Способ определения угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории

Способ определения угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Техническое решение относится к радиоэлектронике, а именно к ближней радиолокации, и используется в строительной технике для определения угла отклонения пневмопробойников от заданной траектории при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций.

Известен способ определения угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории, реализованный в устройстве того же назначения (В.П.Сырский, Е.А.Нестеров, А.Д.Пахомов. Устройство для определения глубины и пространственной ориентации управляемого пневмопробойника в грунте // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2001. - №3, с.96-99), в котором с помощью передатчика с рабочей частотой 41 кГц и трех передающих антенн, расположенных в пневмопробойнике, создают вращающееся магнитное поле, плоскость вращения которого перпендикулярна направлению движения пневмопробойника. С помощью приемника и двух приемных антенн, которые располагают вертикально над поверхностью земли, определяют пеленг и дальность до пневмопробойника, также используют одну приемную антенну для определения плоскости вращения электромагнитного поля. Индикаторным устройством определяют угол отклонения пневмопробойника от заданной траектории и уровень сигнала.

Недостатками данного способа являются: размещение передающего устройства в пневмопробойнике может привести к его поломке, а использование низкочастотного диапазона волн не обеспечивает достаточную помехоустойчивость по отношению к внешним электромагнитным помехам. С помощью макетного образца можно определить отклонение пневмопробойника от заданной траектории на угол ±5° при дальности 10 м, но в статье отсутствуют данные о практических измерениях угла отклонения в реальных условиях.

Наиболее близким решением по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ определения угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории по патенту США №6717410, Е21В 47/022 (20060101); Е21В 47/02 (20060101); G01V 3/15 (20060101), опубл. 06.04.2004 г. В данном способе с помощью передатчика с рабочей частотой десятки кГц и передающей антенны, которые располагают на пневмопробойнике, создают электромагнитное поле, ориентированное вдоль направления движения пневмопробойника. С помощью приемника, содержащего ортогональные друг другу первую и вторую приемные антенны, по интенсивности магнитной компоненты электромагнитного поля с поверхности земли определяют дальность до пневмопробойника. Угол отклонения пневмопробойника относительно приемных антенн определяют по сдвигу фаз в двух ортогональных приемных антеннах.

Недостатки этого способа заключаются в недостаточной дальности обнаружения пневмопробойника из-за работы по магнитной компоненте электромагнитного поля, т.к. магнитная компонента связана с электрической компонентой электромагнитного поля соотношением: , где Z - сопротивление среды. Использование низкочастотного передатчика (десятки кГц) не позволяет обеспечить достаточную помехоустойчивость и точность при определении угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории. Расположение передатчика и передающей антенны на пневмопробойнике может привести к его поломке.

Техническая задача заключается в повышении эффективности способа определения угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории за счет повышения точности, дальности и помехоустойчивости по отношению к внешним естественным и искусственным помехам.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории, согласно которому с помощью передатчика и передающей антенны создают электромагнитное поле, ориентированное вдоль направления движения пневмопробойника, при этом на выходе приемных антенн выделяют сигналы, пропорциональные интенсивности компоненты электромагнитного поля, которые разделяют с помощью развязывающего устройства и попеременно подают на вход приемника, где их детектируют и усиливают, и по разности этих сигналов на индикаторе судят об угле отклонения пневмопробойника от заданной траектории, согласно техническому решению в качестве передающей антенны используют несимметричный вибратор, в котором длинным плечом является пневмопробойник, а коротким - диск из проводящего материала, подсоединенный через диск из диэлектрика к пневмопробойнику. При этом формируют диаграмму направленности электромагнитного поля в виде воронки в ультракоротковолновом диапазоне частот по электрической компоненте, а об угле отклонения пневмопробойника от заданной траектории судят по разности амплитуд сигналов на выходе устройства сравнения, подключенного входом к выходу приемника, а выходом - к индикатору.

