DE69415303T2 - Lokalisierung verlegter kabel - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Lokalisieren vergrabener Leiter oder anderer Quellen von schwankendem Magnetfluß. Insbesondere betrifft sie das Auffinden vergrabener langer Leiter, wenn möglicherweise mehrere nahe beieinander liegen.
- Es ist bekannt, daß lange Metall-Leitungen, die im Boden vergraben sind (Rohre und Kabel) durch magnetische Wechselflüsse von verschiedenen Quellen geschnitten werden und folglich elektrische Ströme darin fließen. Es ist auch bekannt, daß ihre Positionen gefunden werden können, indem detektiert wird, wo allgemeine, gleichmäßig verteilte Flüsse (die von entfernten Quellen stammen) durch die nahegelegenen nachfolgenden Flüsse der Leiter gestört werden, und durch Antennenanordnungen, die nur für lokale Flußschwankungen empfindlich sind, leicht davon unterschieden werden können. Aber wenn mehrere lokale Flußquellen vorhanden sind, eliminieren diese Anordnungen nur den allgemeinen Fluß und reagieren auf die Summe lokaler Flüsse.
- Bekannte Systeme nutzen die Tatsache, daß der Signaloutput eine Spule als Reaktion auf die Ströme, die in einem nahegelegenen, geraden Leiter fließen, proportional zum Kehrwert des Abstands zwischen dem nahesten Punkt auf ihren Achsen und dem Cosinus des Winkels zwischen ihren Achsen ist. Somit ändert sich das Vorzeichen bzw. die Phase des induzierten Flusses, wenn sich dieser Winkel zwischen < 90 bis > 90 Grad ändert.
- Bei allen nachdem Stand der Technik bekannten Systeme mit Ausnahme des in der GB- A-1.509.380 geoffenbarten ist es notwendig, daß das Detektierinstrument quergeführt (d.h. von einer Seite des Leiters zur anderen bewegt wird), so daß es die maximale (oder minimale) resultierende Flußintensität finden kann, um die Position eines Leiters zu ermitteln. Diese kann als Einzelfrequenz unter Verwendung eines abgestimmten Empfängers oder als viele Frequenzen unter Verwendung eines "Breitband"-Empfängers gemessen werden.
- Die GB-A-1.509.380 offenbart das Detektieren vergrabener. Leiter durch eine Anordnung aus drei (oder mehr) sich vertikal erstreckenden Antennenspulen, deren Achsen die Ecken eines Vielecks auf dem Boden definieren. Ein vergrabener Leiter, der einen Wechselstrom führt, induziert Signale in den Spulen, von denen einige andere Phasen aufweisen, wenn sich der Leiter unterhalb des Vielecks befindet. Ein Ja/Nein- Meßgerät 4 zum Angeben von Spulenphasenunterschieden kann an die drei Spulen gekoppelt sein.
- Es ist auch bekannt, daß, wenn zwei vergrabene Leiter, die Ströme mit ähnlichem Spektralgehalt führen, nahe beieinander liegen, ihre kombinierten Flüsse jenem eines dazwischen liegenden einzelnen Leiters etwas ähnlich sind. Daher wird von einem bestehenden Instrumententyp, bei dem entweder eine vertikal oder horizontal ausgerichtete Achsenspulenanordnung eingesetzt wird, ein falsches Ergebnis angezeigt.
- Der Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes hat nun festgestellt, daß es allgemein so ist, daß jeder Leiter Spektralkomponenten aufweist, die jenen der anderen unähnlich sind, und daß ein Detektor durch das Abstimmen auf diese diskreten Komponenten in die Lage versetzt wird, zwischen den beiden Leitern zu unterscheiden.
- Aber solche verschiedenen Spektralkomponenten können im Vergleich zu anderen Komponenten, die beiden Leitern gemeinsam sind, eine sehr kleine Amplitude aufweisen, so daß es unter Verwendung von Breitband-Detektoren möglicherweise nicht gelingt, sie zu unterscheiden. Die Verwendung von Schmalband-Detektoren ist möglicherweise ebenfalls nicht zielführend, weil die verschiedenen Frequenzen der Ströme nicht bekannt sind.
