Трассопоисковый приемник

Изобретение относится к электроизмерительной технике, и может быть использовано для генерирования гармонических сигналов в составе измерительного комплекса для реализации индукционного метода поиска и диагностики подземных коммуникаций. Трассопоисковый приемник состоит из последовательно соединенных антенного блока, преобразователя напряжение-ток, фильтра, масштабирующего преобразователя, аналого-цифрового преобразователя. Дополнительно он содержит связанные с аналого-цифровым преобразователем входами первый и второй сумматоры, каждый из которых последовательно и соответственно соединен с первым и вторым арифметическими логическими устройствами, которые соединены соответственно с первым и вторым умножителями, своими выходами соединенными с третьим сумматором, связанным последовательно с третьим арифметически-логическим устройством, микроконтроллером, жидкокристаллическим индикатором. Выходы микроконтроллера подключены к первому, второму сумматорам и аналого-цифровому преобразователю. Технический результат заключается в повышении точности и чувствительности. 1 ил.

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для обнаружения и приема гармонических сигналов в составе измерительного комплекса для реализации индукционного метода поиска и диагностики подземных коммуникаций.

Для диагностики подземных коммуникаций используются два базовых устройства:

- генератор трассопоисковый для запитки исследуемого объекта переменным током;

- приемник трассопоисковый для исследования характеристик протекания тестового переменного тока. [Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. М.: Энергоиздат. - 1982. - 312 с.].

Наличие магнитного поля, которое создается протекающим по коммуникациям током генератора, положено в основу индукционного метода поиска инженерных коммуникаций. Посредством измерения электромагнитного поля трассопоисковым приемником определяют местоположение коммуникаций, глубину их залегания и место повреждения.

Известен трассопоисковый приемник, содержащий приемную антенну, входной усилитель напряжения, блок фильтров, индикатор [патент РФ №2046378, МПК (6) G01R 31/08].

Недостатком данного устройства является малая избирательность особенно в диапазоне частот до 1 кГц. Устройство применяется только на фиксированных частотах и не может быть использовано при перестройке в широком диапазоне частот.

Известен трассопоисковый приемник, содержащий магнитную антенну, преселектор, усилитель, первый регулируемый усилитель, последовательно соединенные смеситель, фильтр промежуточной частоты и усилитель промежуточной частоты, стрелочный индикатор, акустический индикатор [патент РФ №2190234, МПК (6) G01R 31/08]. Недостатком данного устройства является невысокая помехозащищенность, обусловленная тем, что сигнал не защищен от помех, создаваемых токами промышленной частоты.

Известно устройство, позволяющее определять место повреждения кабеля, содержащее приемную часть, состоящую из датчика-формирователя, избирательного усилителя, высокостабильного опорного генератора, делителя частоты - формирователя, фазовращателя, фазометра, индикатора [патент РФ №2361229, МПК (6) G01R 31/08]. Недостатками данного устройства, является невысокая избирательность и низкая помехоустойчивость, которая не устраняется полностью даже при применении фазоизмерительных узлов (фазовращатель, фазометр).

В качестве наиболее близкого аналога взят трассопоисковый приемник, являющийся приемной частью трассопоискового комплекса (патент РФ №2414719, МПК 01R 31/08 (2006.01)]. Он содержит антенный блок, четыре канала преобразования сигналов, состоящих из последовательно соединенных усилителя, фильтра и масштабирующего преобразователя, а также микропроцессора и соединенного с ним регистрирующего устройства, при этом масштабирующие преобразователи каналов преобразования сигналов вертикальных индукционных преобразователей через амплитудные детекторы и дифференциальный усилитель подключены к измерительному входу микропроцессора, GPS приемник, приемный радиомодемом и два аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), сигнальные входы которых подключены к масштабирующим преобразователям каналов горизонтальных индукционных преобразователей, а сигнальные выходы - к информационным входам микропроцессора, тактируемый выход которого подключен к объединенным тактовым входам АЦП, а тактируемый вход - к выходу GPS приемника, а вход приема данных - к выходу радиомодема.

В этом устройстве для повышения избирательности каналов вертикальных индукционных датчиков использованы синхронные детекторы, применение которых при определенных условиях обеспечивает предельную избирательность приемного тракта, а также предельную линейность преобразования переменного напряжения в постоянное [Генри Петин. Ключевой синхронный детектор. / Схемотехника №3 2003. С 14-15].

