способ определения местоположения пробойника или бура в грунте и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ определения местоположения пробойника или бура в грунте, согласно которому с помощью излучателя, жестко связанного пробойником или буром, возбуждают переменное низкочастотное магнитное поле так, чтобы силовые линии магнитного поля проходили симметрично и касательно к плоскости, проходящей через излучатель и перпендикулярной оси пробойника или бура, и чтобы были силовые линии, лежащие в вертикальной плоскости, совпадающей по направлению с осью пробойника или бура, определяют положение в пространстве этих плоскостей с помощью направленных свойств антенн, расположенных на поверхности грунта, находят линию пересечения вертикальной плоскости с поверхностью грунта и по ее направлению определяют курс, а по углу наклона к поверхности грунта плоскости, перпендикулярной оси пробойника или бура, определяют тангаж, отличающийся тем, что низкочастотное магнитное поле излучателя возбуждают с помощью двух идентичных соосных, включенных противофазно катушек индуктивности, разнесенных вдоль оси пробойника, формируют суммарно-разностную диаграмму направленности антенн, перемещают антенны на поверхности и определяют положения, в которых разностный сигнал равен нулю, по ориентации антенн в этих положениях определяют расположение плоскости, перпендикулярной оси пробойника или бура, и вертикальной плоскости.

2. Устройство для определения местоположения пробойника или бура в грунте, содержащее излучатель переменного низкочастотного магнитного поля, жестко связанный с пробойником или буром и включающий генератор, по крайней мере, две одинаково ориентированные антенны и приемник, имеющий, по крайней мере, два приемных канала и индикаторы, расположенные на поверхности грунта, отличающееся тем, что излучатель выполнен в виде двух соосных, разнесенных вдоль оси пробойника или бура идентичных катушек индуктивности, входы которых подключены к выходу генератора противофазно, дополнительно введено устройство получения суммы и разности сигналов, выходы антенн подключены к соответствующим входам устройства получения суммы и разности сигналов, а его выходы подключены к соответствующим входам, по крайней мере, двух приемных каналов, суммарного и разностного, выход разностного канала приемника подключен к входу первого индикатора, а выход суммарного канала подключен к входу второго индикатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для обнаружения устройств ударного действия - пробойников или буров, применяемых для пробивания или бурения скважин.

Из уровня техники известны способ и устройство для определения местоположения пробойника (патент RU № 2132428, МПК 6 E02F 5/18). Способ (фиг.1) заключается в том, что обнаруживают сигнал излучателя 2, жестко связанного с пробойником 1, с помощью антенн 3, 4, расположенных на поверхности грунта, в качестве сигнала излучателя используют вращающееся магнитное поле, причем магнитное поле вращают так, чтобы плоскость вращения вектора магнитного момента Р_М излучателя была перпендикулярна оси пробойника, принимают сигналы в ближней зоне, где преобладает реактивная мощность поля, находят положение этой плоскости в пространстве с помощью направленных свойств антенн 3, 4 и по ее ориентации определяют направление оси пробойника, а также с помощью минимум двух отсчетов определяют параметры вектора градиента поля и по направлению вектора градиента определяют направление на излучатель, а по модулю градиента и кубической зависимости напряженности поля от расстояния определяют дальность до излучателя.

Известное устройство для определения местоположения пробойника 1 (фиг.1) содержит излучатель 2 электромагнитных колебаний, жестко связанный с пробойником, две направленные антенны 3, 4, приемник 5, вычислитель 6 и индикатор 7, расположенные на поверхности грунта, при этом выходы приемника подключены к входам вычислителя, выход которого подключен к индикатору, приемные антенны, выходы которых подключены к входам приемника, закреплены на общей базе на расстоянии d так, чтобы плоскости нулей их диаграмм направленности совпадали, а база выполнена с возможностью переноса. В качестве излучателя используют генератор вращающегося магнитного поля.