- Üblicherweise unterliegt ein vergrabener länglicher Leiter magnetischen Wechselflüssen mit vielen Frequenzen über seine Länge. Es ist unwahrscheinlich, daß eine Vielzahl von Leitern über ihre gesamte Länge gleich ausgerichtet sind. Daher nehmen sie von den weitgestreuten Radio- und anderen Energiequellen keine Signale mit gleichen Amplituden und Frequenzen auf; ebensowenig gehen sie immer gleichermaßen nahe an lokalen Wechselfluß-Quellen, wie elektrischen Anlagen, vorbei; und ebensowenig sind sie gleichermaßen kapazitiv, induktiv, widerstandsmäßig und elektrolytisch an die Erdung und an andere vergrabene Leiter gekoppelt. Daher bilden sie jeweils einen einzigartigen elektromagnetischen Kreis und weisen bestimmte einzigartige elektromagnetische Eigenschaften auf. Diese Eigenschaften führen dazu, daß die Leiter in unterschiedlichem Ausmaß aufnahmefähig für das Entlangführen elektrischer Ströme mit einer bestimmten Frequenz sind, gleichgültig, ob diese Ströme von "unabhängig auftretenden" Flüssen oder von absichtlich herbeigeführten Flüssen stammen, die dazu bestimmt sind, zur Detektion der Leiter und zum Aufzeichnen ihrer Positionen zu führen.
- Da zwischen einem Leiter und seiner Umgebung kapazitive und/oder induktive und/oder elektrolytische Kopplungen vorhanden sein müssen, ist das dadurch erhaltene Stromspektrum für diese Zustände charakteristisch.
- Durch die obengenannten Einflüsse ist die Wahrscheinlichkeit, daß zwei beliebige Leiter ein identisches Stromfrequenzspektrum aufweisen, gering. Wenn akzeptiert wird, daß zwei lange Leiter niemals ein exakt identisches Stromspektrum aufweisen, folgt daraus, daß jeder Leiter einzigartige Spektralelemente (möglicherweise mit sehr geringer Amplitude) enthält.
- Gemäß vorliegender Erfindung wird in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Lokalisieren eines Leiters in einem Bereich bereitgestellt, von dem vermutet wird, daß er eine Vielzahl von Leitern enthält, die alle jeweilige Wechselströme führen, umfassend den Einsatz einer Antenne, um ein elektrisches Signal als Reaktion auf sich verändernden Magnetfluß abzuleiten, der auf einen oder mehrere der Leiter zurückzuführen ist, und das Analysieren des Signals, um Daten zu ermitteln, die mit der scheinbaren Position eines oder mehrerer der Leiter in Beziehung stehen; wobei die Signalanalyse die (aufeinanderfolgende oder gleichzeitige) Durchführung einer Vielzahl gleichartiger Analyseschritte umfaßt, die jeweils auf eine jeweilige andere Frequenz oder ein jeweiliges anderes Frequenzband angewandt werden; und das Vergleichen der Ergebnisse für die verschiedenen Frequenzen oder Frequenzbänder, um die Gültigkeit der Daten zu bewerten. Die Antenne kann zumindest zwei sich vertikal erstreckende Empfängerspulen umfassen, deren Achsen den Boden an beabstandeten Punkten schneiden, so daß, wenn sich die Achsen von zwei derartigen Spulen auf gegenüberliegenden Seiten der scheinbaren Position eines Leiters befinden, ein Wechselstrom im Leiter Signale mit entgegengesetzter Phase in den beiden Spulen induziert, so daß das Vorhandensein von außer Phase befindlichen Signalen die Position des Leiters anzeigt; und/oder zumindest zwei Empfängerspulen, deren Achsen sich horizontal in unterschiedlichen vertikalen Höhen erstrecken, so daß, wenn sich die Spulen über einem Leiter befinden, dessen Achse in einer vertikalen Ebene liegt, die die Achsen der Spulen schneidet, ein Wechselstrom im Leiter Signale in jeder der Empfängerspulen induziert, deren Stärken vom Abstand der jeweiligen Spule vom Leiter abhängig sind, so daß es ein Vergleich der Signalstärken verschiedener der Spulen ermöglicht, den Abstand des Leiters zum Abstand der Spulen voneinander in Beziehung zu setzen.