Опорный сигнал для обоих синхронных детекторов данного приемника формируется путем преобразования синусоидального сигнала с одного из каналов горизонтального индукционного датчика в прямоугольное напряжение. Не идентичность временных (фазовых) характеристик измерительного и опорного каналов не обеспечивает стабильной синхронизации измерительного и опорного сигналов, что в целом не позволяет получить предельных преимуществ от применения синхронных детекторов.

Детектирование сигналов со случайной начальной фазой обеспечивает асинхронный режим с ортогональным детектированием сигнала двумя синхронными детекторами и соответствующей математической обработкой их выходных сигналов. Однако и в этом случае временная нестабильность формирования ортогональных опорных сигналов, а также нестабильность коэффициента преобразования синхронных детекторов ограничивают пределы повышения точности и чувствительности трассопоисковых приемников.

Таким образом, к недостаткам прототипа относятся ограниченные точность и чувствительность при поиске подземных коммуникаций, обусловленные как временной нестабильностью опорных сигналов, так и нестабильностью коэффициентов преобразования обоих синхронных детекторов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности и чувствительности трассопоискового приемника при поиске и диагностике подземных коммуникаций

Технический результат достигается тем, что предлагается трассопоисковый приемник, состоящий из последовательно соединенных антенного блока, преобразователя напряжение-ток, фильтра, масштабирующего преобразователя, аналого-цифрового преобразователя; кроме того, микроконтроллера и жидкокристаллического индикатора. В него добавлены первый, второй и третий сумматоры; первый, второй и третий арифметически-логические устройства; первый и второй умножители.

Входы третьего сумматора подключены к выходам первого и второго умножителей. Выход третьего сумматора подключен последовательно к третьему арифметически-логическому устройству, микроконтроллеру и жидкокристаллическому индикатору. Микроконтроллер подключен к аналого-цифровому преобразователю, первому и второму сумматорам.

Отличие предлагаемого трассопоискового приемника от прототипа заключается в том, что вместо двухканального преобразования аналогового исследуемого сигнала двумя ортогональными синхронными детекторами предложена одноканальная схема цифровой обработки сигнала, состоящая из сумматоров, умножителей и арифметически-логических устройств, реализующих алгоритм синхронного детектирования, при котором отпадает необходимость точности синхронизации и нестабильности коэффициента преобразования синхронных детекторов, что позволяет получить в заявляемом устройстве предельную точность и чувствительность алгоритмического синхронного детектирования, не достижимую с аналоговым синхронным детектированием реализованную в прототипе.

На чертеже представлена функциональная схема трассопоискового приемника.

Трассопоисковый приемник 1 состоит из последовательно соединенных антенного блока 2, преобразователя ток-напряжение 3, фильтра 4, масштабирующего усилителя 5, аналого-цифровой преобразователя 6, выход которого соединен с первым 7 и вторым 8 сумматорами, которые последовательно и соответственно соединены с первым 9 и вторым 10 арифметически-логическими устройствами, первым 11 и вторым 12 умножителями, которые своими выходами соединены с третьим сумматором 13, арифметически-логическом устройством 14, которое последовательно соединено с микроконтроллером 15 и жидкокристаллическим индикатором 16. Выход аналого-цифрового устройства 6 одновременно подсоединен к входам сумматоров первого 7 и второго 8, а входы сумматора 13 подсоединены к выходам первого 11 и второго 12 умножителей, выходы микроконтроллера 15 подключены к входам аналого-цифрового преобразователя 6 и входам первого 7 и второго 8 сумматоров.

Трассопоисковый приемник работает следующим образом.

