DE2626532C2 - Vorrichtung zur Untersuchung eines Gebietes auf Freiheit von unterirdischen elektrischen Kabeln und metallischen Rohrleitungen - Google Patents

Description

— mit mindestens drei im wesentlichen gleich aus- ι ο gerichteten Empfangs-Antennenspulen, in denen durch das Magnetfeld Signale erzeugt werden,

— und mit einer Einheit zum Verarbeiten der Signale der Antennenspulen, ι s

wobei zur Induzierung eines Wechselstromes in einer unterirdischen Leitung, die selbst kein bestimmtes elektromagnetisches Feld ausstrahlt, ein Induktionsgenerator in der Nähe des Gebietes angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (1,2,3) auf einem auf den Erdboden aufsetzbaren Gestell (G) derart angebracht sind, daß ihre Achsen die Ecken des Gebietes (5) auf dem Erdboden bestimmen, und in denen bei Anwesenheit eines Kabels oder einer Leitung (A bzw. B) unterhalb des Gebietes (5) Signale induzier! werden, von denen mindestens eines eine andere Phase hat als die anderen, und daß die Einheit zum Verarbeiten der Signale einer Einrichtung (14; 19, 20; 27; 40, 41) zum Vergleich der Phasen der in allen Spulen (1, 2,3) induzierten Signa.e miteinander sowie ein damit gekoppeltes Gerät (4) mit finer JA'NEIN-Anzeige aufweist, das bei fehlenden Signalen von allen Spulen oder bei Phasengleichheit aller finale die erste Anzeige und bei Phasenungleichheit die zweite Anzeige gibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (1, 2, 3) in dem Gestell (G) um waagerechte Achsen schwenkbar gelagert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell teleskopartig ausziehbare Beine (6) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung Phasenkomparator^! (19, 20) aufweist, die das Signal einer Spule (1) als Bezugssignal verwenden und einen Phasenvergleich zwischen diesem Bezugssignal und den Signalen der anderen Spulen (2,3) vornehmen (Fig. 3B). sc-

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Phasendetektor (27) aufweist, der die kombinierten Signale aller Spulen mit dem Signal einer Spule vergleicht (F ig. 3C).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Hochpaß-Tiefpaßverstärker (24,25,26) für die Signale der Spulen (1,2,3).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Phasendiskrimi- t>o natof (14) zum Vesgleieh der Phasen der Signale aller Spulen (1,2,3) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4,5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Integrieren der Signale über einen vorbestimm- μ ten Zeitraum vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung so beschaffen ist, daß sie Signale unterschiedlicher Frequenz verarbeiten kann.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Gebietes auf Freiheit von unterirdischen elektrischen Kabeln sowie metallischen Wasser-, Gas oder sonstigen Rohrleitungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der schnell und auf einfache Weise auch von einem ungelernten Benutzer festgestellt werden kann, ob in einem bestimmten Bereich des Erdbodens beispielsweise ein Loch zum Setzen eines Mastes gegraben werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, auf ein elektrisches Kabel oder eine metallische Rohrleitung zu stoßen.

