Электромагнитное поле подземной коммуникации
или я сошел с ума.
Как известно, напряженность магнитного поля прямого длинного провода (бесконечного) с током:
Н= i /2π*y, где
y – расстояние от проводника до точки поля, в которой определяется напряженность
i – ток в проводнике
Этим соотношением пользуются при построении трассоискателей с функцией измерения глубины залегания.
При трассопоиске к коммуникации подключается внешний генератор.
Гальваническое подключение может быть нескольких видов:
1.
Заземлитель устанавливается на расстоянии от оси коммуникации на расстоянии 10…20м.
За счет достаточно большой (?) длинны коммуникации по ней начинает протекать ток:
- за счет естественного контакта с грунтом ( водопровод, канализация, броня силового кабеля и т. д.)
- за счет подключенных потребителей на дальнем конце
- за счет емкостной составляющей изолированного трубопровода.
- при коротких расстояниях иногда заземляют дальний конец коммуникации
В любом из этих случаях создается распределенный «обратный» провод.
При этом на расстоянии 20…50м считается что создается «мертвая зона».
Поиск трассы затруднен.
2.
Две параллельные коммуникации. Часто так подключают при обследовании подводных коммуникаций.
3.
Подключение к двухпроводной линии или силовому кабелю по схеме жила-жила.
Это отдельная тема по поиску дефектов силовых кабелей и здесь влияние «обратного провода» рассматривать не будем.
При калибровке трассоискателей или определения точности по измерению глубины залегания в настоящее время рекомендуется использовать следующие схемы включения генератора и создания имитации подземной коммуникации:
1. квадрат 100Х100м
Высота подвеса проводника должна быть 1…1,5м. Сторона квадрата 100м.
На площадке не должно быть посторонних коммуникаций и протяженных металлических предметов.
2. Проводник 50м
Ранее не было рекомендации о высоте подвеса проводника. В последнее время появилось два дополнительных условия:
- высота подвеса проводника должна быть 0,5…1м
- рекомендуемая длина проводника должна быть не менее 100м ( в документации на «Абрис» даже до 300м).
Цель дальнейших исследований:
Определить степень влияния «обратного проводника» на структуру магнитного поля. В особенности на горизонтальную составляющую, которая используется для расчета глубины залегания коммуникации.
Создадим следующую модель из двух проводников с противофазными токами.
Моделирование проводится в Mathcad 2001. Чтобы было понятно о чем речь приведу расчет напряженности поля горизонтальной составляющей при идеальном бесконечном проводнике (красный график), напряженность поля при обратном проводе снизу (черный график), напряженность поля приобратном проводе сверху (синий график).
В примере :
y=2м, Δ=+/- 10м, ε=0
Введем еще понятие ближняя зона коммуникации. Это зона по оси Х равная глубине залегания коммуникации (y).
На графиках видно что в ближней зоне структура полей совпадает. Есть только сильное отличие по абсолютной величине. Ниже приведен график при расположении обратного провода на расстоянии 200м. Практически полное совпадение.
При применении схемы включения «квадрат» можно передвигаться оператору и вверх от стороны квадрата. В этом случае Δ=0, изменяется ε.
При ε=10м график приведен ниже (синий цвет), при ε=200м (черный пунктирный цвет). Красный цвет - эталонный от бесконечного одиночного проводника.
Как видно из графиков в ближней зоне структура поля совпадает, хотя есть отличия в абсолютных значениях. При стороне квадрата 200м различие отсутствует.
Раз происходит изменение поля по абсолютной величине и структуре, проанализируем какова погрешность измерения ( правильнее сказать погрешность задания ) глубины залегания коммуникации.
Вариант 1. Квадрат, передвижение оператора от квадрата.
При стороне квадрата 100м погрешность задания:
- глубины 6м составляет +6.6% . В абсолютных значениях – 6,4м
- глубины 3м составляет +3,3%. В абсолютных значениях – 3,1м
- глубины 2м составляет +2%. В абсолютных значениях - 2,04м
- глубины 1м составляет +1,8%. В абсолютных значениях - 1,018м
И это только за счет обратного провода, без учета влияния НЕ бесконечности самого проводника.
