ 13 с кнопки 14 сброса внешнего интегратора, либо с управляющего выхода вычислителя 15, который также поступает через элемент ИЛИ 13. Сигнал с выхода внешнего интегратора 2, которым является усилитель 11 постоянного тока, пропорциональный разности фаз, поступает на вход стрелочного индикатора 16 и вход компаратора 17. Если он равен нулю или меньше порога срабатывания компаратора 17, то сигнал на выходе последнего равен нулю. При превышении величиной сигнала с выхода внешнего интегратора 2 величины порога компаратора 17 последний переключается до напряжения насыщения в состояние логической единицы и поступает в прямом и инвертированном через элемент НЕ 18 виде на первый и второй входы вычислителя 15, на входы которого подается также код времени паузы между полезными сигналами с выхода блока 19 установки времени паузы. Управляющие сигналы в виде уровней постоянного напряжения (логической единицы) с четырех выходов вычислителя 15 поступают на четыре светодиода 20-23, управляя их свечением.

После рабочего расположения антенны 1 неподвижно параллельно земной поверхности непосредственно перед началом поиска фазы колебаний генератора 5 и выделенной из шумового импульсным фильтром 4 гармонической составляющей, равной по частоте колебаниям генератора 5, как правило, не равны, в результате чего на выходе фазового детектора 7 наблюдается напряжение, усреднение которого интегратором 8 с первой петлей обратной связи через блок 10 дает напряжение, уровень которого пропорционален величине фазового сдвига. Этот фазовый сдвиг принимается за фоновый и компенсируется подстройкой величины постоянного напряжения, поступающего с выхода блока 9 коррекции на второй инвертирующий вход интегратора 8. Его регулируют до величины полной компенсации, чтобы на выходе интегратора 8 напряжение было равно нулю. После этого производят сброс внешнего интегратора 2 кнопкой 14, посылающей управляющий сигнал через элемент ИЛИ 13 на управляющий вход блока 12 интегрирующей емкости, которым является вход электронного ключа, разряжающего при этом конденсатор блока 12.

В результате этого напряжение на выходе УПТ 11 равно нулю, индикатор 16 показывает нуль, а светодиоды 20-23 не горят.

После этого начинают рабочее перемещение антенны 1 параллельно поверхности земли в направлении поиска. Трубопровод, проложенный в почве под поверхностью земли создает искажения характеристик фонового электромагнитного поля. Наиболее существенными эти искажения проявляются как непосредственно над местом залегания трубопровода, так и параллельно по обе стороны от него, причем максимумы этих искажений располагаются на расстоянии, равном глубине залегания трубопровода по обе стороны от проекции его на земную поверхность (фиг.2). При этом, измерив расстояние от бокового максимума до среднего, можно определить глубину залегания трубопровода. Установлено также, что в характере соотношения величин максимумов искажений фазовых характеристик поля отражается материал трубопроводов: для металлических трубопроводов искажения поля заметно больше непосредственно над ним, чем на боковых полосах. Если же трубопровод пластиковый, например полиэтиленовый, то интенсивность искажений над ним значительно меньше, чем на боковых полосах (фиг.2).

