Способ поиска трассы и определения места повреждения электрического кабеля с защитой от помех, создаваемых гармониками токов промышленной частоты, и устройство для его осуществления

 

Использование: относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для поиска трассы и определения мест повреждений в электрических кабелях. Сущность изобретения: согласно способу осуществляют подачу сигнала в электрический кабель, измеряют напряженность магнитного поля, наведенного током, модулируют и преобразовывают сигнал, определяют место повреждения по изменению параметров сигнала, частоту генерируемого сигнала выбирают между частотами соседних гармоник тока промышленной частоты, а помехи, создаваемые гармониками, отфильтровывают с помощью узкополосного фильтра, выполненного на искусственных индуктивностях генераторах. Устройство, реализующее способ,содержит генератор и измеритель-индикатор, включающий в себя магнитную антенну, входной аттенюатор, преселектор, смеситель, гетеродин, усилитель, узкополосный активный фильтр,стрелочный индикатор, акустический индикатор, широкополосный фильтр. 2 с.и 2 з. п. ф лы, 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для поиска трассы и определения мест повреждений в электрических кабелях.

Целью изобретения является защита сигнала от помех, создаваемых токами промышленной частоты (другие, в том числе электрические кабели, высоковольтные линии электропередач и т.д.), катодной защитой трубопроводов.

Для достижения цели генерируют ток определенной частоты, подают сигнал в электрический кабель, измеряют напряженность магнитного поля, наведенного током, модулируют сигнал, преобразуют его с целью последующей индикации, при этом частоту генерируемого сигнала выбирают между частотами соседних гармоник тока промышленной частоты, а помехи, создаваемые гармониками, отфильтровывают с помощью узкополосного активного фильтра, выполненного на искусственных индуктивностях гираторах.

В условиях города спектр электромагнитных помех представлен рядом гармонических составляющих (гармоник) тока промышленной частоты 50 Гц, гармоник токов катодной защиты трубопроводов (100 Гц) и электротранспорта (300 Гц).

Уровень помех значительно уменьшается в диапазоне частот 8-12 кГц, на этих частотах резко снижается уровень полезного сигнала экранирующим воздействием железобетонного покрытия. На частотах 0,5-1 кГц видимого экранирующего воздействия покрытий на уровень полезного сигнала на наблюдается.

Поэтому для поиска трассы используют два частотных диапазона порядка 1 и 10 кГц, а для определения места повреждения три: 0,5, 1 и 10 кГц.

Чтобы снизить помехи, создаваемые гармониками токов промышленной частоты и катодной защиты, рабочую частоту выбирают между двумя соседними гармониками.

Например, выбрали частоту между 19-й и 20-й гармониками тока промышленной частоты 50 Гц: 50 х 19 950; 50 х 20 1000 Гц f= (950 + 1000):2 975 Гц.

Выделение этого сигнала и отстройку от соседних гармоник осуществляли с помощью узкополосного активного фильтра, выполненного на гираторах. В результате удалось получить добротность колебательных контуров индуктивностей узкополосного фильтра 1000; полоса пропускания 10 Гц при неравномерности 1-2 дБ; избирательность фильтра на частотах 950 и 1000 Гц не менее 60 дБ.

Устройство для поиска трассы и определения места повреждения электрического кабеля с защитой от помех, создаваемых гармониками токов промышленной частоты, содержит генератор и измеритель индикатор, в который, кроме усилителя и акустического индикатора, введены антенна магнитная, входной аттенюатор, преселектор, смеситель, гетеродин, узкополосный активный фильтр с использованием в нем гираторов в качестве искусственных индуктивностей, стрелочный индикатор, при этом выход антенны соединен с входом аттенюатора, его выход соединен с входом преселектора, выход которого соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, выход смесителя соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом узкополосного активного фильтра, выход которого соединен со стрелочным и акустическим индикаторами.

В качестве антенны использована катушка индуктивности.

Входной аттенюатор состоит из ступенчатого (на 20 дБ) и плавного (30 дБ) делителей.

Преселектор представляет собой усилитель, настраиваемый на рабочую частоту, т.е. избирательный усилитель.

Смеситель выполнен по балансовой схеме, исключающей появление на его выходе несущей частоты, что облегчает построение дальнейших каскадов. Гетеродин выполнен по схеме генератора с мостом Винна. Усилитель обычный.

Узкополосный активный фильтр 10-го порядка выполнен по каскадной схеме, индуктивности колебательных контуров которого выполнены на гираторах с высокой добротностью. Полоса пропускания при неравномерности 2 дБ равна 10 Гц, затухание соседних гармонических составляющих частот тока промышленной частоты не менее 60 дБ.