- Die der Antenne zugeordnete Verstärkungsschaltung kann dazu gebracht werden, daß sie rasch eng auf verschiedene Abschnitte des Spektrums abgestimmt werden kann. Die Schmalheit der Bandbreite der Empfindlichkeit für jede Frequenz, die erreicht werden kann, hängt von der Zeitdauer ab, für die sie genauer Überwachung unterzogen werden kann. Bei niedrigen Frequenzen sind angemessen lange Zeiträume erforderlich, um zu ermitteln, ob auf einer bestimmten Frequenz eine Stromkomponente vorliegt; bei höheren Frequenzen sind proportional kürzere Zeiträume erforderlich.
- Die zu überwachenden Frequenzen können entweder beispielsweise in Oktaven- oder Teiloktaven-Intervallen von einer willkürlich gewählten Basis- oder Bezugsfrequenz gewählt werden, oder vom Flußspektrum, das an der speziellen Beobachtungsstelle vorliegt, in beiden Fällen vermutlich im Bereich von 50 Hz bis 1,5 MHz.
- Es gibt verschiedene Techniken, bei denen (ein) elektromagnetische(r) Wandler verwendet werden kann/können, um die scheinbare Position eines vergrabenen Leiters zu ermitteln, üblicherweise ausgehend von der Annahme, daß das empfangene Feld von einem einzelnen Leiter stammt.
- Wenn irgendeine dieser Techniken gemeinsam mit dem Frequenzspektrum- Wobbelkonzept eingesetzt wird, ist festzustellen, daß das Ergebnis in einer Reihe scheinbarer Positionen für jede Komponente des Frequenzspektrums besteht.
- Das erfindungsgemäße Verfahren kann eingesetzt werden, um einen Satz scheinbarer Positionen von Leitern zu ermitteln. Diese können dann wie als Querschnitt durch den Boden in einem Diagramm aufgetragen werden. Das Ergebnis ist ein Diagramm, das viele falsche Stellen zeigt, die beinahe zufällig über den gesamten Boden verstreut sind. Wenn die einzelnen Leiter jedoch mehrere einzigartige Frequenzen aufweisen, gibt es auch eine Konzentration von Positionen um die echte Position dieses Leiters. Auf diese Weise können echte Positionen ermittelt werden. Eine Ausführungsform dieses Prinzips könnte ein Instrument sein, das über den Boden bewegt wird und eine Antwort liefert, die - für jede Frequenz - anzeigt, ob sich ein Leier direkt darunter zu befinden scheint oder nicht.
- Diese Samples können in einer Speichereinheit gespeichert werden, wobei jede Speicherstelle aus einem "Ja"- oder "Nein"-Status für jede für die Position überwachte Frequenz besteht.
- Es wird ein Speichervorrat der "Ja/Nein"-Antworten für eine Vielzahl von Frequenzen an einer bestimmten Stelle erhalten.
- Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der eine geeignete Verstärkungs- und Frequenzfilterungsschaltung eingesetzt wird, so daß die Eingangsmeßwandler- Signalspannung(en) in einer Abfolge von Bodenpositionen über einen Bereich von Frequenzen von etwa 50 Hz bis beispielsweise 1,5 MHz verglichen werden kann/können.
- Es versteht sich, daß es in der Praxis möglich wäre, das Spektrum entweder bei niedrigen oder hohen Gütefaktoren zu überwachen, und folglich kann die Überprüfung "Punktablesungen" in Intervallen entlang einer Transversalen für die Zwecke einer hohen Güte erfordern, während niedrigere Güten Überprüfung in Schrittgeschwindigkeit zufassen können.