Наведенный сигнал с антенного блока 2 приемника 1 поступает на преобразователь напряжение-ток 3, сигнал, после преобразования тока в напряжение, поступает на фильтр 4 и далее на масштабирующий усилитель 5. С масштабирующего усилителя 5 сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь 6, в котором происходит преобразование аналогового сигнала в последовательность дискретных отсчетов с последующим преобразованием амплитуды отсчетов в цифровой код. Взятие отсчетов происходит под управлением сигнала с выхода микроконтроллера 15 и число их за период сигнала должно быть кратно 4 и, как правило, не превышать 360 отсчетов за период сигнала. С выхода аналого-цифрового преобразователя 6 цифровой код одновременно поступает на входы сумматоров 7 и 8, причем на первом сумматоре 7 происходит суммирование отсчетов с 1 по 360 выборки аналого-цифрового преобразователя 6, а на втором сумматоре 8 происходит суммирование отсчетов с 91 по 450 выборки аналого-цифрового преобразователя 6, на обоих сумматорах одновременно происходит вычитание постоянной составляющей, которая задается управляющим сигналом от микроконтроллера 15 и не изменяется во времени. С выходов сумматоров первого 7 и второго 8 полученные значения суммы поступают на арифметически-логические устройства первое 9 и второе 10 соответственно, где происходит вычисление среднеарифметического значения напряжения путем деления суммы выборок на их количество. Полученные значения поступают соответственно на первый 11 и второй 12 умножители для возведения в квадрат. Вычисленные квадраты среднеарифметических значений с выходов первого 11 и второго 12 умножителей поступают на сумматор 13, в котором эти значения складываются и полученная сумма поступает на третье арифметически-логическое устройство 14, где извлекается квадратный корень. Значение квадратного корня соответствует амплитуде сигнала, характеризующей уровень принимаемого сигнала антенным блоком 2, и поступает в микроконтроллер 15 для сохранения и отображения на жидкокристаллическом индикаторе 16.

Таким образом, преобразование выборок в цифровой код и их обработка происходит по математическому алгоритму.

Так, на выходе первого умножителя 11 получаем квадрат среднеарифметического значения напряжения:

где N_i - текущее значение напряжения сигнала, N₀ - постоянная составляющая, U₀ - среднеарифметическое значение напряжения с 0 сдвигом фазы.

На выходе второго умножителя 12 получаем квадрат среднеарифметического значения напряжения:

где N_i - текущее значение напряжения сигнала, N₀ - постоянная составляющая, U₉₀ - среднеарифметическое значение напряжения со сдвигом фазы 90°.

Тогда на выходе третьего арифметически-логического устройства 14 получаем значение амплитуды исследуемого сигнала:

Очевидно, что математический алгоритм обработки сигналов предлагаемого устройства равноценен преобразованию сигнала двумя синхронными детекторами, опорные сигналы которых сдвинуты на 90° градусов, реализованному в прототипе [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. / Пер. с нем. М.: Мир. - 1982], известное как корреляционный способ оптимальной обработки сигналов со случайной фазой [Фалькович С.Е. Оценка параметров сигнала. М.: Советское радио. - 1970. - 336 с.].

Таким образом, предлагаемый трассопоисковый приемник в отличие от прототипа обеспечивает вместо двухканального преобразования аналогового исследуемого сигнала двумя ортогональными синхронными детекторами одноканальную цифровую обработку сигнала по следующему алгоритму:

- временная дискретизация исходного сигнала;

- преобразование отсчетов в цифровой код;

- математическая обработка цифровых отсчетов по определенному алгоритму.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано в частотном диапазоне до 10 кГц, что полностью перекрывает диапазон частот, применяемых в трассопоисковой аппаратуре, причем верхнее предельное значение частоты исследуемого сигнала определяется максимальным быстродействием используемого аналого-цифрового преобразователя. При этом высокая точность, чувствительность и избирательность трассопоискового приемника обеспечиваются во всем рабочем диапазоне частот, что в целом позволяет повысить достоверность поиска и диагностики подземных коммуникаций.

Предлагаемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо, т.е. удовлетворяет критериям, предъявляемым к изобретениям.

Трассопоисковый приемник, состоящий из последовательно соединенных антенного блока, преобразователя напряжение - ток, фильтра, масштабирующего преобразователя, аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что он дополнительно содержит связанные с аналого-цифровым преобразователем входами первый и второй сумматоры, каждый из которых последовательно и соответственно соединен с первым и вторым арифметическими логическими устройствами, которые соединены соответственно с первым и вторым умножителями, своими выходами соединенными с третьим сумматором, связанным последовательно с третьим арифметически-логическим устройством, микроконтроллером, жидко-кристаллическим индикатором, выходы микроконтроллера подключены к первому, второму сумматорам и аналого-цифровому преобразователю.