CC BY
17
ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online) УДК 620.179.14: 621.315.23 DOI: 10.18503/1995-2732-2021-19-4-16-28
МУЛЬТИПЛИЦИРОВАННЫЙ СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОИСКА ПОДЗЕМНЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ
Брякин И.В.1, Бочкарев И.В.2, Храмшин В.Р.3
1Институт машиноведения и автоматики Национальной академии наук Кыргызской Республики, Бишкек, Кыргызская Республика
2Кыргызский государственный технический университет им. И. Раззакова, Бишкек, Кыргызская Республика 3Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия
Аннотация. Цель. Разработать и теоретически обосновать новый способ индукционного зондирования, обеспечивающий повышенную чувствительность поиска различных электропроводящих подповерхностных объектов, например подземных кабельных линий и трубопроводов. Разработать установку для реализации предложенного способа. Методы. При решении поставленных задач использован метод электромагнитного зондирования, заключающийся в генерировании переменного электромагнитного поля, которым сканируют исследуемую область, с последующей фиксацией наличия подповерхностных объектов путем приема отраженного от него сигнала. Результаты. В статье разработан новый мультиплицированный способ поиска подповерхностных объектов, особенностью которого является то, что при помощи излучающей рамочной антенны не только возбуждают первичное магнитное поле, но и одновременно контролируют изменение электрических параметров этой антенны, вызванные переизлученным полем от подповерхностных объектов. Предлагается использовать два асимметричных измерительных канала. В качестве датчика первого измерительного канала используется рамочная антенна, причем в этом канале создается резонансный режим возбуждения, а в качестве датчика второго измерительного канала используется приемная ферритовая магнитная антенна, для которой создан режим магнитного усилителя. Приведено теоретическое обоснование нового способа. Разработана структурная блок-схема двухканальной индукционной установки для дистанционного зондирования, описана процедура определения глубины залегания подповерхностного объекта и его идентификации. Заключение. Разработанный мультиплицированный способ индукционного зондирования обеспечивает высокую эффективность поиска и идентификации различных подповерхностных объектов. Он обеспечивает повышенную чувствительность и точность зондирования, а также снижение в несколько раз порога чувствительности магнитной антенны, выполняющей функции измерительного преобразователя.
Ключевые слова: индукционное зондирование, подповерхностный объект, зондирующая установка, излучающая рамочная антенна, резонансный режим возбуждения, приемная ферритовая магнитная антенна, измерительный канал, магнитный усилитель.
© Брякин И.В., Бочкарев И.В., Храмшин В.Р., 2021
Для цитирования
Брякин И.В., Бочкарев И.В., Храмшин В.Р. Мультиплицированный способ индукционного зондирования для поиска подземных электропроводящих объектов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т.19. №4. С. 16-28. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2021-19-4-16-28
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
MULTIPLICATED METHOD OF INDUCTION SOUNDING TO SEARCH FOR UNDERGROUND ELECTRICALLY CONDUCTIVE OBJECTS
Bryakin I.V.1, Bochkarev I.V.2, Khramshin V.R.3
institute of Mechanical Science and Automation of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, Bishkek, Kyrgyzstan
2Razzakov Kyrgyz State Technical University, Bishkek, Kyrgyzstan 3Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia
Abstract. Purpose. The aim of this paper is to develop and theoretically substantiate a new way of induction sounding, providing an increased sensitivity of the search for various electrically conductive subsurface objects (SO), for example underground cable lines and pipelines, as well as to develop an installation to implement the proposed method. Methods. When solving the tasks, the authors have used the electromagnetic sounding method, which consists in generating an alternating electromagnetic field, which scans the area under study, followed by the fixation of the SO presence by receiving the signal reflected from it. Results. The paper presents a new multiplicated method for searching SO, whose feature is that a radiating frame antenna is used not only to excite the primary magnetic field, but also simultaneously control the change in the electrical parameters of this antenna caused by the reradiated field from the SO. It has been proposed to use two asymmetric measuring channels (MC). The first MC sensor uses a frame antenna, and the resonant excitation mode is created in this channel, and the receiving ferrite magnetic antenna is used as the second MC sensor, which creates a magnetic amplifier mode. The paper contains a theoretical substantiation of the new method. A structural block diagram of a two-channel induction installation for remote sensing has been developed, a procedure for determining the depth of the SO and its identification has been described. Conclusion. The developed multiplicated method of induction sounding provides high search efficiency and identification of various SO. It provides increased sensitivity and accuracy of sounding, as well as a decrease in a magnetic antenna sensitivity threshold by several times, performing the function of the measuring transducer.
Keywords: induction sounding, subsurface object, sounding installation, emitting frame antenna, resonant excitation mode, receiving ferrite magnetic antenna, measuring channel, magnetic amplifier.
For citation
Bryakin I.V., Bochkarev I.V., Khramshin V.R. Multiplicated Method of Induction Sounding to Search for Underground Electrically Conductive Objects. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2021, vol. 19, no. 4, pp. 16-28. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2021-19-4-16-28
Введение
В настоящее время на практике для обнаружения подповерхностных объектов (ПО) в виде подземных инженерных сооружений (кабельных и телефонных линий, трубопроводов и т.п.), а также различного рода подземных электропроводящих объектов и геоэлектрических неодно-родностей верхних слоев земной коры используется различная зондирующая аппаратура [1-3], которая реализует различные способы зондирования. Эффективность этой аппаратуры в значительной мере зависит от способов создания зондирующих сигналов, получения и обработки измерительной информации, а также от конструктивных особенностей индукционных установок (ИУ), используемых для их реализации [4-7]. При этом, несмотря на многообразие известных способов дистанционного зондирования, вопросы расширения их функциональных возможно-
стей, а также повышение чувствительности и точности по-прежнему остаются весьма актуальными и востребованными [8-10].
