JP2012005097A

JP2012005097A - 電磁誘導型埋設物探査装置

Info

Publication number: JP2012005097A
Application number: JP2010153403A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Akeda; 吉憲明田; Yoichi Okuno; 陽一奥野
Original assignee: Hokuriku Denwa Kouji Co Ltd
Current assignee: Hokuriku Denwa Kouji Co Ltd
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】デジタル信号処理装置（略称「ＤＳＰ」）による電磁誘導型埋設物探査装置では、デジタル化時の量子化レベル等の制約によって十分な感度が得られず、非金属管路に収容される光ファイバーケーブルを、手軽な間接法によって検出することが難しかった。
【解決手段】本発明の水晶アクティブフィルタは中心周波数の調整機能と水晶振動子の破損防護機能を有しており、多段接続により超狭帯域かつ高ＤＵ比のフィルタを容易に構成することができ、高感度の電磁誘導型埋設物探査装置を実現することができる。これによって、非金属管に収容される光ファイバーケーブルを、間接法によって検出することが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、地中に埋設されている通信ケーブルや水道管等（以下「埋設ケーブル」）を、地表から高感度で検出するための装置に関するものである。

従来の電磁誘導型埋設物探査装置は、探査信号の他に電力やラジオ波の検出など多彩な機能を実現するために、検出したアナログ信号をデジタル化し、デジタル信号処理装置（略称「ＤＳＰ」）によって処理を行っている。

特表２００８−５４７０１０公報

高千穂産業「ＭＰＬ−Ｈ１０Ｓ」カタログ

従来の電磁誘導型埋設物探査装置は、アナログ信号をデジタル化する際の量子化レベル等の制約によって探査感度に限界がある。

電磁誘導型探査では、埋設ケーブルに探査用の交流信号（以下「探査信号」）を印加する必要がある。探査信号の印加方法には直接法、外部コイル法、間接法がある。直接法や外部コイル法は基本的にマンホール内での接続作業が必要となるが、間接法は地上に置いた発信器から、地中の埋設ケーブルに探査信号を電磁的に誘導する方法である。間接法は最も手軽で作業効率の高い方法である。

しかしながら、間接法は埋設深度が大きくなると、誘導される探査信号が急速に弱くなるため、受信器に高い感度が要求される。従来の電磁誘導型埋設物探査装置では、間接法による鋼管やメタルケーブルの検出は可能であるが、非金属管に収容される光ファイバーケーブルの検出は難しい。

本発明は、このような従来の探査装置が有していた問題を解決しようとするものであり、間接法によって非金属管に収容される光ファイバーケーブルを検出できる、高感度の電磁誘導型埋設物探査装置を実現することを目的とするものである。

本発明は水晶振動子と演算増幅器を中心とする素子で構成され、通過帯域中心周波数（以下「中心周波数」）の調整機能と、過大入力による水晶振動子の破損防護機能を有する水晶アクティブフィルタを多段接続した、超狭帯域かつ高ＤＵ比のフィルタを特徴とする高感度の電磁誘導型埋設物探査装置である。

課題解決手段による作用は次のとおりである。前記の水晶アクティブフィルタを多段接続し、中心周波数が同一になるように調整することによって、超狭帯域かつ高ＤＵ比のフィルタを構成することができる。たとえば３２ｋＨｚの中心周波数において、２段接続時の半値幅は０．５Ｈｚとなる。このようなフィルタによって、ほぼ完全に雑音を阻止することが可能となり、高感度の電磁誘導型埋設物探査装置を実現することができる。

電磁誘導型埋設物探査装置では入力信号のダイナミックレンジが大きく、過大入力によって水晶振動子が破損することが多い。過大入力電圧や励振電流を制限し、水晶振動子を保護することによって過酷な環境での使用が可能となる。