Diese Aufgabe wird mit bekannten Vorrichtungen nicht oder nur unvollkommen gelöst Bei einer bekannten Vorrichtung (FR-PS 9 60 966) sind eine Sendeantenne und mehrere symmetrisch zu dieser angeordnete Empfangsantennenspulen vorgesehen. Durch die Verwendung von mehreren Empfangsantennenspulen soll der Einfluß großer leitender homogener Massen, beispielsweise feuchten Erdbodens, ausgeschaltet werden, der bei Verwendung nur jeweils einer Sende- und Empfangsantennenspule das Auffinden unterirdischer metallischer Objekte erschwert. Wenn diese Vorrichtung über den Erdboden bewegt wird und sich einem unterirdischen metallischer» Gegenstand nähert, wird in diesem ein magnetisches Wechselfeld induziert, das seinerseits in den Empfangsantennenspulen Spannungen erzeugt, deren Amplituden entweder addiert oder subtrahiert werden. Wenn sich die Vorrichtung genau über dem Gegenstand befindet, hat das Ausgangssignal ein Maximum oder ein Minimum. Nachteilig ist bei dieser Vorrichtung, daß sie aufgrund des Umstandes, daß sie auf die Amplituden der empfangenen Signale anspricht, eine Sendenantcnnenspule benötigt öie in dem metallischen Objekt ein entsprechendes Wechselfeld induziert, da die Amplitude eines von dem natürlichen Wechselfeld eines Leiters induzierten Signals im allgemeinen zu klein ist, um festgestellt zu werden. Besonders nachteilig ist jedoch vor allem, daß diese Vorrichtung über den Erdboden bewegt werden muß, um festzustellen, ob sich an einer bestimmten Stelle ein unterirdisches metallisches Objekt befindet, was zeitraubend und umständlich ist.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung, die ebenfalls die Amplituden vom Signalen verarbeitet (US-PS 38 58 737), sind am Schaufelarm eines Baggers drei senkrecht zueinander angeordnete Stabantennen vorgesehen, die in der Lage sind, Signal von einem durch einen Sender in einer Rohrleitung erzeugten elektromagnetischen Feld zu empfangen. Durch die dreidimensionale Anordnung der Antennen wird sichergestellt, daß die Rohrleitung unabhängig von ihrer Lage relativ zu den Antennen geortet wird. Allerdings muß die Lage der Rohrleitung schon vorher zumindest annähernd bekannt sein, da sonst der Sender nicht an der richtigen Stelle auf dem Erdboden plaziert werden kann. Würde man diese Vorrichtung losgelöst vom Bagger zur Untersuchung eines Gebietes auf Freiheit von unterirdischen Kabeln und Rohrleitungen einsetzen, so wäre es wiederum erforderlich, die Vorrichtung über das Gebiet zu bewegen.
Die eingangs genannte, der Erfindung zugrundelie-

jende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung braucht nur an der Stelle, an der gegraben werden soll, auf den Erdboden aufgesetzt zu werden. Wenn die erste Anzeige erscheint, bedeutet dies, daß kein Kabel und keine Leitung vorhanden ist. daß also gegraben werden kann, während bei Anwesenheit eines derartigen Objektes die zweite Anzeige erscheint, also nicht gegraben werden darf. Die gewünschte Information wird schnell eingeholt, da es im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen nicht nötig ist, die Vorrichtung über den Erdboden zu bewegen um das Maximum oder Minimum eines Signals und damit die Lage eines Objektes feststellen zu können. Zur Bedienung der Vorrichtung bedarf es keiner speziellen Sachkenntnis.

Aus der »Funkschau«, 1969, H. 12, S. 383-385, ist ein tragbares Kabelsuchgerät bekanntgeworden, das dem Patentgegenstand insofern näher zu kommen scheint als die anderen Vorrichtungen, da es ebenfalls auf die Phase eines vc-n einem Wechselfeld erzeugten Signals anspricht. Allerdings besteht dort die Aufgabe, dp ι genauen Verlauf eines bekannten Kabels festzustellen. Zu diesem Zweck wird ein Sender an eine oder mehrere Adern des Kabels und an Erde angeschlossen. Dieser Sender induzierte im Kabel einen hochfrequenten Wechselstrom, der seinerseits ein magnetisches Wechselfeld erzeugt Das Kabelsuchgerät ist mit einer waagerechten und einer senkrechten Empfangsspule ausgestattet. Beim Bewegen des Gerätes über den Erdboden werden in den Spulen Spannungen erzeugt, wobei die Phase der in der senkrechten Spule erzeugten Spannung zu Null wird, wenn sich das Gerät genau über dem Kabel befindet. Außerhalb dieser Stellung sind die Phasen der Spannungen der beiden Spulen gleich- und gegensinnig, je nachdem, auf welcher Seite des Kabels man sich befindet. Bei stationärer Verwendung gibt dieses Gerät nur an, ob sich das Kabel links oder rechts vom Standort befindet, wenn man den unwahrscheinlichen Fall außer Betracht laß;, daß sich das Gerät genau über dem Kabel befindet Dieses Gerät ist also nicht in der Lage, dem Benutzer bei stationärem Gebrauch anzuzeigen, ob ein bestimmtes Gebiet unterhalb des Standortes frei von Kabeln und sonstigen metallischen Leitungen ist. Dazu müßte das Gerät über das interessierende Gebiet bewegt werden, da erst bei Spannung Null in der senkrechten Spule der Ort der unterirdischen Leitung erreicht ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüc'nen.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