Если при движении антенна 1 устройства пересекает боковую полосу искажений фонового ЭМП, вносимого пролегающим под землей трубопроводом, то происходит появление приращение разности фаз относительно значения, принятого за фоновый уровень и скомпенсированного напряжением с выхода блока 9 коррекции. В результате этого происходит разбаланс интегратора 8 и появление на его выходе напряжения, пропорционального данному приращению разности фаз, причем величина этого приращения отражает величину интенсивности искажения ЭМП, вносимого трубопроводом в данном месте над поверхностью земли. При появлении напряжения разности фаз на выходе интегратора 8 внешний интегратор 2 начинает его интегрировать с помощью емкости блока 12 и на выходе УПТ 11 появляется напряжение, линейно нарастающее до напряжения насыщения УПТ 11, что отображается индикатором 16. Таким образом, достаточно сколь угодно малой величины разности фаз, превышающей пренебрежимо малую зону нечувствительности применяемых для реализации предварительного усилителя 3, интегратора 8 и УПТ 11 операционных усилителей, чтобы вызвать поворот стрелки индикатора 16 до предела. При этом скорость нарастания (и скорость перемещения стрелки индикатора 16) пропорциональна величины разности фаз, т.е. интенсивности искажений ЭМП, вносимых трубопроводом (фиг.3, 4). При появлении напряжения на выходе УПТ 11 и превышении им зоны нечувствительности компаратора 17, он переключается в состояние логической единицы и находится в нем до тех пор, пока напряжение на выходе УПТ 11 не достигнет напряжения насыщения (напряжения порога срабатывания компаратора 17). В момент их равенства компаратор 17 (фиг. 3, 4) переключается в состояние нуля и, таким образом, на выходе его формируется прямоугольный импульс длительностью, равной времени интегрирования внешнего интегратора 2 и обратно пропорциональной величине разности фаз. Этот импульс, инвертируясь в элементе НЕ 18, поступает с его выхода на вход вычислителя 15 и отрицательным фронтом зажигает первый зеленый светодиод 20 и запускает таймер вычислителя 15, который формирует цифровой код, соответствующий длительности этого импульса t, (т.е. величине разности фаз). После окончания импульса, что соответствует проходу над боковой полосой при перемещении устройства, код длительности запоминается вычислителем 15, а его таймер под действием отрицательного фронта импульса с выхода компаратора 17 начинает подсчитывать время паузы t₁ ^o и сравнивает текущее его значение с установленной величиной паузы t_max ^o с блока 19. Если время паузы t₁ ^o до следующего искажения поля меньше t_max ^o, светодиод 20 продолжает гореть. Если же за это время при перемещении устройства нового искажения поля не обнаружено (не трубопровод), при t₁ ^o>t_max ^o, вычислитель 15 гасит светодиод 20 (фиг.3) и выдает сигнал единицы на сброс интегрирующей емкости интегратора 2, поступающий через элемент 13 на блок 12, и устройство автоматически возвращается в исходное состояние и готово к новому поиску (фиг.3). В случае, если в пределах установленного времени паузы t₁ ^omax ^o встретилось еще одно искажение поля (фиг.4), на выходе компаратора 17 появляется второй импульс, длительность которого t₂ сравнивается с длительностью первого t₁ и если t₁>t₂, то вычислитель 15 включает красный светодиод 21, что соответствует предварительному “подозрению” на металлический трубопровод, а если t₁2 – то второй зеленый светодиод 22, что обозначает предположение на пластиковый трубопровод.

После окончания второго импульса (который предположительно может соответствовать центральному искажению поля над проекцией трубопровода на поверхность земли), таймер вычислителя 15 также начинает подсчитывать время паузы t₂ ^o и сравнивать его текущее значение с установленным с блока 19 t_max ^o. Если t₂t_max ^o, вычислитель 15 готов к приему третьего импульса и поддерживает горение двух светодиодов 20 и 21 или 20 и 22 (зеленого и красного или двух зеленых). При истечении времени паузы при t₂>t_max ^o и непоступлении третьего импульса с выхода компаратора 17 вычислитель 15 гасит все светодиоды и выдает на вход элемента 13 импульсы сброса интегратора 2 как и после первого импульса. Это означает, что подозрение на трубопровод не подтвердилось. Если же имеет место трубопровод, то через время паузы t₂ ^o, близкое к t₁ ^o с выхода компаратора 17 на вход вычислителя 15 поступает третий импульс (и его инвертированный образ с выхода элемента НЕ 18), длительность которого (обратно пропорциональная интенсивности разности фаз), сравнивается с длительностью первых двух импульсов. Для этого вычислитель 15 производит вычисление следующих разностей:
t₁ = |t₁-t₂|,
t₂ = |t₂-t₃|,
t₃ = |t₁-t₃|.
Если одновременно
t₁>t₃ и t₂>t₃,
что соответствует изображенному на фиг.2, то вычислитель 15 формирует сигнал, зажигающий третий зеленый светодиод 23, что соответствует подтверждению обнаружения трубопровода.

При фиксации на поверхности земли начала отклонения стрелки индикатора 16 и загорания каждого из трех светодиодов (20, 21, 23 или 20, 22, 23), можно измерить глубину залегания трубопровода путем измерения расстояний между метками.

Таким образом, устройство позволяет зарегистрировать, оценить и проанализировать даже мельчайшие отклонения фазового сдвига в различных пространственных точках и распознать фазовые отклонения, соответствующие скрытым трубопроводам различных типов и размеров.

Выполнение усилителя внешнего интегратора 2 в виде функционального преобразователя напряжение – фаза, включающего прямой тракт от предварительного усилителя 3 до УПТ 11, позволяет развязать вход и выход интегратора 2 и реализовать в связи с этим большой коэффициент усиления, что обусловливает более высокую чувствительность устройства в сравнении с известными.