Стрелочный индикатор микроамперметр магнитоэлектрической системы. Акустический индикатор головные телефоны. Широкополосный фильтр низкодобротное звено фильтра второго порядка.

Отличительной особенностью измерителя индикатора является то, что в нем использован узкополосный активный фильтр для выделения частоты 976 Гц и отстройки от помех, создаваемых соседними гармониками. Для получения узкой полосы фильтра при высокой избирательности требуется высокая добротность контура, которая реализуется с помощью искусственных индуктивностей гираторов.

Генератор, входящий в данное устройство, содержит задающий кварцевый генератор, делитель частоты, коммутатор, блок фильтров, усилитель мощности, узел согласования, блок питания, индикатор выхода, при этом задающий кварцевый генератор подключен к блоку питания, выход задающего генератора соединен с первым входом делителя частоты, второй вход которого подключен к блоку питания, первый, второй и третий выходы делителя частоты соединены с тремя входами коммутатора, четвертый вход которого подключен к блоку питания, выход коммутатора соединен с входом блока фильтров, выход которого соединен с первым входом усилителя мощности, второй вход которого подключен к блоку питания, выход усилителя мощности соединен с узлом согласования, первый выход которого соединен с индикатором выхода, а второй выход служит для подключения к кабелю.

Задающий генератор реализован на микросхеме К 176 ИЕ 5 по типовой схеме включения. Стабилизация частоты здесь достигается путем применения в схеме кварцевого резонатора на 500 кГц.

Делитель частоты необходим для получения двух рабочих частот (976 и 10416 Гц) и одной модулирующей (1,5 Гц). Они получены в результате деления частоты задающего генератора 500 кГц соответственно на 512, 48, 327680. Делитель выполнен на счетчиках ИЕ1, ИЕ4, ИЕ5 серии микросхем К176.

Коммутатор представляет собой две ячейки совпадения, на каждую из которых подается сигнал рабочей частоты, соответственно 10416, 976 Гц и управляющий сигнал модулирующей частоты 1,5 Гц на обе ячейки. Через коммутатор сигнал проходит на фильтр с той ячейки, на которой в данный момент находится логическая "1" модулирующего сигнала.

Блок фильтров формирует синусоидальный сигнал из меандра, поступающего с делителя частоты, он состоит из двух последовательных колебательных контуров с резонансными частотами 976 и 10416 Гц.

В основу усилителя мощности положена известная схема, позволяющая уменьшить площадь радиаторов охлаждения транзисторов выходного каскада благодаря наличию тепловой связи между каскадами.

Узел согласования выполнен как согласующий трансформатор с двумя отводами вторичной обмотки для подключения короткой и длинной линий.

Блок питания формирует двухполярное напряжение ± 9 В, он выполнен как двухполупериодный нестабилизированный источник питания мощностью 12 Вт.

Индикатор выхода светодиод, включенный в цепь узла согласования. Особенностью генератора при поиске трассы является генерация двух частот одновременно.

Приемник настроен на одну из этих частот, в результате получаем манипулированный сигнал нужной частоты. Это позволяет, не вмешиваясь в работу генератора, искать трассу в двух частотных диапазонах, выбор которых определяется условиями залегания кабеля в городе (наличие рядом трубопроводов, других электрокабелей городского транспорта, высоковольтных линий и т.п.).

Другой вариант генератора (малой мощности 8 Вт) может работать от автомобильного аккумулятора. Он содержит кварцевый генератор, делитель частоты, блок фильтров, усилитель мощности, узел согласования, индикатор согласования и перегрузки, блок питания, при этом задающий кваpцевый генератор подключен к блоку питания, выход задающего кварцевого генератора соединен с первым входом делителя частоты, второй вход которого подключен к блоку питания, выход делителя частоты соединен с блоком фильтров, выход которого подключен к первому входу усилителя мощности, второй вход которого подключен к блоку питания, выход усилителя соединен с узлом согласования, вход и выход которого соединены с индикатором согласования и перегрузки, выход узла согласования служит для подключения к кабелю. Узел согласования содержит последовательно соединенные усилитель мощности, индикатор токов в первичной цепи, трансформатор, вольтметр.

Блок фильтров аналогичен используемому в генераторе большей мощности, но с резонансными частотами 475 Гц и 976 Гц.

Усилитель мощности звуковой частоты использован известный, с "плавающим" источником питания транзисторов оконечного каскада, позволяющего включить их по схеме с общим эмиттером.