F i g. 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 2 zeigt die Vorrichtung von Fig. 1 in Draufsicht zusammen mit Leitungen in verschiedenen Lagen,

F i g. 3A bis D zeigen vier vereinfachte Blockdiagramme von Schaltungen zur Verarbeitung der Signale der Antennenspulen der Vorrichtung von F i g. 1, und

F i g. 4 zeigt ein weiteres detailliertes Blockdiagramm einer Schaltung zum Verarbeiten der Signale der Antennenspulen der Vorrichtung von Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist ein Gestell G mit einem Zweipunkt- oder Ja/Nein-Anzeiger 4 auf, der mit drei am Gestell angeordneten Antennenspulen 1, 2 und 3 gekoppelt ist. Diese drei Spulen sind senkrecht an den Ecken eines imaginären Dreiecks 5 angeordnet, und es kann gezeigt werden, daß ihre einzelnen Ausgangssignale proportional

-i- x Sin©
D

ist wobei D der Abstand von einer unterirdischen, ein elektromagnetisches Feld ausstrahlenden Quelle und θ der Winkel zwischen der Achse der Spule und der Geraden zwischen dem Mittelpunkt der Spule und der nähesten Stelle der Strahlungsquelle ist.

Um diese Vorrichtung kompakter zu machen, könnten die Spulen 1,2 und 3 näher aneinander gerückt und dafür aus der Senkrechten nach außen verschwenkt werden, um auf und unter dem Erdboden einen Dreiecksbereich zu erfassen, der größer ist als das Dreieck, das von den Spulen selbst gebildet wird, wie dies bezüglich der Spule 3 strichpunktiert angedeutet ist so daß die zu überprüfende Fläche nach Wunsch verändert werden kann. Das Gestell kann auch, wie gestrichelt angedeutet Teleskopbeine 6 aufweisen, um die Hoüe über dem Erdboden einstellen zu können.

Die Ausgangssignale der Antennenspulen 1, 2 und 3 sind in Phase, wenn keine Strahlungsquelle innerhalb des Dreieckes 5 liegt Wenn jedoch irgendeine Strahlungsquelle innerhalb des Dreiecks liegt, tritt eine Phasendifferenz zwischen den Signalen der beiden Antennenspulen auf, zwischen deren verlängerten Achsen die Strahlungsquelle verläuft wie dies im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 2 beschrieben wird.

Wenn die Vorrichtung von F i g. 1 über eine Stelle für eine geplante Grabung gesetzt wird und die Antennenspulen 1,2 und 3 in der dargestellten Lage sind, und eine Strahlungsquelle in Form eines Kabels A vorhanden ist sind die Signale der Antennen 2 und 3 zueinander in Phase, während das Signal der Antenne 1 zu ihnen außer Phase ist. Bei einer Leitung oder einem Kabel Bsind die Signale der Antennen 1 und 2 in Phase und das Signal der Antenne 3 ist in Gegenphase. In jedem dieser beiden Fälle darf also nicht gegraben werden, und der Anzeiger 4 gih« ein entsprechendes Nein-Signal. Wenn jedoch ein Energie abstrahlendes Kabel in der Position Coder D ist, sind die Signale aller drei Antennen 1, 2 und 3 in Phase und ein entsprechendes Ja-Signal erscheint an dem Anzeiger 4, d. h. es kann gegraben werden.

