CC BY
26
УДК 624.131.3
АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДИСТАНЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОЧВ
А.А. НАУМОВ, Ю.Ю. ВАССУНОВА Казанский государственный энергетический университет.
Статья посвящена разработке радиоволнового аппаратного комплекса, способного проводить исследования грунтов бесконтактным неразрушающим способом в условиях действующих энергетических предприятий, без остановки технологических процессов, строительно-монтажных, ремонтных работ.
Ключевые слова: аппаратный комплекс, геофизические методы, радиоволновой метод, дистанционное исследование, генераторный блок, приемный блок, антенна.
Проблема изучения поверхности земли во все времена является актуальной. В настоящее время наблюдается активная застройка территорий, прилегающих к крупным городам, а в городах участились случаи обвалов и разрушений зданий и сооружений, в том числе и энергетических. У высоковольтных линий электропередач периодически требуется контролировать качество заземления. Отходы крупных промышленных и строительных предприятий, городских агломераций (свалок), утечки нефтепродуктов на нефтеперегонных заводах, из трубопроводов, вблизи станций, перекачивающих нефть и газ, нефтехранилищ, складов горюче-смазочных материалов, бензоколонок и т.п. - все это приводит к экологическим проблемам и несет прямую угрозу хозяйственно-промышленной деятельности и населению.
При эксплуатации энергетических объектов подземные пустоты, ослабленные зоны, зоны тектонических разрушений, трещины, оползни приводят к нарушению режимов работы энергосистем. Поэтому крайне необходимо достоверно и оперативно получать информацию о состоянии грунтовых массивов под существующими и строящимися объектами, об их стойкости и распределению по глубине.
В настоящее время известны различные методы геофизических исследований подстилающих грунтов: контактные и бесконтактные. К простейшим контактным методам относятся бурение, копание шурфов, скважин и канав. Но эти способы имеют недостатки: невозможность исследования под существующими объектами, неоперативность получения информации, трудоемкость, высокая себестоимость. Метод бурения имеет принципиальный и неустранимый недостаток -избирательность точки бурения. Кроме того, отличительной его особенностью является дороговизна, проблемы использования в сложных условиях и опасность повреждения объектов подземной инфраструктуры, неприспособленность для использования на склонах, бетонных участках и в густо застроенных районах. Это привело к тому, что бурение применяется, в основном, в опорных точках для повышения достоверности бесконтактных методов.
Бесконтактные методы позволяют проводить мониторинг состояния объектов без прекращения их эксплуатации. Существует большое количество методов и средств дистанционного исследований почв, таких как методы сейсморазведки, гравиразведки, магниторазведки, электроразведки и т.д. Эти методы основаны на изучении естественных или антропогенных физических полей (магнитных, электрических, электромагнитных, акустических и др.), выявлении аномалий в этих полях, отражающих локальные особенности почвы. Но в условиях города использование многих методов малоэффективно из-за сильного влияния промышленных наводок, значительных переотражений от зданий и сооружений и ряда других факторов.
Для этих целей можно применять комплексы электроразведочной техники и технологии постоянных и низкочастотных электромагнитных полей [1,2]. Так, например, вертикальное электрическое зондирование. Это метод широко применяется при исследовании участков под строительство. Он проводится с забиванием свай и электродов, прокладкой кабеля, что ограничивает его использование ввиду трудоемкости процесса и затрудняет применение на
асфальтированных и забетонированных участках. А для исследования непосредственно под фундаментом существующего здания метод оказывается совершенно непригодным. Также большинство этих методов обладают высокой глубинностью и не всегда позволяют исследовать разрез с необходимой точностью и детальностью.
Для решения инженерных задач при эксплуатации и строительстве энергетических объектов необходима информация о распределении грунтов и о их состоянии до глубины порядка 100м.
Одним из методов является метод георадиолокации [2,3], который хорошо подходит для определения пустот в окрестности зданий. Недостатком можно назвать ограниченность глубины исследований (до 30 м), тогда как известны случаи обнаружения карстовых пустот на глубинах до 200 метров. Кроме того, применение ограничено необходимостью наличия гладкой и ровной поверхности. Если проводить исследование в подвале, то железобетонный пол и фундамент сильно поглощают излучение и резко ограничивают глубинность.
Применение методов теллурического тока, магнитотеллурического и магнитовариационного зондирования, магнитовариационного профилирования, основанных [2,4] на регистрации компонент напряженностей электрического и магнитного полей естественного поля земли, неприменимо в силу значительных промышленных помех.
Сейсморазведка [2,5] включает два основных метода: метод отраженных волн (МОВ) и метод преломленных волн (МПВ), относящихся к техническим модификациям, а также несколько второстепенных методов. Метод отраженных волн включает изучение волн, которые отразились от границы раздела двух сред. Вследствие отражений акустического сигнала от зданий, дополнительных вибраций, создаваемых железнодорожным транспортом, а также электрооборудованием на энергосистемах, этот метод обладает низкой информативностью и мало применим для задач определения устойчивости объектов.