- In jeder Position ist es mit einer geeigneten Wandleranordnung möglich, zu ermitteln, ob eine Flußreaktion, die für einen bestimmten Leiter einzigartig ist, für irgendeine Frequenz vorliegt, für die das Instrument empfindlich gemacht wird.
- Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform.
- Signale von einer Antenne 10 (z.B. drei identische parallele Spulen, deren Achsen ein Dreieck auf dem Boden definieren) werden von einem Verstärker 12 verstärkt und unter der Steuerung eines Mikroprozessors 16 mit einem zugeordneten Speicher 18 schneller Fourier-Transformationsanalyse in einem FFT-Analyzer 14 unterzogen. Eine Ausgangs größe kann mit einer Anzeige/einem Summer 20 visuell und/oder akustisch angezeigt und/oder zur weiteren Bewertung im Speicher 18 gespeichert werden.
- Wenn von einem Signalerzeuger ein Strom mit einer einzigen Frequenz an einen Leiter angelegt wird, kann die Auswahl angelegter Signalfrequenzen als Entsprechung zu "einzigartigen" Frequenzen, die während des lokalen Spektrums beobachtet werden, dazu führen, daß echte angelegte Signalantworten auftreten.
- Eine bevorzugte Variante wird in Fig. 2 gezeigt. Dabei wird eine Antenne 100 mit einem einzigen Paar horizontal beabstandeter, sich vertikal erstreckender Spulen D, E verwendet. Sie befinden sich in derselben Ebene wie drei sich horizontal erstreckende, zueinander parallele Spulen A, B, C, die mit gleichen Abständen zueinander montiert sind. Die Spulen werden schematisch durch ihre Achsen gezeigt. Das Signal X von jeder Spule X wird einem jeweiligen Verstärker/Puffer 102 zugeführt. Von dort werden die vertikalen Spulensignale D, E zu einem ersten Vergleicher 104 geschickt, und die horizontalen Spulensignale A, B, C werden zu einem zweiten Vergleicher 106 geschickt. Die Outputs werden in einen Mikroprozessor 108 eingegeben.
- Wenn sich die Antenne 100 vertikal über einem horizontalen Leiter befindet, der sich in die Ebene des Papiers zwischen den Mitten der horizontalen Spulen A, B, C erstreckt, gilt D = -E.
- Für eine "exklusive" Frequenz (d.h. eine, die nur ein Leiter aufweist) gilt:
- Tiefe (Abstand zum Leiter unter der unteren Spule) = SB/ (A - B) = 2SC/A - C).
- Für eine "nicht-exklusive" Frequenz gelten diese Beziehungen nicht.
- Daher besteht unmittelbar über einer Flußquelle mit "exklusiver Frequenz" (wenn eine solche vorhanden ist) ein eindeutiger Zustand:
- D + E = 0, und
- SB/ (A - B) = 2SC/ (A - C) = (korrekte) Tiefe. Ein präziserer Tiefenwert ist gegeben durch:
- Für eine "nicht-exklusive" Frequenz gilt: "Tiefe ≠ SB/ (A - B); Tiefe ≠ 2SC/(A - C); und SB/(A - B) ≠ 2SC/ (A - C). So kann bestimmt werden, ob eine bestimmte Frequenz exklusiv ist oder nicht.
- Wenn mehr als eine "exklusive" Frequenz vorliegt, sind ihre entsprechenden Beziehungen gleich, d.h. für jede "exklusive Frequenz" von f&sub1; bis fn gilt: D + E = 0, und die Tiefenformeln ergeben die korrekte Tiefe.
- Der Mikroprozessor ist so programmiert, daß er die Tiefe unter Verwendung von Formel (1) berechnet. Die vertikalen Spulen D, E werden verwendet, um zu ermitteln, wann sich die Antenne über einem Leiter befindet, d.h. wann D = E. Der Mikroprozessor kann so angeordnet sein, daß er Tiefenberechnungen automatisch durchführt, wenn die Ausgangsgrößen des ersten Vergleichers 104 (nämlich D + E und E + D) null sind.
