Покотило Н.Н.

Россия, г. Ростов-на-Дону, Ростовский государственный строительный университет

Выбор способа поиска подземных коммуникаций

Поиск подземных коммуникаций проводится с помощью специальных приборов с различными принципами действия. Это могут быть металлосепараторы и металлодетекторы, но при заложении подземных коммуникаций на большую глубину, порядка 7-10 метров, применяется технология зондирования с помощью подключения выводов генератора сигналов к началу коммуникации находящейся под землёй и с помощью перемещения датчика производится определение её места заложения. При сухой почве, таким способом, определить место заложения не представляет большой сложности, но в осенне-зимний и зимне-весенний периоды, когда почва сильно увлажнена, её электропроводность значительно увеличена. В связи с этим сигнал, посылаемый от подземной коммуникации, распространяется и от увлажненной почвы на некоторое удалённое расстояние, что вносит большую погрешность в определение заложения и затрудняет поиск.

Именно в таких случаях возникла задача отстройки от помех и увеличения точности определения места заложения подземных коммуникаций. Для решения этой актуальной проблемы необходимо провести анализ принципа работы и функционирования всех приборов и выбрать тот принцип, который наиболее приемлем в сложившейся ситуации. Учитывая вышеизложенные проблемы можно модернизировать и доработать выбранный прибор с конкретным принципом действия.

1.Наиболее подходящим из всех способов является акустический способ определения заложения коммуникаций. Физическая сущность акустического волнового процесса состоит в распространении областей сжатия и разрежения. Акустические измерения относятся к измерению акустического поля, характеризуемого следующими параметрами: периодом колебанияТ, колебательной скоростью с, частотой ƒ, длиной волны λ, звуковым давлением ρ, фазой ψ и др. Акустические волны в среде распространяются с определенной скоростью звука. Следовательно, скорость звука – это скорость смещения частиц, с которой от источника передаются возмущения ( сжатия, разрежения, деформации). Передача колебательного процесса от одной частицы к другой представляет собой волну, а пространство, в котором распространяются волны - волновое поле. Акустические волны, распространяющиеся в жидкостях, газах и твердых телах, называются продольными. Перемещение частиц здесь происходит в направлении распространения волн. В твердых телах существуют продольные и поперечные волны. Различают ещё изгибные волны и многие другие типы волн. Расстояние между двумя ближайшими частицами среды, претерпевающими равное по величине и направлению смещение, называется длиной волны. Между длиной волны λ и скоростью её распространения с, а так же между скоростью с, частотой ƒи периодом Т имеется следующее соотношение:

В различных средах скорости распространения упругих колебаний не одинаковы. Они постоянны в направлении только в изотропной среде. Важным показателем колебательного процесса является фаза. Зная её, можно определить положение колеблющейся точки в каждый момент времени. Она показывает долю периода, прошедшего с момента начала колебания до рассматриваемого момента; измеряется в долях периода, а для синусоидальных величин – в дуговых и угловых единицах

На практике часто используются разность или сдвиг фаз. Колебания с равными частотами, но с разными начальными фазами называются сдвинутыми по фазе. При смещении частиц в среде друг относительно друга среда деформируется, вызывая избыточное давление, которое называют акустическим звуковым давлением (ρ) . Оно выражает величину сжатия или разрежения.

Чтобы учитывать все явления, имеющие место в распространении звука, т.е. для представления поля в целом, необходимо знать закономерности изменения параметров в пространстве. Например, период и частота колебаний в собственном звуковом поле постоянны, а в движении наблюдается другая картина. При перемещении приемника относительно источника оно будет фиксировать дополнительное число волн, равное

где ∆ R – изменение расстояния между приемником и источником.

Изменение расстояния (∆ R) в единицу времени будет равно скорости движения приёмника, когда кажущееся изменение частоты (∆ƒ) составит

а так, как

то

Такое изменение частоты, вызванное движением, называется эффектом Доплера.