Для исследований был выбран один из наиболее распространённых и эффективных подходов к зондированию и поиску металлических обесточенных ПО - электромагнитное зондирование, основанное на том, что генерируют переменное зондирующее электромагнитное поле, которым сканируют исследуемую область, а наличие в ней ПО фиксируют путем приема отраженного от него сигнала.
Теоретическое обоснование нового мультиплицированного способа индукционного зондирования
Подробный анализ известных способов зондирования и конструктивных модификаций ИУ показал, что для улучшения их эксплуатацион-
ных характеристик целесообразно реализовы-вать два эффекта [11]:
- применять вариант с нулевым первичным полем, то есть за счет особого взаимного расположения генераторной и приемной катушек обеспечивать геометрическую компенсацию первичного поля, а также реализовать компенсацию ЭДС, индуцируемых в приемных катушках внешними электромагнитными помехами;
- использовать методы усиления магнитного потока.
На базе проведенных исследований был разработан новый мультиплицированный способ индукционного зондирования, позволяющий с высокой точностью осуществлять поиск и идентификацию металлических подповерхностных объектов.
Сущность этого способа заключается в том, что в окружающем пространстве посредством излучающей рамочной антенны, питаемой гармоническим сигналом, возбуждают первичное электромагнитное поле и этим полем наводят в ПО вихревые токи, создающие вторичное (переизлученное) электромагнитное поле. При этом рамочная антенна является не только источником первичного электромагнитного поля, но и одновременно приемником вторичного электромагнитного поля. Кроме того, в качестве дополнительного датчика регистрации вторичного магнитного поля применяется ферритовая магнитная антенна (МА) с геометрической компенсацией первичного поля [12, 13].
Указанные особенности предлагаемого способа позволяют при зондировании реализовать метод инвариантных измерений. Для этого используют два независимых измерительных канала (ИК) ИК1 и ИК2 [14], каждый из которых находится под воздействием вторичного поля. Первый ИК1 образуют путем использования первичной рамочной антенны, причем для повышения чувствительности в этом канале создают резонансный режим возбуждения, а основой второго ИК2 является приемная ферритовая магнитная антенна. В каждом из этих ИК реализуют различные физические принципы, обеспечивая тем самым линейную независимость их статических функций преобразования [15-17]. Это обеспечивает возможность управления режимами функционирования второго ИК2 сигналами первого ИК1. При этом для приемной фер-ритовой магнитной антенны создают режим магнитного усилителя. Это существенно снижает погрешность реального процесса преобразования входной величины во втором ИК2 и обес-
печивает заметное снижение (в несколько раз) порога чувствительности МА как измерительного преобразователя.
Рассмотрим подробно все основные процедуры, выполняемые при создании зондирующего поля и контроле переизлученного поля от ПО, а также методологию обработки измерительной информации.
Работа первого измерительного канала ИК1. Основу первого ИК1 составляет рамочная антенна (РА). При помощи этой антенны в предлагаемом способе, как уже говорилось, выполняют две операции:
- создают в однородном окружающем пространстве первичное непрерывное электромагнитное поле, для чего на РА подают от возбуждающего генератора звуковых частот непрерывный синусоидальный сигнал рабочей частоты ио (У) = ит. Этим полем наводят в ПО вихревые токи, создающие вторичное электромагнитное поле, которое намагничивает окружающую среду;
- улавливают влияние вторичного поля на первичное магнитное поле, которое изменяет электрические параметры РА.
Схема взаимодействия РА 1 с ПО 3 показана на рис. 1. Для повышения чувствительности индукционного зондирования в канале ИК1 создают резонансный режим возбуждения посредством включения последовательно с РА конденсатора С.
* I
Рис. 1. Схема индукционного взаимодействия рамочной антенны с подповерхностным объектом: 1 - рамочная антена; 2 - вмещающая среда; 3 - подповерхностный объект Fig. 1. Scheme of induction interaction of a frame antenna with the subsurface object: 1 is a frame antenna; 2 is background medium; 3 is the subsurface object
Брякин И.В., Бочкарев И.В., Храмшин В.Р.
Под действием первичного переменного электромагнитного поля, возбужденного током
/[, в контуре РА «Л, г,» будет наводиться ЭДС
Е1. Если во вмещающей среде 2 ПО 3 отсутствует, то эта ЭДС описывается выражением
( 1
1+7
саЦ -
шС
(1)
где
Таким образом, вследствие взаимодействия контуров «¿1 Cl» и «¿0 г0» величины активного г! и реактивного хь сопротивления контура РА изменились соответственно на
А^=
ю 2М? -; ^ = —7
у2 0' ц 7
^ 0 ^ 0
ю2М2 т
(5)
В этом выражении принято, что внутреннее сопротивление возбуждающего генератора гвн = 0.