Claims (14)
1. Verfahren zum Lokalisieren eines Leiters in einem Bereich, von dem vermutet wird,
daß er eine Vielzahl von Leitern enthält, die alle jeweilige Wechselströme führen,
umfassend den Einsatz einer Antenne, um ein elektrisches Signal als Reaktion auf sich
verändernden Magnetfluß abzuleiten, der auf einen oder mehrere der Leiter
zurückzuführen ist, und das Analysieren des Signals, um Daten zu ermitteln, die mit der
echten oder scheinbaren Position eines oder mehrerer der Leiter in Beziehung stehen;
wobei die Signalanalyse die (aufeinanderfolgende oder gleichzeitige) Durchführung
einer Vielzahl gleichartiger Analyseschritte umfaßt, die jeweils auf eine jeweilige andere
Frequenz oder ein jeweiliges anderes Frequenzband angewandt werden; und das
Vergleichen der Ergebnisse für die verschiedenen Frequenzen oder Frequenzbänder, um
die Gültigkeit der Daten zu bewerten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Vielzahl von Analyseschritten jeweils das
Ableiten von Daten umfaßt, die mit der scheinbaren Position des Leiters in Beziehung
stehen, der für die spezielle Frequenz oder das spezielle Frequenzband verantwortlich
ist; und die Daten für die verschiedenen Frequenzen oder Frequenzbänder verglichen
werden, um Übereinstimmungen zu finden, die als Hinweis dafür genommen werden,
daß die Frequenzen oder Frequenzbänder eindeutig mit einzelnen Leitern assoziiert
werden, deren echte Positionen den scheinbaren Positionen entsprechen, die den Daten
entsprechen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die Antenne über den Bereich von Interesse
bewegt wird, und an jeder einer Vielzahl von Teststellen eine Vielzahl von
Bestimmungen für jeweilige Frequenzen oder Frequenzbänder dahingehend erfolgt, ob
sich die Antenne über einer scheinbaren Leiterposition befindet; und die resultierenden
Ja/Nein-Daten gemeinsam mit Informationen über die Teststelle, wo sie bestimmt
wurden, gespeichert werden.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Frequenzen oder
Frequenzbänder aus dem Bereich von 50 Hz bis 1,5 MHz ausgewählt werden.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, das einen vorbereitenden
Schritt des Bestimmens der Frequenzverteilung von Signalen, die von der Antenne
empfangen werden, und des Auswählens der Frequenzen oder Frequenzbänder für die
Analyseschritte umfaßt, so daß sie Frequenzbereichen mit relativ hoher Signalstärke
entsprechen.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Antenne
zumindest zwei sich vertikal erstreckende Empfängerspulen umfaßt, deren Achsen den
Boden an beabstandeten Punkten schneiden, so daß, wenn sich die Achsen von zwei
derartigen Spulen auf verschiedenen Seiten der scheinbaren Position eines Leiters
befinden, ein Wechselstrom im Leiter Signale mit entgegengesetzter Phase in den
beiden Spulen induziert, so daß das Vorhandensein von Signalen außer Phase die
Position des Leiters angibt; und die Vielzahl von Analyseschritten die Überprüfung auf
außer Phase befindliche Signale in jeder/jedem der Vielzahl von Frequenzen oder
Frequenzbändern umfaßt.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Antenne
zumindest zwei Empfängerspulen umfaßt, deren Achsen sich in unterschiedlichen
vertikalen Höhen horizontal erstrecken, so daß, wenn sich die Spulen über einem Leiter
befinden, dessen Achse in einer vertikalen Ebene liegt, die die Achsen der Spulen
schneidet, ein Wechselstrom im Leiter Signale in jeder der Empfängerspulen verursacht,
deren Stärken vom Abstand der jeweiligen Spule vom Leiter abhängen, so daß es der
Vergleich der Signalstärken von verschiedenen der Spulen ermöglicht, den Abstand des
Leiters mit dem Abstand der Spulen voneinander in Beziehung zu setzen; und worin die
Vielzahl von Analyseschritten den Vergleich der Signalstärken verschiedener der Spulen