Im wesentlichen alle langen unterirdischen metallischen Leitungen sind Träger von irgendeiner Art von Wechselstromenergie, ob sie nun absichtlich erregt sind oder nicht. Beispielsweise sind die meisten Wasser- und Gasleitungen Träger von 50 Hz Wechselstrom aufgrund von Erdströnien oder vagabundierenden Strömen, die von dem normalen Stromnetz stammen. Auch kann eine Erregung der Leitungen durch Induktion von Stromquellen oder Radiofrequenzquellen vorliegen, so daß normalerweise keine eigene Strahlungsquelle zur Induktion eines Wechselfeldes erforderlich ist, da auch ohne eine solche 80 bis 90%, möglicherweise auch ein größerer Prozentsatz aller metallischen Leitungen oder Kabel festgestellt v. erden können.

Als Vorsichtsmaßnahme kann es sich jedoch als zweckmäßig erweisen, einen Induktionsgenerator in einem Kreis um die Vorrichtung und in einem geeigneten Abstand von diesem zu bewegen, um in etwaigen metallischen Leitungen oder Kabeln, die überhaupt keinen Wechselstrom führen, einen Wechselstrom zu induzieren. Dieser Generator kann mit einer Frequenz zwischen 500 Hz und 100 kHz oder sogar bis zu 10 MHz arbeiten, und er sollte so beschaffen sein, daß er Energie

gleichzeitig auf mehreren Frequenzen abstrahlt. Die durch diese Energie in den Kabeln oder Leitungen induzierten Ströme werden dann in der vorher beschriebenen Weise phasendiskriminiert. Eine Strahlung von dem sich bewegenden Induktionsgenerator, die von den Antennenspulen direkt aufgenommen wird, wäre in allen Antennenspulen in Phase und würde demnach keine falsche Anzeige erzeugen.

Es kann notwendig sein, mit der Vorrichtung nacheinander oder gleichzeitig auf verschiedenen Frequenz- bändern zu arbeiten. Ein Grund hierfür ist, daß in der Nähe von Starkstromkabeln sehr hohe Energiepcgel bei 50 Hz vorhanden sind und die Möglichkeit besteht, daß die von anderen Leitungen mit der gleichen oder einer anderen Frequenz ausgestrahlte Energie nur 'Λοοη des Wertes hat und dadurch verdeckt wird. Daher ist es wünschenswert, gleichzeitig oder aufeinanderfolgend

a) auf der Netzfrequenz 50 oder 60 Hz und

b) auf einem breiteren Frequenzband zu empfangen, das bei beispielsweise 1000 Hz scharf nach unten zu abgeschnitten ist und sich bis beispielsweise 10 MHz erstreckt.

Bei aufeinanderfolgendem Empfang kann das Umschalten zwischen den beiden Frequenzbereichen manuell oder automatisch erfolgen.

Fig.3 zeigt in schematischer Darstellung vier Beispiele von Schaltungen.

In F i g. 3A werden die Ausgangssignale der drei Antennenspulen 1,2 und 3 entsprechenden Verstärkern 11, 12 und 13 und dann einem Phasendiskriminator 14 zugeführt, der ein Tor 15 steuert.

Die Ausgangssignale der Antennen werden über einen vorbestimmten Zeitraum verglichen, und wenn sie im wesentlichen in gleicher Phase liegen, veranlaßt der Phasendiskriminator 14 das Tor 15 so zu schalten, daß das Anzeigegerät 4 von F i g. i in seiner ja-Sieiiung ist, d. h. es kann gegraben werden. Wenn irgendein Phasenunterschied besteht, wird das Tor 15 nicht angesteuert und das Anzeigegerät 4 zeigt ein Nein-Signal an.