電磁誘導型埋設物探査装置の感度が格段に向上し、非金属管に収容される光ファイバーケーブルを、間接法によって検出できるようになる。

受信器のブロック図水晶振動子の等価回路水晶振動子の等価リアクタンス特性水晶アクティブフィルタの結線図水晶アクティブフィルタの特性

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。

図１は電磁誘導型埋設物探査装置の受信器のブロック図を示す。１１は上部検出コイル、１２は下部検出コイル、１３は同調用コンデンサ、１４は差動増幅器、１５は感度調整用可変抵抗、１６は水晶アクティブフィルタ、１７は混合器、１８はアクティブフィルタ、１９は整流回路、２０はメータ、２１は局部発振器である。

上部検出コイル１１と下部検出コイル１２は同調用コンデンサ１３との間で、探査信号の周波数で共振する同調回路を形成する。それぞれのコイルによって検出された信号の差分が同調回路に印加される。同調回路で探査信号が強められ、差動増幅器１４で増幅される。差動増幅器１４の入力インピーダンスは極めて大きく、同調回路への影響は無視できる。

感度調整用可変抵抗１５は差動増幅器１４の出力を減衰させ、最終出力がメータ２０の指示範囲内になるよう調整する。

水晶アクティブフィルタ１６は差動増幅器１４の出力に含まれる雑音成分を阻止し、探査信号のみを増幅する。水晶アクティブフィルタ１６は本探査装置において、最も重要な部分であり図５に示すような特性（２段接続時）を有している。このフィルタの詳細については後述する。

混合器１７は水晶アクティブフィルタ１６の出力と局部発振器２１の周波数を混合し、中間周波に変換する。周波数を変換することによって、増幅段における発振を防止し、高利得増幅が可能となる。

アクティブフィルタ１８は中間周波を探査信号等から分離し増幅を行う。アクティブフィルタ１８は演算増幅器、抵抗、コンデンサで構成される多重帰還型バンドパスフィルタである。

アクティブフィルタ１８の出力は整流回路１９によって全波整流され、メータ２０を駆動する。整流回路１９は演算増幅器、ダイオード、抵抗で構成される理想ダイオード特性を有する整流回路である。

図２は共振点付近における水晶振動子の等価回路を示す。３１は等価直列インダクタンス、３２は等価直列容量、３３は等価直列抵抗、３４は電極容量、３５は外部に接続される負荷容量である。水晶振動子は等価直列インダクタンス３１と等価直列容量３２と等価直列抵抗３３が直列に接続され、これと並列に電極容量３４が接続されている。

図３は水晶振動子の等価リアクタンス特性を模式的に示す。横軸は周波数、縦軸は等価リアクタンスを示している。等価リアクタンスは等価直列インダクタンス３１と等価直列容量３２との直列共振点においてゼロとなる。その時の周波数をｆ_Ｓとする。周波数ｆ_Ｓにおける水晶振動子３２の両端の等価インピーダンスは等価直列抵抗３３と同等となる。

周波数がｆ_Ｓより高い領域では、等価直列インダクタンス３１と等価直列容量３２の等価直列合成リアクタンスは誘導性となる。水晶振動子の両端の等価インピーダンスは等価直列合成リアクタンスと電極容量３４との並列共振点において無限大となる。その時の周波数をｆ_Ｐとする。

周波数ｆ_Ｐより高い領域では電極容量３４が支配的となり、水晶振動子の等価リアクタンスは容量性となる。

周波数ｆ_Ｓと周波数ｆ_Ｐとの間の領域では、水晶振動子３２の両端の等価リアクタンスは誘導性となるので、外部に負荷容量３５を接続することによって直列共振点を変化させることができる。この時の周波数をｆ_Ｌとする。等価直列インダクタンス３１をＬ_１、等価直列容量３２をＣ_１、電極容量３３をＣ_０、負荷容量３５をＣ_Ｌとすると周波数ｆ_Ｌは次式で表される。
ｆ_Ｌ＝ｆ_Ｓ（Ｃ_１／２（Ｃ_０＋Ｃ_Ｌ）＋１）