При выполнении дальнейших измерений производят обнуление интегрирующей емкости блока 12 путем замыкания ее обкладок с помощью электронного ключа сигналом с выхода кнопки сброса 14 через элемент ИЛИ 13. Выбор величины интегрирующей емкости блока 12 производят из условий компромисса между значением общего коэффициента усиления (чем меньше емкость, тем больше коэффициент усиления) и достаточно большим временем интегрирования с целью удобства регистрации (чем больше емкость, тем больше время интегрирования). Величина емкости блока 12 также подбирается в согласовании с частотой генератора 5 опорного сигнала и для каждой фиксированной частоты эта емкость представлена отдельным конденсатором, коммутируемым переключателем, совмещенным механически с переключателем частот фиксированных настроек генератора 5, который также совмещен с переключателем интегрирующих конденсаторов различных емкостей интегратора 8.

Блок 12 может быть выполнен (фиг.5) в виде набора конденсаторов 24, соединенных между собой одной обкладкой, являющейся выходом блока 12, количество конденсаторов 24 равно количеству фиксированных настроек генератора 5, каждая свободная обкладка конденсаторов 24 соединена с соответствующим неподвижным контактом переключателя 25, подвижный контакт которого является входом блока 12; блок 12 также содержит электронный ключ 26, выполненный в виде транзистора, эмиттер которого соединен с объединенными обкладками конденсаторов ТА, коллектор соединен со входом блока 12, а база является управляющим входом блока 12.

Вычислитель 15 может быть выполнен в виде стандартной однокристальной микро-ЭВМ (микропроцессора 27), например, типа 87С51 фирмы Intel или отечественного аналога КМ1830ВЕ751, выполненных по КМОП технологии (с низким током потребления для переносного прибора).

Блок 19 установки временной паузы, представляющий собой клавиатуру, может быть выполнен в виде матрицы кнопок 28 (например, 4х4, см. фиг.6), соединенных с первыми выводами диодов 29 диодной матрицы одними выводами кнопок 28, другие выводы которых соединены по столбцам матрицы между собой, а вывод каждого столбца соединен через балластные резисторы 30 с шиной питания, другие выводы диодов 29 соединены по строкам между собой, а общий их вывод каждой строки соединен с соответствующим входом первого параллельного порта (Р0) микропроцессора 27, являющимися линиями возврата, а выводы каждого столбца кнопочной матрицы соединены с соответствующим выходом второго параллельного порта (Р1) микропроцессора 27, образующие линии сканирования; к каждому входу первого параллельного порта Р0 подключен резистор 31, другие выводы резисторов 31 соединены между собой и с общим проводом (“землей”). Ввод максимального значения времени паузы t_max ^o осуществляется с клавиатуры 28 блока 19 и осуществляется только при изменении установки этого значения. При отключении устройства микропроцессор 27, переводится в режим микропотребления (например, замыканием переключателя 32, соединяющего общий провод питания с выводом XTAL1 микропроцессора 27) и введенное значение t⁰ _max сохраняется при отключенном питании от остальной части устройства.

К частотозадающим входам микропроцессора 27 подключен кварцевый резонатор 33 на 12 МГц (для указанных типов микропроцессоров), вход общего сброса (RST) микропроцессора 27 подключен через конденсатор 34 к шине питания, первым входом вычислителя 15 является вход Р3.3 микропроцессора 27, организованного как вход аппаратного прерывания единицы отрицательным фронтом входного сигнала, а вторым входом вычислителя 15 – вход Р3.2 микропроцессора 27 – вход аппаратного прерывания нуля отрицательным фронтом входного сигнала, выходами вычислителя 15 являются открытые коллекторы буферных транзисторов 35, базы которых соединены с выходами третьего параллельного порта Р2 микропроцессора 27, эмиттеры которых соединены с общим проводом, а светодиоды 20-23 соединены одноименными выводами с коллекторами транзисторов 35, а другие выводы их соединены между собой и подключены через резистор 36 к шине питания.

Работа микропроцессора 27 осуществляется в соответствии с алгоритмом (фиг.7.).

Где t_i – длительность i-го импульса компаратора 17;
n_i – код длительности i-го импульса компаратора 17;
m_i – код длительности i-й паузы между t_i и t_i+1 импульсами компаратора 17.

Сброс в нулевое (исходное состояние) микропроцессора 27 производится при включении питания устройства перепадом напряжения через конденсатор 34 или через конденсатор 37 управляющим импульсом сброса устройства, вырабатываемого микропроцессором 27 с первого вывода порта Р2 (Р2.0).