bei jeder/jedem einer Vielzahl von Frequenzen oder Frequenzbändern umfaßt, um
dadurch eine entsprechende Vielzahl von Daten zu erhalten, die den scheinbaren
Abstand eines Leiters angeben; und das Vergleichen der Daten, um zusammenfallende
Daten zu finden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Antenne drei sich horizontal erstreckende
Spulen umfaßt, die sich in unterschiedlichen vertikalen Höhen erstrecken, so daß
Signale in zwei beliebigen der Spulen analysiert werden können, um Daten zu liefern,
die mit der scheinbaren Distanz eines Leiters in Beziehung stehen; und worin eine
solche Analyse für jede(s) einer Vielzahl der Frequenzen oder Frequenzbänder für zwei
Paare der Spulen durchgeführt wird und die Ergebnisse verglichen werden, um zu
ermitteln, welche(s) der Frequenzen oder Frequenzbänder den exklusiven Frequenzen
entspricht, die mit nur einem Leiter assoziiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, worin die Antenne untere, mittlere und obere sich
horizontal erstreckende Spulen (A, B, C) mit einem gleichen Abstand (S) umfaßt, wobei
die Spulen identisch sind; und die Analyse den Vergleich von (i) SB/(A-B) mit (ii) 2 SC/
(A-C) umfaßt, worin A, B und C die Signalstärke in den Spulen A, B bzw. C darstellen;
wobei Identität der Terme (i) und (ii) darauf hinweist, daß die Frequenz oder das
Frequenzband exklusiv ist und daß (i) = (ii) = Tiefe des Leiters unter der unteren Spule
(A) ist.
10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9 in Abhängigkeit von Anspruch 6, wobei die
Antenne sowohl sich horizontal erstreckende als auch sich vertikal erstreckende
Empfängerspulen umfaßt.
11. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen
Ansprüche, umfassend eine Antenne und daran gekoppelte Signalverarbeitungsmittel,
wobei das Signalverarbeitungsmittel dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl verschiedener
Frequenzen oder Frequenzbänder des Signals zu analysieren und jeweilige Daten
abzuleiten, die mit der scheinbaren Position eines Leiters in Beziehung stehen; und die
abgeleiteten Daten oder Daten, die aus ihrer weiteren Verarbeitung resultieren,
anzuzeigen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin die Antenne untere, mittlere und obere sich
horizontal erstreckende Spulen (A, B, C) mit einem gleichen Abstand (S) umfaßt, wobei
die Spulen identisch sind; und das Signalverarbeitungsmittel Mittel zum Berechnen von
(i) SB/(A-B) und (ii) 2SC/(A-C) umfaßt, worin A, B und C die Signalstärken in den Spulen
A, B bzw. C darstellen; und Mittel zum Vergleichen der Werte der Terme (i) und (ii) und
Liefern eines Hinweises, wenn Identität festgestellt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin die Antenne auch zumindest zwei sich
vertikal erstreckende Empfängerspulen umfaßt, deren Achsen den Boden an
beabstandeten Punkten schneiden, so daß, wenn sich die Achsen von zwei solchen
Spulen auf verschiedenen Seiten der scheinbaren Position eines Leiters befinden, ein
Wechselstrom im Leiter Signale mit entgegengesetzter Phase in den beiden Spulen
induziert, so daß das Vorhandensein von außer Phase befindlichen Signalen ein
Hinweis für die Position des Leiters ist; und das Signalverarbeitungsmittel Mittel zum
Prüfen auf außer Phase befindliche Signale in jeder/jedem der Vielzahl von Frequenzen
oder Frequenzbänder umfaßt.
14. Antenne zur Verwendung in der Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Antenne
eine Stützstruktur aufweist, die drei gleichartige sich horizontal erstreckende parallele
Spulen (A, B, C) trägt, die sich in einer gemeinsamen vertikalen Ebene erstrecken und in
einem gleichen Abstand (S) übereinander angeordnet sind, sowie zwei gleichartige, sich
vertikal erstreckende horizontal beabstandete Spulen (D, E) in derselben Ebene wie die
sich horizontal erstreckenden Spulen (A, B, C).
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