В силу всего вышесказанного, для целей диагностики состояния зданий и сооружений наиболее подходящими являются радиоволновые методы (РВМ). Целесообразность применения данного метода обуславливается тем, что выявление аномалий на поверхности грунтового массива обеспечивается оперативно и без нарушения физического состояния зондируемой среды. Особенностью технологии РВМ является используемый диапазон частот (0,5 - 10 МГц) [6].
Нами была поставлена и решена задача разработки радиоволнового аппаратного комплекса, способного проводить исследования бесконтактным неразрушающим способом и выполнять исследования в условиях действующих предприятий, без остановки технологических процессов, строительно-монтажных, ремонтных работ. Комплекс имеет достаточную помехозащищенность, а также позволяет проводить работы в районах застройки, электрифицированных железных дорог.
Был собран опытный образец радиоволнового комплекса для исследования грунтового пространства. В качестве критерия оптимальности был выбран критерий наибольшей производительности при минимальной конструктивной сложности. Указанному критерию соответствует система, состоящая из генератора и приемника с магнитными антеннами. Генератор непрерывно излучает в пространство монохромное электромагнитное излучение частотой единицы мегагерц, приемник фиксирует наведенные вторичные поля.
Выбор частоты обусловлен тем, что при указанной частоте возможно проведение зондирования до глубины 100 метров, что в большинстве случаев достаточно для диагностики состояния зданий и сооружений, при этом разрешающая способность довольна высокая.
Приемник реагирует на одну составляющую поля, поскольку информативность при этом довольно высокая, а производительность максимальная. Взаимное расположение элементов системы, их ориентация в пространстве, величина и направление определяют геометрию установки.
Аппаратный комплекс состоит из малогабаритных, мобильных, переносных генераторного и приемного блоков с антеннами, конструктивно выполненными
раздельно.
В качестве антенн для генератора и приемника выбраны магнитные кольцевые рамочные антенны в форме круга (рис. 1).
Рис. 1. Фото антенн
Важнейшее преимущество магнитной антенны перед электрической заключается в том, что влияние среды на нее при работе в окружении предметов из диэлектрика с потерями на эффективность и на резонансную частоту (т.е. расстройку антенны) значительно слабее. Вносимые потери, создаваемые стволом дерева, находящимся рядом с антенной, телом и рукой оператора, могут изменить напряженность поля электрической антенны в десятки раз, в рамке же они не приводят к заметному ухудшению параметров поля.
Под диаграммой направленности приемной антенны понимается зависимость ЭДС, наводимой в антенне, от направления прихода электромагнитной волны. В соответствии с теоремой взаимности антенна обладает одной и то же диаграммой направленности при использовании ее как в качестве передающей, так и в качестве приемной. С помощью программы моделирования антенн MMANA были теоретически рассчитаны диаграммы направленности рамочных кольцевых магнитных антенн.
По результатам расчетов показано, что вертикально расположенная антенна обладает значительными направленными свойствами и имеет диаграмму направленности как по вертикальной, так и по горизонтальной поляризации, причем диаграмма вертикально поляризованных волн несколько больше, чем диаграмма горизонтально поляризованных волн (рис. 2).
Рис. 2. Вертикальная поляризация передающей антенны
Максимумы сигналов для волн вертикальной поляризации лежат в плоскости антенны, максимумы для волн горизонтальной поляризации находятся перпендикулярно плоскости антенны.
Горизонтально расположенная кольцевая антенна обладает круговой диаграммой для волн горизонтальной поляризации и направленной диаграммой для волн вертикальной поляризации с двумя максимумами и двумя минимумами.
Магнитные рамочные антенны генератора и приемника представляют из себя «обруч» диаметром около 70 см, изготовленный из дюралюминиевой трубы диаметром около 50 мм; диаметр проводника 0,8 мм, расстояние между проводниками 6 мм при рабочей частоте 2 МГц.
Внутри «обруча» расположены 5 витков. Антенна приемника располагается в горизонтальной плоскости, а генератора - в вертикальной. Такая ориентация приемной и передающей антенн применена для максимального уменьшения влияния первичного сигнала на входной сигнал приемника.
Устройство генераторного блока Рис. 3. Генераторный блок выполнено в виде единого с дипольной
антенной конструктивного элемента, устанавливаемого на теодолитный штатив (рис. 3).
Разработана принципиальная схема генератора и произведен расчет ее элементов. Генератор выполнен на пяти транзисторах.
Особенностью схемы генератора является то, что она разрабатывалась из требований минимизации количества элементов с малыми токами покоя транзисторов усилителя мощности, что позволило значительно уменьшить общий ток потребления при обеспечении заданной выходной мощности [7].