В этом случае напряжение на индуктивности будет равно
(2)
При появлении во вмещающей среде 2 электропроводящего ПО 3, имеющим индуктивность ¿0 и сопротивление г0, в его электрическом контуре «¿0 г0» под действием первичного переменного электромагнитного поля наведется ЭДС и
по этому контуру потечет ток /0, который возбудит вторичное (отраженное) магнитное поле. Это приведет к тому, что контур «¿1 Г1» расстроится, что, в свою очередь, приводит к изменению
напряжения II ] на конденсаторе С\.
Таким образом, при наличии ПО 3 между контурами «¿1 С]» и «¿0 г0» появится взаимосвязь, характеризующаяся коэффициентом взаимоиндукции М\. В этом случае для этих взаимосвязанных контуров можно записать следующую систему уравнений:
В соответствии с выражениями (2) и (5), при наличии ПО напряжение на индуктивности ¿1 станет равным
иь=Ь
У
огМ2 ^
7- Г° ^ 0
(
ш 2М2
\
шЦ--ШЬ0
• (6)
Тогда приращение напряжения на индуктивности ¿1 будет равно
А и'ь=и'ь-иь=1;
+Р
ш2М2
со 2М2 ^
¿0 у
+
шЦ--ШЦ
¿2 0
(7)
Учтем, что ток в контуре РА «^ Г]» при отсутствии и при наличии ПО соответственно равен
(8)
где
ш2М2 ^
.( г а2МГ г 1
+ 7 шЦ--—- "Цо---
¿п шс.
1 У
Е =Г
о /,, -■
1
го С,
1 У
+ 7юМ1/0;
(3)
УюМ/* - ("г0 + уюХ0 Д0 = 0.
Поскольку гвн = 0, то величина ЭДС возбуждающего генератора в обоих случаях не изменится, но при наличии ПО ток контура РА изме-
т*
нится и будет равным / .
Решив второе уравнение системы (3) относительно /0 и подставляя результат в первое уравнение, получим
Ег=1г
суМ:
+
( т ш2м? т + ] шц--^ шц —
шС,
(4)
Введем обозначение к2 = ш2М12/¿02 и принимаем в качестве допущения, что Мх и шЦ — 1/ (шС ) = 0 . Тогда выражение (4) можно преобразовать к виду
А иь=Ег
(9)
(1 + ршЦ)
Добротность Q1 контура РА равна шЦ /г = ^. Тогда, с учетом сказанного, выражение (9) примет следующий вид:
Ш1=-Ёх ^
(г1+к2г()-
к2Й("¿0 + Л ) • (10)
V
Модуль данного приращения напряжения равен
,. •*, Е, ш2Мг A U г =
1 гЦ+оУЦ,
®2 4 =
Г1 Z0
(11)
3h
где
( Г1 + k 2 r0 )
2 - _; M = M0e Э , h - расстоя-
" » r
ние между РА и ПО; М0 - коэффициент взаимной индукции РА и ее зеркального отображения при к = ктт; ДЭ - эквивалентный радиус РА.
В соответствии с выражением (11) можно считать, что чувствительность колебательного контура в резонансном режиме возросла в Q1 раз. Кроме того, конденсатор С дополнительно выполняет функции балластного реактивного сопротивления, что позволяет в итоге существенно уменьшить активное сопротивление РА Т\ и повысить тем самым ее добротность Q1.
Анализ полученных выражений показывает, что при наличии в первом измерительном канале колебательного контура Ь\С\, который будет настроен на резонансную рабочую частоту /р, обеспечивается контроль как глубины к залегания ПО, так и изменения электропроводности о верхних слоев вмещающей среды, обусловленных наличием ПО.
Обобщая вышесказанное, выражение (11) можно трансформировать к виду
иж, = KЦ = F(a,h),
(12)
где К - коэффициент преобразования измерительного канала ИК.
Фактически вторичное (переизлученное) магнитное поле Н2 представляет собой некоторый вариант масштабированного поляризованного первичного магнитного поля Нь что в итоге и предопределяет наличие во вторичном магнитном поле Н2 наряду с вертикальной магнитной компонентой Н2 еще и горизонтальной магнитной компоненты Нх (рис. 2):
H2 ~4Hx + HZ •
(13)
Учитывая, что = р(Нг) и иЖг = Р(Нх),
можем констатировать справедливость следующих логических утверждений:
(Цик /Цик ) = Hz/HX ) = д • Я:
Hz Я2
(14)
ПО
Ях
Рис. 2. Распределение магнитных полей
при наличии подповерхностного объекта Fig. 2. Distribution of magnetic fields in the presence of a subsurface object
В свою очередь, наличие во вмещающей среде ПО, резко контрастирующего на ее фоне своими физическими свойствами, приведет к соответствующему перераспределению существующего соотношения Д между компонентами HZ и Ях в составе вторичного магнитного поля Я2, то есть в общем случае величину Д можно считать величиной вариативной, которая при четко выраженных поляризующих свойствах ПО может принять некоторое пороговое значение ДР.
Таким образом, можно утверждать, что в случае появления устойчивой локальной неоднородности в виде ПО во вмещающей среде Д примет некоторое пороговое значение ДР, которое является фактором, надежно определяющим наличие инородного ПО во вмещающей среде. В этом случае будет фиксироваться заметное увеличение компоненты Ях и соответствующее изменение HZ, то есть существенное уменьшение Д до условного порогового значения ДР.
Данное обстоятельство говорит о том, что в этом случае есть определенный смысл использовать режим магнитного усилителя (МУ) для МА в момент реализации следующего условия:
Д<ДР.