В качестве индикатора согласования и перегрузки разработана схема, выделяющая 3-ю гармонику из основного сигнала, возникающую при перегрузке усилителя мощности. Схема состоит из параллельного колебательного контура, настроенного на частоту 3-й гармоники, усилителя и светодиода.

Блок питания собран по двухполупериодной мостовой схеме без стабилизации. Он вырабатывает три напряжения: для питания задающего генератора и делителя частоты ±9 В; для питания усилителя ±12 В; для питания оконечного каскада ±42 В.

Предложенным комплексом приборов решается задача определения и трассы и мест повреждения электрического кабеля, а также повышение помехоустойчивости и снижение при этом мощности генераторов.

Исходя из изложенного, можно заключить, что решение вопроса защиты полезного сигнала путем отстройки от помех, создаваемых гармониками токов промышленной частоты и катодной защитой трубопроводов, соответствует изобретательскому уровню.

На фиг. 1 представлена блок-схема генератора большей мощности; на фиг.2 блок-схема генератора меньшей мощности; на фиг.3 блок-схема измерителя-индикатора.

Генератор большей мощности (100 Вт) содержит задающий генератор 1, делитель 2 частоты, коммутатор 3, блок 4 фильтров, усилитель 5 мощности, узел 6 согласования, блок 7 питания, индикатор 8 выхода, при этом задающий генератор 1 подключен к блоку 7 питания, выход задающего генератора 1 соединен с первым входом делителя 2 частоты, второй вход которого подключен к блоку 7 питания. Первый, второй и третий выходы делителя 2 частоты соединены с тремя входами коммутатора 3, четвертый вход которого подключен к блоку 7 питания. Выход коммутатора 3 соединен с входом блока 4 фильтров, выход которого соединен с первым входом усилителя 5 мощности, второй вход которого подключен к блоку 7 питания. Выход усилителя 5 соединен с узлом 6 согласования, первый выход которого соединен с индикатором 8 выхода, а второй выход служит для подключения к кабелю.

Генератор меньшей мощности содержит задающий кварцевый генератор 9, делитель 10 частоты, блок 11 фильтров, усилитель 12 мощности, узел 13 согласования, индикатор 14 согласования и перегрузки, блок 15 питания, при этом задающий генератор 9 соединен с блоком 15 питания, выход задающего генератора 9 соединен с первым входом делителя 10 частоты, второй вход которого подключен к блоку 15 питания. Выход делителя 10 частоты соединен с блоком 11 фильтров, выход которого подключен к первому входу усилителя 12 мощности, второй вход которого подключен к блоку 15 питания, выход усилителя 12 соединен с узлом 13 согласования, вход и выход которого соединены с индикатором 14 согласования и перегрузки, выход узла 13 согласования служит для подключения к кабелю.

Измеритель-индикатор содержит магнитную антенну 16, входной аттенюатор 17, преселектор 18, смеситель 19, гетеродин 20, усилитель 21, узкополосный активный фильтр 22, стрелочный индикатор 23, акустический индикатор 24, широкополосный фильтр 25, при этом выход магнитной антенны 16 соединен с входом аттенюатора 17, его выход соединен с входом преселектора 18, выход которого соединен с первым входом смесителя 19, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 20. Выход смесителя 19 соединен с входом усилителя 21, выход которого соединен с входом узкополосного активного фильтра 22, первый выход которого соединен со стрелочным индикатором 23, а второй с акустическим индикатором 24. При использовании сигнала частотой 10416 Гц вместо узкополосного активного фильтра 22 использован широкополосный фильтр 25.

Работает устройство следующим образом: Поиск трассы: в комплекте генератор большей мощности (100 Вт) и измеритель-индикатор. Подключение "жила-оболочка".

Частота задающего генератора 1 поступает на делитель 2, на выходе которого получаются две рабочие частоты 976 Гц и 10416 Гц и модулирующая частота 1,5 Гц. Форма сигналов меандр. Сигналы меандр 976, 10416 и 1,5 Гц поступают на коммутатор 3, с выхода которого сигналы 976 и 10416 Гц, промодулированные частотой 1,5 Гц, поступают поочередно на блок 4 фильтров, а с него на усилитель 5 (Р_вых 8 Вт). Усиленный сигнал через узел 6 согласования поступает в кабель. Индикатор 8 указывает наличие и уровень сигнала на выходе. Блок 7 питания обеспечивает работу задающего генератора 1, делителя 2, коммутатора 3, усилителя 5.