Использование в качестве передающей антенны несимметричного вибратора, в котором длинным плечом служит пневмопробойник, а коротким - диск из проводящего материала, подсоединенный через диск из диэлектрика к пневмопробойнику, позволяет сформировать диаграмму направленности электромагнитного поля в виде воронки в ультракоротковолновом диапазоне частот по электрической компоненте, что повышает точность, дальность и помехоустойчивость при определении угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории и, следовательно, повышает эффективность способа. Работа на разность амплитуд сигналов, выделяемую на выходе устройства сравнения, позволяет упростить реализацию способа и получать информацию об угле отклонения пневмопробойника напрямую по напряженности электромагнитного поля.

Целесообразно приемные антенны располагать в приемном приямке, что повышает точность и помехоустойчивость при осуществлении способа.

Сущность технического решения поясняется примером реализации способа и чертежами: фиг.1, на которой изображена структурная схема реализации способа определения угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории (далее - способ), разрез в горизонтальной плоскости, а также фиг.2, на которой изображена экспериментальная диаграмма направленности несимметричного вибратора (для пневмопробойника марки ИП4603) по электрической компоненте электромагнитного поля (разрез в горизонтальной плоскости), где Е - значение напряженности электромагнитного поля в заданной точке пространства; Е_мах - максимальное значение напряженности электромагнитного поля; φ - угол скольжения.

Структурная схема реализации способа содержит (фиг.1): передатчик 1, передающую антенну в виде несимметричного вибратора, состоящего из пневмопробойника 2, диска 3 из диэлектрика, диска 4 из проводящего материала, первую приемную антенну 5 (далее - приемная антенна 5), вторую приемную антенну 6 (далее - приемная антенна 6), развязывающее устройство 7, приемник 8, устройство 9 сравнения, индикатор 10. При этом выход передатчика 1 соединен с диском 4 из проводящего материала и с пневмопробойником 2. В передающей антенне пневмопробойник 2 соединен с диском 3 из диэлектрика, который соединен с диском 4 из проводящего материала. Выходы приемной антенны 5 и приемной антенны 6 соединены со входами развязывающего устройства 7, выход которого соединен со входом приемника 8, соединенного со входом устройства 9 сравнения, а выход устройства 9 сравнения соединен с индикатором 10.

Способ реализуют следующим образом. Пневмопробойник 2 используют в качестве длинного плеча несимметричного вибратора (l₁≈λ, l₁ - длина пневмопробойника, а λ - длина волны) для формирования в ультракоротковолновом диапазоне частот диаграммы направленности в виде воронки по электрической компоненте электромагнитного поля, обеспечивающей достаточную интенсивность сигнала на входе приемника 8. Для этого через диск 3 из диэлектрика к пневмопробойнику 2 присоединяют короткое плечо передающей антенны - диск 4 из проводящего материала (длиной l₂≤λ/10). Передатчик 1 с заданной мощностью и рабочей частотой посредством радиочастотного кабеля подсоединяют к пневмопробойнику 2 и к диску 4 из проводящего материала. Диаметры дисков 3 и 4 из проводящего материала и диэлектрика соответственно не превышают диаметр пневмопробойника 2. В указанных дисках 3 и 4 по центру сделаны отверстия для подключения воздухоподводящего шланга к пневмопробойнику 2.

Пневмопробойник 2 движется по заданной траектории. Приемные антенны 5 и 6 располагают в приемном приямке. Приемные антенны 5 и 6 изначально работают по уровню диаграммы направленности, определяемому расстоянием между ними и свойствами среды, например по уровню диаграммы направленности в точках 1-1 (фиг.2). При этом на выходе приемных антенн 5 и 6 выделяют одинаковые по амплитуде напряжения сигналы. С помощью развязывающего устройства 7 путем попеременного подключения приемных антенн 5 и 6 эти сигналы разделяют и подают на вход приемника 8, где их детектируют, усиливают и подают на вход устройства 9 сравнения. На выходе устройства 9 сравнения получают разность амплитуд выходных напряжений приемника 8, которая при движении пневмопробойника 2 по заданной траектории теоретически равна нулю.