(15)
Работа второго измерительного канала ИК2. Основу второго ИК2 составляет приемная ферритовая магнитная антенна МА в виде двух приемных катушек, расположенных на феррито-вом стержне. В этом способе зондирования предлагается перевести МА в режим магнитного усилителя [18].
Рассмотрим условия, при которых МА можно рассматривать в качестве МУ (рис. 3).
В случае функционирования МА в режиме МУ ее ферритовый стержень 2 фактически является магнитопроводом МУ, а ее измерительная обмотка используется в качестве входной и вы-
1
ходной обмоток МУ. Для рассматриваемого случая последовательно с этой обмоткой со стороны источника управляющего входного сигнала ивх включен дроссель в виде индуктивности Ь, имеющий небольшое активное сопротивление для сигнала постоянного тока, но представляющий собой большое реактивное сопротивление для переменной ЭДС, индуктируемой во входной обмотке МУ (измерительная обмотка МА) изме-
ряемым переменным магнитным полем Н и
являющейся выходным сигналом [/вьп МУ. В рассматриваемой схеме МУ измеряемое магнит-
ное поле Н дополнительно выполняет функции управляющего (возбуждающего) магнитного поля.
1 2
МА
+ (-)
Рис. 3. Схема магнитного усилителя напряжения
с выходом на удвоенной частоте Fig. 3 Magnetic voltage amplifier circuit with double-frequency output
При подаче на измерительную обмотку МА, выполняющую в данном случае функцию входной обмотки МУ, постоянного опорного напряжения U в ней возникнет постоянный ток I,
вх '
который создаст в магнитопроводе МУ постоянное подмагничивающее магнитное поле Нп, которое вследствие нелинейного характера кривой намагничивания ферромагнитного стержня вызовет соответствующие изменения его нормальной магнитной проницаемости цн (Нп) и магнитного сопротивления:
Z = -
ZM
l
М- Н (Н П ) •S
(16)
Таким образом, в МУ фактически реализуется режим одновременного намагничивания магнито-
провода МУ переменным (измеряемым) и постоянным (подмагничивающим) магнитными полями.
Все электродинамические процессы, определяющие особенности режима функционирования рассматриваемого МУ, представлены на графике основной кривой намагничивания материала магнитопровода МУ (рис. 4).
в
5
Bi
#г
Рис. 4. Основная кривая намагничивания
магнитопровода магнитного усилителя Fig. 4. Basic magnetic amplifier magnetization B-H curve
Из рис. 4 видно, что при изменении Н в
диапазоне inf Н < Н <sup Н материал сердечника выходит из состояния насыщения и рабочая точка магнитного усилителя перемещается из точки 5 в область точки 3, в которой нормальная (эффективная) магнитная проницаемость материала магнитопровода МУ достигает своего максимального значения, то есть ц(Я0) = ^max.
Из анализа характеристики МУ вход-выход,
представленной на рис. 5, следует, что при I =I0 выходной сигнал Umix МУ в виде уже существенно усиленной переменной ЭДС подается в измерительный канал через конденсатор С, препятствующий проникновению напряжения опорного сигнала UBX в этот измерительный канал.
Таким образом, если МА использовать в режиме МУ, то на выходе катушки индуктивности для вторичного (переизлученного) магнитного поля Я2 с горизонтальной составляющей Ях, меняющейся по гармоническому закону с циклической частотой юр и являющейся функцией физических параметров а и h, напряжение иМА будет определяться следующим соотношением:
РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
(17)
где j - мнимая единица; Цо=4л-10-7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума; ^ - количество витков в катушке индуктивности МА 2; = га?2/4 -площадь сечения сердечника МА; с! - диаметр
сердечника МА 2: Н х = !< (о; к) - напряженность горизонтальной магнитной компоненты вторичного электромагнитного поля; с и к - величины соответственно удельной электрической проводимости и глубины залегания ПО; Цтах=Цн'^ц -максимально возможная магнитная проницаемость материала сердечника; К - коэффициент мультиплицирования, характеризующий уровень повышения чувствительности МУ для конкретного материала сердечника МА за счет постоянного подмагничивающего поля нп •
U„
Рис. 5. Характеристика магнитного усилителя вход-выход
Fig. 5. Magnetic amplifier characteristics: Input-output
Из уравнения (17) следует, что функционирование МА в режиме МУ при соответствующих условиях (НП = H0) существенно снижает погрешность реального процесса преобразования входной величины HX измерительным каналом ИК2 и обеспечивает максимальную чувствительность самой МА.
Переключение традиционного режима МА в режим МУ может осуществляться посредством специального бинарного сигнала «включение режима» UBP(t), предназначенного и формируемого для активации подмагничивающего поля НП = Н0, в соответствии с условиями:
UBp (t) =
il, при Л<ЛР ; 1 0, при Л>ЛР.
(18)
Обобщая, можно констатировать, что первичное магнитное поле Н возбуждает в проводящем ПО вихревой электрический ток, который, в свою очередь, создает вторичное магнитное поле Н2, горизонтальная компонента которого Нх воздействует на функционирующую в режиме МУ ферритовую МА, и индуцирует в ее двух приемных катушках соответствующие ЭДС, сумма которых в соответствии с (12) в результате последующих измерительных преобразований в ИК2 трансформируется к виду
(19)
где К2 - коэффициент преобразования измерительного канала ИК2.