Генераторный блок находится в экранированном пылевлагозащищенном
корпусе. На корпусе блока находятся органы управления питанием генератора, а также, для удобства настройки генераторного контура, движок подстроенного конденсатора выведен на наружную часть генераторного блока. Генераторный блок может работать в двух режимах выходной мощности (положение 1 - коэффициент равен 0,5; положение 2 -коэффициент равен 1). Источник питания определяется, в первую очередь, мощностью генераторного устройства. Это может быть аккумулятор, обеспечивающий небольшие выходные токи (до 0,2 А), в этом случае генератор называется портативным (переносным). Питание генератора осуществляется напряжением 12 В от аккумулятора емкостью 4 Ah, размещенного отдельно в непромокаемом чехле. При подключении питания загорается индикаторная светодиодная лампа.
Приемный блок выполнен в виде единого с дипольной антенной конструктивного элемента, устанавливаемого на теодолитный штатив.
Плата приемника установлена в специальный бокс, приваренный к антенной системе, что обеспечивает электромагнитное экранирование элементов приемника и его защиту от атмосферных осадков. Блок питания приемника крепится к штативу).
Рабочая частота приемника (2 Рис. 4. Приемный блок МГц) соответствует частоте генератора,
выполненного в виде отдельного блока. Приемное устройство обеспечивает прием вторичных полей, наведенных радиоволновым излучением антенны генератора.
На приемной антенне установлен визир для ортогональной установки плоскости антенн в процессе проведения полевых работ. На корпусе приемника имеется уровень для настройки положения плоскости антенны по горизонтали (рис. 4).
Приемник выполнен по супергетеродинной схеме. Выход антенны через разделительный конденсатор C1 и трансформатор TR1 подключены к усилителю высокой частоты (УВЧ), который построен на транзисторах VT1 и VT2 по каскадной схеме с высоким входным сопротивлением и малой проходной емкостью. Выход УВЧ через трансформатор TR2 нагружен на смеситель. Смеситель и гетеродин с внешним кварцевым резонатором созданы на микросхеме DA1. На дискретных элементах DR2 и С8, С9 собран фильтр промежуточной частоты. На микросхемах DA2, DA3 и DA4, DA5 построены усилитель ПЧ и выпрямитель сигнала ПЧ. К выводу 7 микросхемы DA4 подключается измерительный цифровой вольтметр с плавающей запятой, что позволяет автоматически производить измерение амплитуды отклика в диапазоне от единиц mV до 3 V (рис. 5). Питание приемника осуществляется стабилизированным напряжением ± 5 В через стабилизаторы DA6 и DA7. Чувствительность приемника не ниже 1 мкВ/м.
Рис. 5. Схема приемника
Вольтметр установлен в корпусе антенны (рис.4). Приемный блок, также как и генераторный блок, может работать в двух режимах выходной мощности (положение 1 - коэффициент равен 0,5; положение 2 - коэффициент равен 1), тумблер переключения данного усиления находится на передней стенке приемного блока. Также на передней стенке приемника расположены: тумблер включения питания (Вкл. и Выкл. приемн.), тумблер контроля питающего напряжения (+ и - ), тумблер включения и выключения питания вольтметра, разъем питания приемника и вольтметра. Источником питающего напряжения являются две батареи из 6 штук никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 1000 тА^ Батареи собраны как двухполярный источник питания с общей точкой.
Выводы
Интенсивное использование аппаратного комплекса в течение года в лабораторных и полевых условиях показало его высокие эксплуатационные свойства при обеспечении дополнительных мер для защиты схемы от воздействия влаги, что обеспечивалось размещением всех элементов, за исключением источника питания, в замкнутый экранированный бокс, жестко закрепленный непосредственно на антенне, и промазкой элементов крышки герметиком.
Summary
Article are dedicated to development radio wave hardware complex capable to conduct studies a soil noncontact way in condition acting energy enterprise, without stop of the technological processes, civil and erection, repair work.
Key words: hardware complex, geophisical methods, radio wave method, remote study, generator block, receiving block, antenna.
Литература
1. Якубовский Ю.В., Ляхов Л.Л. Электроразведка. М.: Недра. 1982.
2. Введение в геофизическую разведку / Под редакцией Г.Н. Гогоненкова. М.: Мир, 1988.
3. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Георадиолокационные исследования верхней части разреза. Изд-во МГУ, 2002.
4. В.К. Хмелевской. Геофизические методы исследования земной коры. Международный университет природы, общества и человека "Дубна", 1997 г.
5. Гликман А.Г. Физика и практика спектральной сейсморазведки. http:www.new.geophys.spb.ru/ru/book.
6. Задериголова М.М. Радиоволновой метод в инженерной геологии и геоэкологии. Изд-во Москов. ин-та, 1998. 320 с.
7. Наумов А.А., Куделя А.М., Вассунова Ю.Ю. Генератор радиоволнового аппаратного комплекса. Вестник КГЭУ. 2009. №2.
Поступила в редакцию 05 мая 2009 г.
Наумов Анатолий Алексеевич - д-р физ.-мат. наук, заведующий кафедрой «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-75. Е-mail: [email protected].
Вассунова Юлия Юрьевна - старший преподаватель кафедры «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8927-4293949. Е-mail: [email protected].