К недостатку известного способа и устройства следует отнести сравнительно низкую точность определения направления на пробойник из-за того, что изменение модуля градиента поля при малых углах отклонения от истинного направления на излучатель стремится к нулю.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения местоположения пробойника или бура в грунте (патент RU № 2206906, МПК 6 E02F 5/18), согласно которому (фиг.2) с помощью жестко связанного с пробойником 1 излучателя 2 возбуждают вращающееся магнитное поле, поле вращают так, чтобы плоскость вращения вектора магнитного момента Р_м излучателя была перпендикулярна к оси ОО пробойника. Особенность этой плоскости состоит в том, что силовые линии вращающегося магнитного поля относительно нее всегда симметричны и проходят касательно к ней. Находят положение этой плоскости в пространстве с помощью направленных свойств антенн 3, 4, расположенных на поверхности земли, определяют (фиг.3), по крайней мере, две плоскости, разнесенные в пространстве над пробойником. Каждую из плоскостей определяют по трем точкам, в которых относительные запаздывания между сигналами одинаково ориентированных антенн, располагаемых в этих точках, равны нулю. Находят линию пересечения этих плоскостей, а затем находят точку М пересечения этой линии с известной плоскостью вращения магнитного момента излучателя. При этом линия пересечения плоскостей с нулевым запаздыванием сигналов совпадает с осью пробойника, а точка пересечения этой линии с плоскостью вращения вектора магнитного момента совпадает с центром излучателя. Таким образом уточняют местоположение, курс и тангаж пробойника. В пространстве над пробойником 1 (фиг.4) определяют вертикальную плоскость с нулевым относительным запаздыванием сигналов, наведенных вращающимся магнитным полем в антеннах 3. 4, располагаемых в этой плоскости. Особенность этой плоскости состоит в том, что силовые линии магнитного поля не пересекают эту плоскость, т.е. они лежат в этой плоскости, а сама плоскость совпадает по направлению с направлением оси пробойника или бура 1. При определении этой плоскости одинаково ориентированные антенны 3. 4 располагают на одной вертикали и, синхронно перемещая их в пространстве над пробойником, находят точки А и В на поверхности, в которых запаздывание сигнала между антеннами равно нулю. Линия, проведенная через эти точки, является линией пересечения найденной плоскости с горизонтальной поверхностью и совпадает с курсом пробойника.

В известном, наиболее близком к предлагаемому изобретению устройстве (патент RU № 2206906, МПК 6 E02F 5/18) (фиг.2) для определения местоположения пробойника 1, содержащем излучатель вращающегося магнитного поля 2, жестко связанный с пробойником или буром 1, по крайней мере две одинаково ориентированные антенны 3, 4, двухканальный, по крайней мере, приемник 5, вычислитель 6 и индикатор уровня 7, измеритель запаздывания 8 и индикатор запаздывания 9, расположенные на поверхности, выходы антенн 3, 4 подключены к входам каналов приемника 5, выходы которых подключены к входам вычислителя 6 и параллельно к двум входам измерителя запаздывания 8, а их выходы подключены к входам индикаторов 7 и 9.

Недостатком известных наиболее близких к предлагаемым способу и устройству является сложность конструкции, связанная с необходимостью создания вращающегося вектора магнитного момента Р_м излучателя 2 и неточность определения плоскости вращения магнитного момента Р_м. Дело в том, что положение плоскости вращения вектора Р_м в известном способе определяется по ориентации приемных антенн, при которой наведенный в них сигнал равен нулю. При этом силовые линии магнитного поля проходят к ним касательно. Но из-за криволинейности магнитных силовых линий (они замкнуты) такое состояние возможно в разных точках пространства при разных наклонах антенн, что приводит к неточности определения тангажа.

Таким образом, решаемой задачей является повышение точности определения тангажа, обеспечиваемое однозначностью определения положения перпендикулярной к оси пробойника или бура плоскости, и упрощение конструкции излучателя.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения местоположения пробойника или бура в грунте, заключающемся в том, что с помощью жестко связанного с пробойником или буром излучателя возбуждают переменное низкочастотное магнитное поле так, чтобы силовые линии магнитного поля проходили симметрично и касательно к плоскости, проходящей через излучатель и перпендикулярной оси пробойника или бура, и чтобы были силовые линии, лежащие в вертикальной плоскости, совпадающей по направлению с осью пробойника или бура, определяют положение в пространстве этих плоскостей с помощью направленных свойств антенн, расположенных на поверхности грунта, находят линию пересечения вертикальной плоскости с поверхностью грунта и по ее направлению определяют курс, а по углу наклона к поверхности грунта плоскости, перпендикулярной к оси пробойника или бура, определяют тангаж, согласно изобретению низкочастотное магнитное поле излучателя возбуждают с помощью двух идентичных соосных, включенных противофазно, катушек индуктивности, разнесенных вдоль оси пробойника, формируют суммарно-разностную диаграмму направленности антенн, перемещают антенны на поверхности и определяют положения, в которых разностный сигнал равен нулю, по ориентации антенн в этих положениях определяют расположение плоскости перпендикулярной оси пробойника или бура и вертикальной плоскости.