Очевидно, что внутри диапазона измерения связь между сигналами на выходе и входе МА определяется функциональной зависимостью имл=/(Нх), которая является статической характеристикой МА (рис. 6, а).
Введем величину 5, определяемую соотношением
5 = lim
ЛН ^0
АЦма
уН У
dU,
dHv
Очевидно, что ее можно считать чувствительностью МА, а применительно к графической интерпретации - крутизной характеристики (рис. 6, б).
MA
а б
Рис. 6. Графическая интерпретация основных
характеристик магнитной антенны: а и б -соответственно статическая характеристика и крутизна характеристики Fig. 6. Diagramming of the basic characteristics of the magnetic antenna: a and б are static characteristics and steepness of the characteristics, respectively
На рис. 6 графики 1' и 1" соответствуют нормальному режиму работы МА, зависимости 2' и 2" соответствуют функционированию МА в режиме МУ, а величины H'mm и H"mm являются
Брякин И.В., Бочкарев И.В., Храмшин В.Р.
порогами чувствительности МА соответственно при ее нормальном режиме работы и в режиме МУ. Из анализа графиков на рис. 6 следует, что именно за счет введения коэффициента мультиплицирования Кц, обеспечивающего необходимый тренд варьирования магнитной проницаемости, появилась реальная возможность заметного снижения (в несколько раз) порога чувствительности датчика электромагнитного поля в виде МА.
Обобщая, можно констатировать, что использование двух независимых измерительных каналов ИК1 и ИК2, резонансного режима возбуждения РА, а также перевод МА в режим магнитного усилителя обеспечивают разработанному способу значительное повышение чувствительности и точности подповерхностного зондирования.
Разработка индукционной установки для реализации предложенного способа подповерхностного зондирования
На базе проведенных исследований была разработана структурная блок-схема индукционной установки, реализующая предложенный мультиплицированный способ индукционного зондирования для поиска металлических ПО (рис. 7). ИУ состоит из следующих функциональных блоков: 1 - индукционный зонд (ИЗ); 5 - разделительный фильтр (РФ); 6 - генератор
электрических сигналов звуковых частот; 7 - формирователь опорных напряжений; ИК1 и ИК2 - соответственно первый и второй измерительные каналы; 10 - формирователь напряжения задания режима МУ; 16 - коммутатор; 17 - вычислительный блок (В Б).
Индукционный зонд 1 содержит генераторную рамочную антенну РА, а также приемную магнитную антенну МА, состоящую из феррито-вого сердечника 2 и двух идентичных приемных катушек 3, 4. По отношению к приемным катушкам 3 и 4 рамочная антенна имеет ортогональное пространственное расположение. Тем самым осуществляется геометрическая компенсация первичного поля. Последовательно с РА 2 подключен конденсатор Сь который образует с ней резонансный контур. Катушки 3 и 4 имеют дифференциальное согласное включение. При наличии внешних синфазных электромагнитных помех, которые будут наводить в катушках 3 и 4 ЭДС с одинаковыми амплитудами и фазами, указанное включение катушек 3 и 4 будет обеспечивать полную взаимную компенсацию этих ЭДС. Первый ИК1 содержит синхронный детектор 8 и блок вторичной обработки сигнала 9. В свою очередь, в состав ИК2 входят буферные усилители 11 и 12 разностный усилитель 13 синхронный детектор 14 блок вторичной обработки сигнала 15.
1
ик1
-U3P
16 +U3P 10
ИК1
17
Ubp=F[Uhki/UИК2]
1 1 11
12
13
14
15
{a,-, h,}
ИК2
К
1 ИК2
Рис. 7. Структурная блок-схема индукционной установки Fig. 7. A schematic block diagram of the induction installation
7
9
8
Д
р
Предлагаемая установка работает следующим образом. При подаче на РА 2 сигнала рабочей частоты от генератора звуковых частот 6 она возбуждают в окружающем пространстве первичное электромагнитное поле. Поскольку РА и МА имеют взаимное ортогональное расположение, а катушки 3 и 4 включены дифференциально и согласно, то при отсутствии ПО в исследуемой области суммарная ЭДС на выходе ФА будет равняться нулю. Таким образом, за счет описанного расположения и подключения катушек РА и МА обеспечивается повышенная помехоустойчивость ИЗ в целом.
При наличии электропроводящего ПО в нем полем РА наводится ЭДС, появляются вихревые токи, которые создают вторичное магнитное поле. Это поле будет восприниматься катушками 3 и 4. Таким образом, при наличии во вмещающей среде ПО появляется горизонтальная магнитная составляющая вторичного магнитного поля, что приводит к нарушению начальной компенсации. За счет этого на выходе МА появляются относительно средней точки катушек 3 и 4 соответствующие напряжения, которые через реактивные элементы (С' и С") РФ 5 поступают на входы буферных усилителей 11 и 12. Сигналы с выходов буферных усилителей 11 и 12 подаются на вход разностного усилителя 13. Усиленный разностным усилителем 13 сигнал подается на информационный вход синхронного детектора 14, на опорный вход которого подается сигнал с выхода формирователя опорных напряжений 7, на вход которого подается непосредственно синусоидальное напряжение с выхода генератора 6. Выходной сигнал синхронного детектора 14 подается на блок вторичной обработки информации 15, где вычисляются параметры этого сигнала, и информация о них передается на соответствующий вход ВБ 17.