При сближении пневмопробойника 2 с приемными антеннами 5 и 6 происходит увеличение вектора напряженности электромагнитного поля, и работа осуществляется по точкам 2-2, затем по точкам 3-3 диаграммы направленности и т.д. При движении пневмопробойника 2 по заданной траектории меняется уровень диаграммы направленности, но разность амплитуд выходных напряжений приемника 8 остается теоретически равной нулю.

При отклонении пневмопробойника 2 от заданной траектории на вход приемных антенн 5 и 6 поступают разные значения мощностей, которые эквивалентны амплитудам входных напряжений U_m1 и U_m2 приемника 8.

Мощность Р_пр, создаваемую в приемной антенне 5 или 6, можно определить, зная плотность потока мощности в точке приема и параметры приемных 5 и 6 и передающей антенн:

где - плотность потока мощности;

Р_апер - мощность передатчика 1;

D_пер - коэффициент направленного действия передающей антенны (в данном случае несимметричного вибратора);

R - расстояние между приемной антенной 5 или приемной антенной 6 и пневмопробойником 2;

Г - удельное затухание в среде;

А_эфф - действующая площадь приемной антенны 5 или 6 с учетом ее коэффициента направленного действия.

Мощности сигналов Р₁ и Р₂, поступающих с выхода приемных антенн 5 и 6 через развязывающее устройство 7 на вход приемника 8, можно пересчитать в амплитуды U_m1 и U_m2 напряжений на входе приемника 8:

P₁-P₂≠0,

ΔU_вх=U_m1-U_m2,

где R_вхАНТ - входное сопротивление передающей антенны несимметричного вибратора;

ΔU_вх - разность амплитуд входных напряжений приемника 8.

На выходе устройства 9 сравнения формируют разностный сигнал:

ΔU_вых=K_ус·(U_m1-U_m2),

где К_ус - коэффициент усиления приемника 8 с учетом детектирования сигнала.

По уровню ΔU_вых на индикаторе 10 судят об угле отклонения пневмопробойника 2. Точность способа определяют превышением амплитуд U_m1 и U_m2 напряжений над уровнем шумов.

К приемнику 8 предъявляют следующие требования:

- относительная чувствительность по мощности не менее 120 дБ (или по напряжению единицы мкВ);

- линейная зависимость U_вых=f(U_вх), которую при необходимости обеспечивают ступенчатой регулировкой чувствительности приемника 8;

- рабочая частота больше или равна 100 МГц;

- возможность использования направленных приемных антенн 5 и 6 простейшего типа;

- работа по электрической компоненте электромагнитного поля.

Для отслеживания отклонения пневмопробойника 2 от заданной траектории в вертикальной плоскости возможно использование второго приемника и третьей приемной антенны (на фиг.1 не показаны).

Приемные антенны 5 и 6 можно располагать не только в приемном приямке, но и на поверхности земли, при этом экспериментально доказано, что точность при определении угла отклонения пневмопробойника 2 от заданной траектории уменьшается более чем в три раза.

С помощью данного способа можно определить отклонение пневмопробойника 2 от заданной траектории на угол 5÷10° в супеси на расстояниях до 20 м, а в суглинке на расстояниях до 10 м.

1. Способ определения угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории, согласно которому с помощью передатчика и передающей антенны создают электромагнитное поле, ориентированное вдоль направления движения пневмопробойника, при этом на выходе приемных антенн выделяют сигналы, пропорциональные интенсивности компоненты электромагнитного поля, которые разделяют с помощью развязывающего устройства и попеременно подают на вход приемника, где их детектируют и усиливают, и по разности этих сигналов на индикаторе судят об угле отклонения пневмопробойника от заданной траектории, отличающийся тем, что в качестве передающей антенны используют несимметричный вибратор, в котором длинным плечом является пневмопробойник, а коротким - диск из проводящего материала, подсоединенный через диск из диэлектрика к пневмопробойнику, при этом формируют диаграмму направленности электромагнитного поля в виде воронки в ультракоротковолновом диапазоне частот по электрической компоненте, а об угле отклонения пневмопробойника от заданной траектории судят по разности амплитуд сигналов на выходе устройства сравнения, подключенного входом к выходу приемника, а выходом - к индикатору.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приемные антенны располагают в приемном приямке.