Поставленная задача (технический результат) решается также тем, что в устройстве для определения местоположения пробойника или бура в грунте, содержащем излучатель переменного низкочастотного магнитного поля, жестко связанный с пробойником или буром и включающий генератор, по крайней мере, две одинаково ориентированные антенны и приемник, имеющий, по крайней мере, два приемных канала и индикаторы, расположенные на поверхности, согласно изобретению излучатель выполнен в виде двух соосных, разнесенных вдоль оси пробойника или бура, идентичных катушек индуктивности, а в приемнике дополнительно введено устройство получения суммы и разности сигналов, входы катушек индуктивности излучателя подключены к выходу генератора противофазно, выходы антенн подключены к соответствующим входам устройства получения суммы и разности сигналов, а его выходы подключены к соответствующим входам, по крайней мере, двух приемных каналов суммарного и разностного, выход разностного канала приемника подключен к входу первого индикатора, а выход суммарного канала подключен к входу второго индикатора.

Изобретение иллюстрируется чертежами:

на фиг.1 изображено устройство, реализующее способ-аналог;

на фиг.2 изображено устройство, реализующее способ-прототип;

на фиг.3 схематично показан принцип нахождения плоскостей нулевого запаздывания, определения оси пробойника и места его расположения в прототипе;

на фиг.4 показан способ уточнения курса по вертикальной плоскости нулевого запаздывания сигналов в прототипе;

на фиг.5 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.

на фиг.6 схематично показаны проекции силовых линий на поверхность грунта и возможные ситуации положения антенн относительно них в предлагаемом изобретении.

Рассмотрим реализуемость способа и устройства на конкретном примере.

Устройство, реализующее способ определения местоположения пробойника или бура 1 (фиг.5), содержит излучатель 2, включающий две идентичные катушки индуктивности 2.1 и генератор переменного напряжения 2.2, жестко связанный с пробойником или буром 1, две антенны 3, 4, приемник 5, включающий разностный 5.1 и суммарный 5.2 каналы приемника, первый и второй индикаторы разностного 7 и суммарного 9 сигналов и устройство получения суммы и разности сигналов 10, расположенные на поверхности грунта, выходы генератора 2.2 подключены противофазно к входам идентичных катушек индуктивности 2.1, выходы антенн 3, 4 подключены к соответствующим входам устройства получения суммы и разности сигналов 10, а его выходы подключены к соответствующим входам разностного 5.1 и суммарного 5.2 каналов приемника, выход разностного 5.1 канала подключен к входу индикатора разностного сигнала 7, а выход суммарного канала 5.2 подключен к входу индикатора суммарного сигнала 9.

Устройство, реализующее заявленный способ, работает следующим образом.

Включенный в излучатель 2 генератор 2.2 генерирует низкочастотное напряжение, которое поступает на входы катушек индуктивности 2.1 противофазно. Катушки идентичны, сосны и разнесены на расстояние, равное 3-4 диаметрам катушки. Обе катушки возбуждают встречные низкочастотные магнитные поля. При этом на равных расстояниях от катушек, на плоскости, проходящей между ними и перпендикулярной к их оси ОО, происходит полная компенсация составляющих магнитного поля параллельных оси ОО, но остаются не скомпенсированными все силовые линии касательные к этой плоскости. Кроме того, магнитные силовые линии поля строго симметричны относительно этой плоскости, замыкаются на противоположных концах катушек, и есть силовые линии, целиком лежащие в вертикальной плоскости, совпадающей по направлению с осью ОО пробойника или бура 1. Низкочастотное магнитное поле распространяется на поверхность грунта и наводит в антеннах 3, 4 электрические сигналы.