Первичное и вторичное магнитные поля, созданные соответственно РА и ПО, накладываются друг на друга. Это результирующее поле воздействует на РА и ее исходные электрические параметры изменяются. За счет этого на входе блока 9 появляется сигнал девиации, который описывается уравнением (11). Этот сигнал подается на информационный вход синхронного детектора 8, на опорный вход которого подается опорное напряжение с соответствующего выхода формирователя опорных напряжений 7. В свою очередь, сигнал с выхода синхронного детектора 8 поступает на вход блока вторичной обработки сигнала 9, который определяет пара-
метры сигнала девиации и информацию о них передает на соответствующий информационный вход ВБ 17.
Блок 17, используя полученную информацию с выходов блоков 9 и 15, алгоритмически определяет все необходимые параметры ПО, то есть к и с. Кроме того, блоком 17 дополнительно осуществляется процесс вычисления отношения (ииК1 / ) = А, значение которого регулярно
сопоставляется этим же блоком с заданным пороговым значением АР. При выполнении условия (15) на управляющем выходе блока 17 формируется специальный бинарный сигнал «включение режима» иВР(1;) (18), поступающий на управляющий вход коммутатора 16.
В свою очередь, блок 10 осуществляет формирование двухполярных напряжений задания режимов (-Цзр и +иЗР), которые поступают на информационные входы коммутатора 16. При активации коммутатора 16 сигналом Ц7ВР(/) напряжения задания режимов с его информационных выходов возбуждают через соответствующие реактивные элементы (¿' и ¿") РФ 5 соответствующие токи подмагничивания катушек 3 и 4 МА. При этом обеспечиваются необходимые фазировки и амплитуды этих токов, а также надежная развязка выходов блока 16 от информационных переменных сигналов с катушек 3 и 4. Кроме того, через соответствующие реактивные элементы (С и С") РФ 5 осуществляется разделение входов буферных усилителей 11 и 12 от постоянных электрических сигналов с блока 16. Особенности функционирования блоков 5 и 16 фактически обеспечивают режим МУ для МА при наличии ПО во вмещающей среде, создавая тем самым условия возникновения эффекта управляемой «магнитной линзы».
Если задать заранее высокую чувствительность ИК2 посредством аппаратных средств, непосредственно образующих данный измерительный канал, то это приведет к возникновению ложных срабатываний ИУ и появлению состояния информационной неопределенности при работе ВБ 17. Таким образом, использование способа повышения чувствительности ИК2 за счет изменения физических свойств чувствительного элемента МА (датчика магнитного поля), непосредственно участвующего в первичном измерительном преобразовании информационного сигнала, выводит решение проблемы поиска различных электропроводящих ПО на качественно иной уровень.
Исходя из уравнений (7) и (14), можно составить следующую систему уравнений измерений для ИК1 и ИК2 при функционировании МА в режиме МУ [14]:
[Uuv- = a -СТ + b • h;
\Uик = a2 ^с + b2 •h,
(20)
где а\, Ь\ и а2, Ь2 - коэффициенты линейно независимых статических функций преобразования соответственно ИК\и ИК2.
Систему алгебраических уравнений измерений (20) перепишем в виде общих уравнений двух плоскостей областей возможных значений контролируемых параметров (с и И) ПО в пространстве прямоугольной системы координат Oсhz (рис. 8):
fa • с +b • h + c •z = 0; [a2 • с + b2 • h + c2 •z = 0,
(21) (22)
где с1 и с2 - масштабные коэффициенты;
С •z = UHKi; c2 • z = иЖг; a1 и b1, a2 и b2 - угловые
коэффициенты; a1/a2 ^ b1/b2 ^ с1/с2.
h'>'
h a
Рис. 8. Области значений физических параметров
подповерхностного объекта Fig. 8. Range of the physical parameters of subsurface objects
Разыскиваемое решение системы уравнений (20) представляет собой геометрическое место точек М,(с; h,; z,), лежащих на одной пространственной прямой, проходящей через начало системы координат и являющейся линией пересечения двух плоскостей (21) и (22) (см. рис. 8).
Пространственная прямая ОМ фактически является общей осью целого набора пересекающихся в пространстве плоскостей, множество
которых образуется при различных значениях угловых коэффициентов линий пересечений соответствующих плоскостей (21) и (22) с координатными плоскостями сOz и hOz. В рассматриваемом случае значения угловых коэффициентов линий пересечений будут определять конкретные физические свойства исследуемого ПО.
Наличие подобного набора плоскостей отражает реальное многообразие физических свойств ПО, которое требует выполнения обязательной процедуры калибровки ИУ в виде предварительного определения масштабных коэффициентов и коэффициентов статических функций преобразования ИК\ и ИК2 для предполагаемого ПО с конкретными физическими свойствами.
С учетом сделанных замечаний решение системы алгебраических уравнений (20) можно представить в следующем виде:
с = -
h =
b1 UИК2 - Ь2 UИК
a • b - a • b2
a2 • иик— ai • иик2
a • b — a • b2
(23)
В соответствии с полученными алгоритмами (18) ВБ 17 осуществляет процесс окончательной идентификации ПО, то есть определяет глубину И залегания ПО и его идентификацию по величине о.
Проведенные экспериментальные исследования макетного образца индукционной установки, имеющей описанный вариант структурной блок-схемы, показали высокую чувствительность, точность и достоверность поиска и идентификации ПО.