При фазовом способе излучатель непрерывно посылает звуковой сигнал одной и той же частоты, который, отразившись от объекта локации, возвращается обратно. Разность фаз (модуляция) между излучаемым и принимаемым сигналами будет пропорциональна расстоянию до лоцируемой поверхности. По сдвигу фаз и частоте определяется сдвиг во времени и расстоянии, соответствующее этому сдвигу. Точность определения расстояний этим способом составляет 0,2 мм, но реализовать эту точность сложно. Способ применим для локации только гладких поверхностей, которых в периоде мало.

Сущность частотного способа состоит в том, что на излучатель посылают сигнал, модулированный по частоте, линейно изменяемой от некоторого начального значения до максимального, а потом вновь возвращаемой к первоначальному своему значению. Цикл повторяется. Сравнивая частоты на приёме и излучении, определяется время задержки. Погрешности в определении расстояний этим способом – около 2 %. Использовать его можно для лоцирования поверхностей, не имеющих ступенчатых неровностей со скачкообразно меняющейся длительностью.

Использование импульсного способа основано на импульсной модуляции излучаемого сигнала, при которой время задержки определяется как промежуток между излучением и приемом импульса. Погрешность в определении расстояний посредством этого способа изменяется от 0,5 до 3,0%.

Сущность комбинированного способа ясна из самого названия. Используют его в лабораторных условиях для точного определения расстояний. Погрешность его – около 0,1 %.

2. Явление электромагнитной индукции широко используется в приборах поиска (трубоискателях), применяемых для определения местоположения подземных инженерных сооружений. Эти приборы работают по следующему принципу. К подземному трубопроводу, представляющему собой бесконечный проводник, подсоединяющий один из выходов генератора переменного тока, установленного на поверхности земли, а другой выход – к заземлителю.

Чувствительность магнитоприёмника можно увеличить путем повышения частоты тока на выходе, но с увеличением частоты уменьшается напряженность магнитного поля, повышается поглощаемость в проводящих средах (во льду, воде и грунте). Следовательно, частота тока должна быть оптимальной. Растекание электрической энергии происходит в окружающую среду и по трубопроводу, который является по существу неограниченным проводником.

Из этого следует, что для повышения эффективности индукционного способа путём бесконтактного подсоединения источника переменного тока к обследуемому объекту надо выбрать оптимальную частоту генератора, повысить направленность антенны и уменьшить растекание электрического тока в среде, окружаемой исследуемой объект, и в самом объекте.

Напряженность электромагнитного поля над трубопроводом выражается формулой следующего вида:

H0=H_max℮-(a₁z₁ +a₂z₂+a₃z₃) ,

где z_1, z_2, z₃– мощности слоёв соответственного грунта, воды, льда над подводным трубопроводом, которые принимаются равными следующим величинам:

z₁≤ 2,5м, z₂≤ 10 м, z₃≤ 0,5 м;

H₀ –напряженность электромагнитного поля над трубопроводом на расстоянии z₁+z₂+z₃ от верхней образующей трубопровода; H_max– напряженность электромагнитного поля вблизи трубопровода; a_i– коэффициент затухания электромагнитной волны в любой среде, равный

a_i=ω_{i ,}

где ω_i–круговая частота магнитного поля; υ_э1,υ_э2,υ_э3 –проводимости соответственного грунта, воды, льда; μ₀ – магнитная проницаемость грунта, воды, льда, равная магнитной проницаемости воздуха μ_а; ε₀₁,ε₀₂,ε₀₃ – диэлектрические проницаемости грунта, воды, льда. Полное затухание сигнала практически происходит в том случае, когда он уменьшается в 10⁶ раз.

Если принять, что H_max= 0,3 H₀, тогда условие полного затухания можно записать в следующем виде:

0,3

Принимая во внимание атмосферные и технические помехи, а также помехи от блуждающих токов, оптимальную рабочую частоту можно принять равной 60 кГц.

Из выше изложенного следует, что в данном случае наиболее приемлемым является индукционный способ определения планового и высотного положения подводного перехода магистрального трубопровода или кабеля высокочастотным трассоискателем остается таким же, как и другими известными трассоискателями.

Литература

1. Хохлов И. В. Геодезические приборы для съемки инженерных сооружений. – М. Недра. 1981 г. с.23 – 48.

2. Алейников С. А. анализ влияния помех при индуктивном методе поиска подземных коммуникаций. – Геодезия и картография, 1997, №9, с.16-20.