Устройство для поиска подземных трубопроводов по сравнению с известными аналогами и прототипом обладает следующими преимуществами:
большими функциональными возможностями за счет того, что благодаря дополнительно введенным элементам, соединенным предложенным образом, осуществляется возможность поиска, локализации и определения параметров (диаметр, глубина залегания) не только металлических, но и немагнитных и диэлектрических, например полиэтиленовых, асбестоцементных, керамических и др. трубопроводов, без каких-либо излучающих блоков, т.е. пассивным образом;
высокой чувствительностью и помехозащищенностью, позволяющей отдифференцировать трубопроводы из различных материалов, находящихся как вблизи от поверхности земли, так и на значительной глубине. Устройство позволяет осуществлять поиск трубопроводов практически на всех промышленно используемых глубинах их залегания. Это достигается использованием шумового электромагнитного фона в качестве полезного сигнала в сочетании с высокоинтеллектуальной автоматической логикой анализа получаемых данных, что значительно улучшает точность устройства, наглядность представления данных и позволяет также значительно упростить работу с устройством;
малыми весогабаритными показателями и низким энергопотреблением, а также высокой степенью экологичности, поскольку устройство работает исключительно на прием в пассивном режиме и не содержит каких-либо излучающих элементов, что обусловливает также низкую зависимость его работы от внешних погодных условий (температура, влажность, давление, вид и состояние почвы и т.д.).

Источники информации
1. Патент RU 2152059 C1, МПК⁷ G 01 V 3/11, 2000.

2. Заявка WO 98/09183, МПК⁷ G 01 V 3/12, 1998.

3. Патент RU 2119680, МПК⁷ G 01 V 3/08, 3/11, 1998.

4. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. М.: Энергия, 1980, с. 61.

Формула изобретения

1. Устройство для поиска подземных трубопроводов, содержащее антенну, выполненную ненаправленной и широкополосной и имеющую размеры, пренебрежимо малые по сравнению с длинами принимаемых волн; последовательно соединенные предварительный усилитель, импульсный фильтр, усилитель переменного тока, фазовый детектор, причем вход предварительного усилителя соединен с выходом антенны; перестраиваемый генератор опорного сигнала, выход которого соединен со вторым входом импульсного фильтра и вторым входом фазового детектора; интегратор, блок коррекции, усилитель постоянного тока, индикаторный элемент и кнопку сброса интегратора, отличающееся тем, что в него введены компаратор, элемент НЕ, блок интегрирующей емкости, вычислитель, блок установки времени паузы, блок задания коэффициента обратной связи, три индикаторных светодиода зеленого цвета и один – красного и элемент ИЛИ, а в предварительный усилитель введены второй и третий инвертирующий входы, причем второй вход интегратора соединен с выходом блока коррекции, а выход интегратора соединен со входами усилителя постоянного тока и блока задания коэффициента обратной связи, выход которого соединен со вторым инвертирующим входом предварительного усилителя, третий инвертирующий вход которого соединен через блок интегрирующей емкости с выходом усилителя постоянного тока, который соединен также со входом индикаторного элемента и входом компаратора, выход которого соединен с первым входом вычислителя и через элемент НЕ – со вторым входом вычислителя, третий вход которого соединен с выходом блока установки временной паузы, а каждый выход вычислителя соединен со входом соответствующего светодиода, управляющий выход вычислителя соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом кнопки сброса интегратора, а выход элемента ИЛИ соединен со входом сброса блока интегрирующей емкости.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что входной каскад предварительного усилителя выполнен как входной каскад усилителя заряда.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что генератор опорных сигналов выполнен с фиксированными настройками и переключателем настроек, интегратор и блок интегрирующей емкости содержат переключатель и набор коммутируемых конденсаторов различных емкостей, соединенных с переключателем, причем переключатели генератора, интегратора и блока интегрирующей емкости имеют одинаковое число положений и совмещены механически друг с другом.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что содержит закрытый корпус, выполненный из электропроводного материала, соединенный с общим проводом, внутри которого смонтирована электронная часть устройства, кроме антенны и источника питания, и рукоятку, выполненную из диэлектрического материала, внутри которого расположен источник питания.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что антенна выполнена в виде плоского диска из материала с низким удельным сопротивлением и расположена снаружи корпуса.

6. Устройство по любому из пп.1,2,4-6, отличающееся тем, что вычислитель выполнен в виде однокристального микропроцессора, причем первым входом вычислителя является вход аппаратного прерывания единицы микропроцессора, а вторым входом вычислителя является вход аппаратного прерывания нуля; блок установки временной паузы выполнен в виде клавиатуры, выходы которой соединены с выводами первого параллельного порта микропроцессора, а входы клавиатуры соединены с выводами его второго параллельного порта, выходами вычислителя являются выводы третьего параллельного порта микропроцессора.

РИСУНКИ