Заключение
Разработанный новый мультиплицированный способ индукционного зондирования обеспечивает высокую эффективность поиска и идентификации различных подповерхностных объектов. Создание в контуре излучающей рамочной антенны РА резонансного режима возбуждения, а также использование двух независимых измерительных каналов и перевод приемной ферритовой магнитной антенны МА в режим магнитного усилителя, сигнал управления для которого получают посредством РА, обеспечивает повышенную чувствительность и точность зондирования, а также снижение в несколько раз порога чувствительности МА, выполняющей функции измерительного преобразователя.
a
Предложенный вариант ИУ, реализующий данный способ, обеспечивает высокую эффективность и простоту компенсации первичного поля, существенное снижение межвитковых утечек в катушках MA, уменьшение воздействия внешних электромагнитных помех, а также минимизацию влияния на выходные характеристики ИУ изменения параметров приемных катушек и ферромагнитного сердечника. Таким образом, разработанная ИУ обладает целым рядом преимуществ по сравнению с аналогами, что позволяет рекомендовать ее к использованию для оперативного обнаружения и точного определения месторасположения различного рода ПО при строительстве и земляных работах, при проведении аварийно-спасательных и ремонтных работ и т.п.
Предложенный вариант ИУ, наряду с поиском протяженных подземных инженерных сооружений (кабельных линий, трубопроводов и т.п.), отдельных подземных металлических объектов и геоэлектрических неоднородностей, легко адаптируется к следующим условиям работы:
- в качестве металлодетектора в службах охраны, безопасности, на предприятиях пищевой промышленности и т.д. для поиска нежелательных металлических предметов;
- в военном деле для поиска мин, снарядов;
- в качестве средства диагностики для мониторинга состояния железнодорожных путей, ответственных узлов грузоподъемных машин и механизмов, объектов котлонадзора;
- в качестве поискового средства при проведении работ строительными, техническими и аварийно-спасательными службами;
- при сортировке мусора на мусороперераба-тывающих предприятиях;
- в археологии и кладоискательстве.
Список литературы
1. Charles Garrett. Modern Metal Detectors. New-York, 1998, 432 р.
2. Щербаков Г.Н. Обнаружение скрытых объектов. M.: Aрбат-Информ, 2004. 138 с.
3. Лдаменко M^. Mеталлоискатели. M.: ДMK-пресс, 200б. 97 с.
4. Tang Z., Carter L.J. Metal detector head analysis. Fifth International Conference on Sensing Technology. 2011. Pp. 93-96. DOI: 10.1109/ICSensT.2011.6137076
5. Yamazaki S., Nakane H., Tanaka A. Basic analysis of a metal detector. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2002. Vol. 51. Iss. 4. Pp. 810-814. DOI: 10.1109/TIM.2002.803397
6. Cheng Y., Wang S., Zhang M. Research of miniature magnetic coil sensor used for detecting power cables underground. International Conference on Electrical and Control Engineering. 2011. Pp. 6065-6068. DOI: 10.1109/ICECENG.2011.6057847
7. Куликов А.Л. Имитационное моделирование зондирования линий электропередач линейно-частотно-модулированными сигналами // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2007. № 5-6. С. 52-62.
8. Олейникова Л.А. Совершенствование технологии поиска подземных коммуникаций // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2008. № 4. С. 105-107.
9. Blay K.R., Weiss F., Clark D.A., de Groot G.J.J.B., Bick M., Sen D. Signal processing techniques for improved performance of a SQUID-based metal-detector. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2009. Vol. 19. No. 3. Part 1. Pp. 812-815. DOI: 0.1109/TASC.2009.2017857
10. Lai W. Underground Utilities Imaging and Diagnosis. In book: Urban Informatics. 2021. Pp. 415-438. D0I:10.1007/978-981-15-8983-6_24
11. Брякин И.В., Бочкарев И.В. Методы подповерхностного зондирования и разработка устройства для локализации скрытых объектов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2020. №5. С. 33-46.
12. Брякин И.В., Бочкарев И.В. Индукционная установка для дистанционного обнаружения подземных кабельных линий // Энергетика: Управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: материалы IX Международной научно-технической конференции. Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2019. С. 310-315.
13. Брякин И.В., Бочкарев И.В. Гибридный метод индукционного зондирования для обнаружения подземных кабельных линий и трубопроводов // Электротехнические системы и комплексы. 2019. №2(43). С. 70-78. DOI: 10.18503/2311-8318-2019-2(43)-70-78
14. Bryakin I.V., Bochkarev I.V., Khramshin V.R., Khram-shina E.A. Developing a combined method for detection of buried metal objects // Machines. 2021. Vol. 9. Iss. 5. 92. DOI: 10.3390/machines9050092
15. Чернецов М.В. Инвариантное преобразование в измерительных системах с параметрическими датчиками // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2018. № 1 (23). С. 11-17.
16. Свистунов Б.Л. Измерительные преобразователи для параметрических датчиков с использованием аналитической избыточности // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2017. № 2 (20). С. 94-100.
17. Нестеров В.Н., Ли А.Р. Теория и практика построения инвариантных измерительных преобразователей и систем на основе принципа двухканальности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18. № 4(7). С. 1414-1422.
18. Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления. М.: Форум-Инфра-М, 2002. 384 с.
References
1. Charles Garrett. Modern metal detectors. New York, 1998, 432 p.
2. Shcherbakov G.N. Obnaruzhenie skrytykh obektov [Detection of hidden objects]. Moscow: Arbat-Inform, 2004, 138 p. (In Russ.)