Сигналы, наведенные в антеннах 3, 4, поступают на входы устройства получения суммы и разности сигналов 10. Сигнал разности с выхода устройства получения суммы и разности сигналов 10 поступает на вход разностного канала 5.1 приемника 5, а с его выхода усиленный сигнал поступает на вход первого индикатора 7 разностного сигнала. Сигнал суммы с выхода суммарного сигнала устройства 10 поступает на вход суммарного канала 5.2 приемника 5, а с его выхода усиленный сигнал поступает на вход второго индикатора 9 суммарного сигнала. Таким образом, устройство позволяет одновременно обнаруживать сигнал с помощью индикатора 9 для суммарного сигнала и, контролируя уровень разносного сигнала по индикатору 7, находить положения, в которых разностный сигнал равен нулю. По ориентации оси d, соединяющей антенны 3, 4 в этих положениях, определяют направление вертикальной плоскости и наклон к поверхности грунта плоскости, перпендикулярной к оси ОО, и таким образом определяют курс и тангаж согласно предлагаемому способу.

В предлагаемом способе для определения местоположения, курса и тангажа пробойника или бура 1 используется переменное низкочастотное магнитное поле, создаваемое излучателем 2. При этом формируется такое магнитное поле, у которого есть силовые линии симметричные и касательные к плоскости перпендикулярной оси пробойника или бура, проходящей через излучатель 2, и есть силовые линии, лежащие в вертикальной плоскости, совпадающей по направлению с осью ОО пробойника или бура 1. Сигналы, наведенные низкочастотным магнитным полем в одинаково ориентированных антеннах 3, 4, расположенных на общей оси d, суммируют и вычитают и таким образом получают суммарную и разностную диаграммы направленности. Антенны 3. 4 перемещают по поверхности грунта и находят положения, в которых разностный сигнал равен нулю. По ориентации оси d, связывающей антенны 3, 4 определяют направление вертикальной плоскости и наклон к поверхности грунта плоскости, перпендикулярной к оси ОО, так как в этом случае ось d перпендикулярна к этим плоскостям, и таким образом определяют курс и тангаж. На (фиг.6) схематично показаны проекции силовых линий магнитного поля излучателя 2 на поверхность грунта. Там же показаны возможные положения антенн 3, 4 относительно этих силовых линий. Например, в ситуации «а» ось d соединяющая антенны 3, 4 располагается горизонтально, симметрично и перпендикулярно относительно силовых линий, лежащих в вертикальной плоскости. Наведенные в них сигналы будут равны благодаря симметричному положению силовых линий, а разностный сигнал будет равен нулю. При этом ось d, соединяющая антенны 3, 4, будет перпендикулярна вертикальной плоскости, совпадающей по направлению с осью ОО пробойника или бура 1. В ситуации «в» ось d, соединяющая антенны 3, 4, располагается перпендикулярно плоскости, проходящей через излучатель перпендикулярно оси ОО пробойника или бура 1. При этом разностный сигнал также будет равен нулю, а наклон оси d, соединяющей антенны 3, 4, относительно поверхности грунта, определяет угол тангажа. В положениях «г», «д», «е» и «и» антенн 3, 4 разностный сигнал не будет равен нулю, за исключением положения «б», в котором и суммарный и разностный сигналы равны нулю. По ориентации оси d, соединяющей антенны 3, 4 в положениях, где разностный сигнал равен нулю, определяют направление вертикальной плоскости и наклон плоскости, перпендикулярной к оси ОО, и таким образом определяют курс и тангаж согласно предлагаемому способу. Линия пересечения найденных плоскостей перпендикулярна оси ОО пробойника или бура 1 и проходит через излучатель 2.

На практике нахождение вертикальной плоскости облегчается тем, что изначально известно предполагаемое направление движения пробойника или бура 1. Уточняют его, найдя положение, в котором разностный сигнал равен нулю, поворачивают ось d в направлении движения пробойника или бура 1, перемещаются вдоль этого направления и, сканируя ось d в вертикальной плоскости, находят положение и наклон оси d, при котором разностный сигнал равен нулю. Таким образом уточняют курс и определяют тангаж.

Упрощение конструкции в предлагаемом способе связано с тем, что формирование магнитного поля излучателя 2 осуществляют с помощью двух разнесенных вдоль оси ОО пробойника или бура 1, соосных и идентичных катушек индуктивности 2.2, возбуждаемых противофазно, а повышение точности определения тангажа обусловлено однозначностью положения и наклона к поверхности грунта оси d, связывающей антенны 3, 4, в которых разностный сигнал равен нулю, при этом однозначно определяется наклон к поверхности грунта плоскости перпендикулярной оси ОО, а значит и самой оси ОО пробойника или бура 1.