F i g. 3B zeigt eine alternative Anordnung, bei der die Signale der Antennenspulen 1,2 und 3 zugehörigen Verstärker-Begrenzerschaltungen 16, 17 und 18 zugeführt werden und das Signal von Antennenspule 1 als Bezugssignal verwendet und in Phasenkomparatoren 19 und 20 separat mit den Signalen von den Antennenspulen 2 und 3 verglichen wird. Wenn einer dieser Komparatoren einen Phasenunterschied feststellt, schließt er einen zugehörigen Schalter 21 bzw. 22, um die Ja/Nein-Anzeige 23 entsprechend zu erregen.

In F i g. 3C werden die Ausgangssignale der Antennenspulen 1, 2 und 3 Hochpaß/Tiefpaßverstärkern 24, 25 und 26 zugeführt Die Ausgänge dieser Verstärker werden miteinander und mit dem einen Eingang eines Phasendetektors 27 verbunden. Der andere Eingang des Phasendetelctors erhält lediglich ein Signal, und zwar von der Bezugsantenne 1. Das Ausgangssignal des Detektors 27 steuert ein Tor 28. Eine Phasendifferenz zwischen den Signalen einer der Antennen und einer ande- ren hat zur Folge, daß einer der Eingangssignale des Phasendetektors dem anderen vor- oder nacheilt, und das Tor 28 wird entsprechend angesteuert

Wenn auf verschiedenen Frequenzen empfangen werden soll, kann die Schaltung gemäß Fig.3D verwendet werden. Hier werden die Ausgangssignaie der Antennenspulen 1,2 und 3 entsprechenden Verstärkern 31, 32 und 33 und von dort Filterpaaren 34, 35; 36, 37 und 38, 39 zugeführt, wobei die geradzahligen Filter 50-Hz-Filter und die ungeraden Filter Hochpaßfilter sind. Die 50-Hz-Filter sind mit ihren Ausgängen mit einem zugehörigen Phasendetektor 40 verbunden, während die Hochpaßfilter mit einem Phasendetektor 41 verbunden sind. Die Detektoren 40 und 41 steuern ein Tor 42, und wenn irgendein Außer-Phase-Signal vorhanden ist. wird ein Nein-Signal erzeugt.

Die Kupplung mit den Phasendetektoren ist in F i g. 3D in der gleichen Weise wie in F i g. 3A gezeigt, es könnten jedoch auch in Fig.3D die Anordnungen gemäß F i g. 3B oder 3C verwendet werden.

Die Signale können auch über einen gewissen Zeitraum, z. B. ein bis zehn Sekunden, integriert werden. Dadurch könnten erheblich schwächere Signale entdeckt werden.

Es ist möglich, mehr als drei Antennen vorzusehen. Dabei werden die gleichen Prinzipien angewandt, und jede der dargestellten Schaltungen kann entsprechend erweitert werden, wie dies in Fig.3B strichpunktiert dargestellt ist.

In Fig.4 ist ein Schaltkreis in seinen Einzelheiten dargestellt. Hier werden die Ausgangssignale der Antennenspulen 1, 2 und 3 Verstärkern 51,52 und 53 und dann Analog-Digital-Umwandlern 54, 55, 56 zugeführt. Das Signal von Antenne 1 wird als Bezugssignal verwendet und es werden zwischen diesen Signalen und den beiden anderen mittels exklusiver ODER-Tore 57 und 58 Ptasenvcrgleiche durchgeführt. Die Ausgangssignale dieser Tore werden mittels lnvertern 59,60 einem UND-Tor 61 und dann einem weiteren UND-Tor 62 zugeführt, dessen anderer Eingang das Bezugssignal erhält. Diese weitere UND-Stufe ist deswegen vorgesehen, weil exklusive ODER-Tore dazu tendieren, die Frequenz der zu vergleichenden Signale zu verdoppeln.