図４は本発明の要部である水晶アクティブフィルタの結線図を示す。５１は過大入力クリップ用抵抗、５２は水晶振動子、５３は可変容量コンデンサ、５４は過励振防止用抵抗、５５は帰還抵抗、５６は演算増幅器、５７、５８は過大入力クリップ用ダイオードである。

最初に保護回路について説明する。電磁誘導型埋設物探査装置は入力信号のダイナミックレンジが非常に大きく、過大入力によって水晶振動子５２が破損することが多いので保護回路が必要になる。過大入力クリップ用抵抗３１と過大入力クリップ用ダイオード３７、３８によって入力電圧の制限を行う。さらに、過励振防止用抵抗５４によって水晶振動子５２に流れる電流を制限する。

図４において、過大入力クリップ用抵抗５１、水晶振動子５２、可変容量コンデンサ５３、過励振防止用抵抗５４の等価直列合成インピーダンスをＺとすると、演算増幅器５６の利得は帰還抵抗５５の抵抗値をＺで除した値となる。

水晶振動子５２と可変容量コンデンサ５３の等価直列合成リアクタンスは、図３の周波数ｆ_Ｌでゼロとなり、水晶振動子５２と可変容量コンデンサ５３の等価直列合成インピーダンスは、図２の等価直列抵抗３３と等しく最小となる。すなわち、演算増幅器５６の利得は周波数ｆ_Ｌにおいて最大となる。

周波数ｆ_Ｌ以外における水晶振動子５２と可変容量コンデンサ５３の等価直列合成インピーダンスは、図２の電極容量３４に支配されるリアクタンスまたはそれ以上となる。たとえば３２ｋＨｚの周波数帯における等価直列合成インピーダンスは、周波数がｆ_Ｌの場合に比較して１００倍以上となる。すなわち、通過帯域と阻止帯域の比は４０ｄＢ以上となる。

可変容量コンデンサ５３を変化して周波数ｆ_Ｌを変えることにより、水晶アクティブフィルタの中心周波数の調整が可能となる。これによって水晶アクティブフィルタを多段接続する場合に発信器やフィルタの中心周波数を同一に合わせることができるようになり、周波数偏差による利得やＤＵ比の低下を防止し、超狭帯域フィルタを実現することができる。

図５は図４に示す水晶アクティブフィルタを２段接続した場合の特性を示す。横軸は中心周波数からの偏移、縦軸は利得を示している。中心周波数が３２ｋＨｚで通過帯域の半値幅が０．５Ｈｚである。このような超狭帯域のフィルタによって、ほぼ完全に雑音を阻止することが可能となり、高感度の電磁誘導型埋設物探査装置を実現することができる。

本発明の水晶アクティブフィルタは中心周波数の調整機能と水晶振動子の破損防護機能を有しており、多段接続により超狭帯域かつ高ＤＵ比のフィルタを容易に構成することができ、高感度で経済的な電磁誘導型埋設物探査装置を実現することができる。

１１上部検出コイル
１２下部検出コイル
１３同調用コンデンサ
１４差動増幅器
１５感度調整用可変抵抗
１６水晶アクティブフィルタ
１７混合器
１８アクティブフィルタ
１９局部発振器
３１等価直列インダクタンス
３２等価直列容量
３３等価直列抵抗
３４電極間容量
３５負荷容量（水晶振動子の外部に接続）
５１過大入力クリップ用抵抗
５２水晶振動子
５３可変容量コンデンサ
５４過励振防止用抵抗
５５帰還抵抗
５６演算増幅器
５７過大入力クリップ用ダイオード
５８過大入力クリップ用ダイオード

Claims

演算増幅器と水晶振動子を中心とする素子で構成され、可変容量コンデンサによる中心周波数の調整機能および過大入力による水晶振動子の破損防止機能を特徴とする水晶アクティブフィルタ。
地中に埋設されている通信ケーブル等に探査信号を誘導し、発生する磁場を地上で検出して位置探査を行う装置であって、前記フィルタを多段接続した超狭帯域かつ高ＤＵ比のフィルタを特徴とする電磁誘導型埋設物探査装置。