Токи частот 976 и 10416 Гц, проходящие по кабелю (жила оболочка) создают вокруг него электромагнитное поле, которое улавливается антенной 16 и поступает на входной аттенюатор 17, при помощи которого устанавливается уровень принимаемого сигнала. Сигналы рабочих частот 976 и 10416 Гц поступают на преселектор 18. Выбранная оператором рабочая частота с преселектора 18 поступает на смеситель 19, смешивается с сигналом гетеродина 20. Полученная в результате преобразования нижняя боковая частота (825 Гц) поступает на узкополосный (976 Гц) фильтр 23 или на широкополосный (10416 Гц) фильтр 25. С фильтров сигнал поступает на стрелочный 23 и акустический 24 индикаторы.

При рабочей частоте 10416 Гц уровень гармонических составляющих тока промышленной частоты намного ниже уровня помех в 976 Гц, что исключает необходимость хорошей фильтрации. Поэтому применяется простая фильтрующая система 2-го порядка.

Определение места повреждения электрического кабеля: в комплекте генератор малой мощности (8 Вт) и измеритель-индикатор. Подключение "жила-жила".

Частота задающего генератора 9 поступает на делитель 10 частоты, на выходе которого формируются четыре частоты типа меандр: 475, 976, 10416 Гц и модулирующая 1,5 Гц. Сигналы с частотами 475, 976 и 10416 Гц поступают на блок 11 фильтров, с выхода которого одна из частот с синусоидальной формой сигнала (в зависимости от выбранного диапазона) поступает на усилитель 12 мощности (Р_вых 100 Вт). Сигнал далее через узел 13 согласования поступает в кабель ("жила-жила"). Индикатор 14 согласования и перегрузки служит для согласования сопротивления кабеля с выходным сопротивлением усилителя 12. Блок 15 питания обеспечивает работу задающего генератора 9, делителя 10, усилителя 12.

Ток одной из выбранных частот создает электромагнитное поле вокруг кабеля, которое улавливается антенной 16 и поступает на входной аттенюатор 17. Далее сигнал проходит аналогично ранее описанному в случае поиска трассы.

Формула изобретения

1. Способ поиска трассы и определения места повреждения электрического кабеля с защитой от помех, создаваемых гармониками токов промышленной частоты, включающий генерацию тока определенной частоты, подачу сигнала в электрический кабель, измерение напряженности магнитного поля, наведенного током, модулирование сигнала, преобразование сигнала, определение места повреждения по изменению параметров сигнала, отличающийся тем, что частоту генерируемого сигнала выбирают между частотами соседних гармоник тока промышленной частоты, а помехи, создаваемые гармониками, отфильтровывают с помощью узкополосного активного фильтра, выполненного на искусственных индуктивностях гираторах.

2. Устройство для поиска трассы и определения места повреждения электрического кабеля с защитой от помех, создаваемых гармониками токов промышленной частоты, содержащее генератор и измеритель-индикатор, включающий в себя усилитель, акустический индикатор, отличающееся тем, что в измеритель-индикатор введены магнитная антенна, входной аттенюатор, преселектор, смеситель, гетеродин, узкополосный активный фильтр с использованием в нем гираторов в качестве искусственных индуктивностей, стрелочный индикатор, при этом выход магнитной антенны соединен с входом аттенюатора, его выход соединен с входом преселектора, выход которого соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, выход смесителя соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом узкополосного активного фильтра, выход которого соединен с стрелочным и акустическим индикаторами.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что генератор содержит задающий кварцевый генератор, делитель частоты, коммутатор, блок фильтров, усилитель мощности, узел согласования, блок питания, индикатор выхода, при этом задающий кварцевый генератор подключен к блоку питания, выход задающего генератора соединен с первым входом делителя частоты, второй вход которого подключен к блоку питания, первый, второй и третий выходы делителя частоты соединены с тремя входами коммутатора соответственно, четвертый вход которого подключен к блоку питания, выход коммутатора соединен с входом блока фильтров, выход которого соединен с первым входом усилителя мощности, второй вход которого подключен к блоку питания, выход усилителя мощности соединен с узлом согласования, первый выход которого соединен с индикатором выхода, а второй выход служит для подключения к кабелю.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что генератор содержит задающий кварцевый генератор, делитель частоты, блок фильтров, усилитель мощности, узел согласования, индикатор согласования и перегрузки, блок питания, при этом задающий кварцевый генератор подключен к блоку питания, выход задающего кварцевого генератора соединен с первым входом делителя частоты, второй вход которого подключен к блоку питания, выход делителя частоты соединен с блоком фильтров, выход которого подключен к первому входу усилителя мощности, второй вход которого подключен к блоку питания, выход усилителя соединен с узлом согласования, вход и выход которого соединены с индикатором согласования и перегрузки, выход узла согласования служит для подключения к кабелю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3