Das kombinierte Ausgangssignal des Tores 62 wird über einen Inverter 63 einem weiteren UND-Tor 64 zugeführt. Das Bezugssignä! wird auSerdciTi einem wse^ dertriggerbaren monostabilen Multivibrator 65 zugeführt, der einen negativen Impuls von 10OnS erzeugt, welcher dem anderen Eingang des Tores 64 zugeführt wird. Dies hat den Zweck, alle Schaltzacken zu unterdrücken, die in den Phasenkomparatoren etwa erzeugt worden sind, und das Gerät weniger empfindlich zu machen. Das Ausgangssignal des Tores 64 wird dazu verwendet, einen weiteren wiedertriggerbaren monostabilcn Multivibrator 66 zu triggern. der einen Impuls von 250 mS erzeugt.

Es sind zwei freischwingende Oszillatoren 67 und 68 vorgesehen, von denen der Oszillator 67 eine Periode von 250 mS und der Oszillator 68 eine Audiofre^uenz von etwa 8 kHz hat Der Oszillator 67 triggert einen Multivibrator 69. dessen Periode 500 mS ist. Die Ausgangssignale des Multivibrators 69 werden entsprechenden UND-Toren 70 und 71 zugeführt,deren andere Eingänge den 250-mS-lmpuls von dem Multivibrator 66 erhalten. Das Ausgangssignal des Tores 71 wird einem UND-Tor 72 zugeführt dessen anderer Eingang das Ausgangssignal des Oszillators 68 erhält Das Ausgangssignal dieses Tores wird in einem Verstärker 73 verstärkt und einem Transistor 74 zugeführt der als Steuerschalter für einen Lautsprecher 75 dient

Das Ausgangssignal des Multivibrators 66 wird außerdem einer grünes Licht emittierenden Diode 76 zugeführt die »an« ist, wenn keine wesentlichen Phasenunterschiede bestehen. Die Ausgangssignaie der UND-Tore 70 und 71 werden zwei rotes Licht emittierenden Dioden 77 zugeführt die erregt werden, wenn ein Pha-

senunterschied besteht, und dadurch eine »nein-Situation« anzeigen. Diese Dioden 77 leuchten abwechselnd auf.

Wenn ein Phasenunterschied zwischen dem Signal einer Antenne und den Signalen der beiden anderen be- steht, so wird dadurch eine Änderung des booleschen Pegels »η den Ausgängen der exklusiven ODER-Tore 57 uno >9 proportional zu der Größe der Phasenverschiebung bewirkt. Wenn diese Änderung unter 100 nS liegt, ändert sich die Anzeige nicht, da dieser Betrag in einer Phasenverschiebung von weniger als einem Grad bei 20 kHz entspricht. Wenn jedoch die Änderung größer als dieser Wert ist, so verändert der monostabil Multivibrator 66 seinen Zustand und bewirkt, daß die grünes Licht emittierende Diode 76 nichtleitend wird, während die rotes Licht emittierenden Dioden 77 leitend werden und der Lautsprecher 75 einen höhrbaren Ton von sich gibt. Da der Multivibrator 66 während seines Ausgangsimpulses wiedertriggerbar ist, wird er von jedem Triggerimpuls auf 250 mS umgeklappt, so daß sein Ausgangssignal konstant bleibt, wenn ein Phasenunterschied vorhanden ist. Wenn kein Phasenunterschied besteht oder überhaupt kein Signal vorhanden ist, wird der Multivibrator 66 nicht geiriggert und die grünes Licht emittierende Diode 76 wird erregt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen ¹A

1·! 30

J5

45

50

55

b0

65

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Untersuchung eines Gebietes auf Freiheit von unterirdischen elektrischen Kabeln und metallischen Wasser-, Gas- oder sonstigen Rohrleitungen, die ein elektromagnetisches Feld ausstrahlen,