3. Adamenko M.V. Metalloiskateli [Metal detectors]. Moscow: DMK-press, 2006, 97 p. (In Russ.)
4. Tang Z., Carter L.J. Metal detector head analysis. Fifth International Conference on Sensing Technology. 2011, pp. 93-96. DOI: 10.1109/ICSensT.2011.6137076
5. Yamazaki S., Nakane H., Tanaka A. Basic analysis of a metal detector. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2002, vol. 51, iss. 4, pp. 810-814. DOI: 10.1109/TIM.2002.803397
6. Cheng Y., Wang S., Zhang M. Research of miniature magnetic coil sensor used for detecting power cables underground. International Conference on Electrical and Control Engineering. 2011, pp. 6065-6068. DOI: 10.1109/ICECENG.2011.6057847
7. Kulikov A.L. Simulation modeling of sounding of power lines with linear frequency-modulated signals. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Problemy energetiki [Proceedings of Higher Educational Institutions. Energy Sector Problems], 2007, no. 5-6, pp. 52-62. (In Russ.)
8. Oleinikova L.A. Improving the technology of searching for underground communications. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Severo-Kavkazskii region. Estestvennye nauki [News of Higher Educational Institutions. North Caucasian Region. Natural Sciences], 2008, no. 4, pp. 105-107. (In Russ.)
9. Blay K.R., Weiss F., Clark D.A., de Groot G.J.J.B., Bick M., Sen D. Signal processing techniques for improved performance of a SQUID-based metal-detector. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2009, vol. 19, no. 3, Part 1, pp. 812-815. DOI: 0.1109/TASC. 2009.2017857
10. Lai W. Underground utilities imaging and diagnosis. In book: Urban Informatics. 2021, pp. 415-438. DOI: 10.1007/978-981-15-8983-6_24
11. Bryakin I.V., Bochkarev I.V. Methods of subsurface sounding and development of a device for localizing
hidden objects. Elektrooborudovanie: ekspluatatsiya i remont [Electrical equipment: operation and repair], 2020, no. 5, pp. 33-46. (In Russ.)
12. Bryakin I.V., Bochkarev I.V. Induction installation for a remote detection of underground cable lines. Energetika: Upravlenie, kachestvo i effektivnost ispolzovaniya ener-goresursov: Materialy IX Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii [Proceedings of the 9th International Scientific and Technical Conference "Power Industry: Management, Quality and Utilization Efficiency of Power Resources"]. Blagoveshchensk: Amur State University, 2019, pp. 310-315. (In Russ.)
13. Bryakin I.V., Bochkarev I.V. Hybrid induction sensing method for detection of underground cable lines and pipelines. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrotechnical Systems and Complexes]. 2019, no. 2(43), pp. 70-78. DOI: 10.18503/2311-8318-2019-2(43)-70-78
14. Bryakin I.V., Bochkarev I.V., Khramshin V.R., Khram-shina E.A. Developing a combined method for detection of buried metal objects. Machines. 2021, vol. 9, no. 5. 92. DOI: 10.3390/machines9050092.
15. Chernetsov M.V. Invariant transformation in measuring systems with parametric sensors. Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol [Measurement. Monitoring. Management. Control], 2018, no. 1 (23), pp. 11-17. (In Russ.)
16. Svistunov B.L. Measuring transducers for parametric sensors using analytical redundancy. Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol [Measurement. Monitoring. Management. Control], 2017, no. 2 (20), pp. 94-100. (In Russ.)
17. Nesterov V.N., Li A.R. Theory and practice of constructing invariant measuring transducers and systems based on the two-channel principle. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2016, vol. 18, no. 4 (7), pp. 1414-1422. (In Russ.)
18. Kelim Yu.M. Tipovye elementy sistem avtomaticheskogo upravleniya [Typical elements of automatic control systems]. Moscow: Forum-Infra-M, 2002, 384 p. (In Russ.)
Поступила 05.10.2021; принята к публикации 28.11.2021; опубликована 24.12.2021 Submitted 05/10/2021; revised 28/11/2021; published 24/12/2021
Брякин Иван Васильевич - доктор технических наук, профессор,
Институт машиноведения и автоматики Национальной академии наук Кыргызской Республики, Бишкек, Кыргызская Республика.
Email: bivas2006@yandex.ru. ORCID 0000-0001-7463-8072 Бочкарев Игорь Викторович - доктор технических наук, профессор,
Кыргызский государственный технический университет им. И. Раззакова, Бишкек, Кыргызская Республика.
Email: elmech@mail.ru. ORCID 0000-0002-9873-9203
Храмшин Вадим Рифхатович - доктор технических наук, профессор,
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия, Email: hvrmgn@gmail.com. ORCID 0000-0003-0972-2803
Ivan V. Bryakin - DrSc (Eng.), Professor,
Institute of Mechanical Science and Automation of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, Bishkek, Kyrgyz Republic.
Email: bivas2006@yandex.ru. ORCID 0000-0001-7463-8072 Igor V. Bochkarev - DrSc (Eng.), Professor,
Razzakov Kyrgyz State Technical University, Bishkek, Kyrgyz Republic. Email: elmech@mail.ru. ORCID 0000-0002-9873-9203
Vadim R. Khramshin - DrSc (Eng.), Professor,
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Email: hvrmgn@gmail.com. ORCID 0000-0003-0972-2803