Вариант 2. Квадрат, передвижение оператора внутрь квадрата.
При стороне квадрата 100м погрешность задания:
- глубины 6м составляет - 6.6% . В абсолютных значениях – 5.6м
- глубины 3м составляет - 3,3%. В абсолютных значениях – 2,9м
- глубины 2м составляет - 2,5%. В абсолютных значениях - 1,95м
- глубины 1м составляет -2%. В абсолютных значениях – 0,98м
Вариант 3. Квадрат, передвижение оператора вверх ( или вниз) относительно
стороны квадрата.
При стороне квадрата 100м погрешность задания:
- глубины 6м составляет - 0.83% . В абсолютных значениях – 5.95м
- глубины 3м составляет - 0,33%. В абсолютных значениях – 2,99м
- глубины 2м составляет - 0,1%. В абсолютных значениях - 1,998м
- глубины 1м составляет -0,05%. В абсолютных значениях – 0,9995м
При учете требования тройного метрологического запаса эталона, при проведении поверки, предложенные схемы задания глубины можно использовать:
- на погрешность измерения +/-10% Вариант1 и Вариант2 только для глубин до 3м!
- на погрешность измерения +/-5% и менее, только Вариант3!
Но как уже упоминалось, всё это без учета НЕ бесконечности проводника (стороны квадрата). На графике, приведенном ниже, показано абсолютное отклонение величины глубины в зависимости от задаваемой величины при длине проводника 100м.
Из графика видно, что при задании глубины 6м, получается дополнительная погрешность 1,66%.
Т. О. проводить поверку на погрешность измерения +/-5% при измеряемых значениях глубины 6м нельзя.
На погрешность измерения +/-10% по вариантам 1 и 2 можно проводить поверку только для глубин до 2м.
Создавать такие полигоны для проведения периодической поверки или проведения калибровки трассоискателей достаточно трудоемкое занятие.
Кроме того, как это проводить в различное время года? Хотя этот вопрос будет относиться и к следующей методике поверки или калибровки.
В некоторых документациях в разделе «Калибровка» приводится методика
проводника 50м. Она же заложена была в поверку трассоискателя FM9800
(испытания для утверждения типа проводил ВНИИФТРИ г. Москва).
Проанализируем возможности этой методики.
Сразу оговорюсь про длину проводника. Как было показано выше длина должна быть не менее 100м, чтобы исключить погрешность задания глубины от НЕ бесконечности проводника. В последних документах «АКА-ГЕО» говориться о длине 300м.
Основной проблемой этой методики является влияние обратного проводника, который является грунтом (так называемая подстилающая поверхность грунта).
Для анализа степени влияния этого «обратного проводника» (поверхности) создадим математическую модель этого проводника.
Проводник будет представлять собой систему параллельных проводников, расположенных на расстоянии 10см друг от друга, и занимающих пространство от оси основного проводника 10м с каждой стороны. Суммарный ток по этой поверхности равен току основного проводника.
Ниже приведены графики напряженности поля в зависимости от расположения основного проводника относительно поверхности грунта.
Красным цветом всегда изображена напряженность эталона – одиночный бесконечно длинный проводник.
1.Проводник лежит на грунте. Оператор передвигает трассоискатель вертикально вверх от проводника. Заданное расстояние 0.22м.
Как видно, что структура поля в ближней зоне совпадает. При этом измерение глубины соответствует графику (красный цвет – идеальный проводник).
Отклонение задания глубины от эталонного -2см.
2.Проводник лежит на грунте. Оператор передвигает трассоискатель вертикально вверх от проводника. Заданное расстояние 1м.
Ошибка задания глубины составляет -20см (т. е. 20%).
3.Проводник лежит на грунте. Оператор передвигает трассоискатель вертикально вверх от проводника. Заданное расстояние 3м.
При этом ошибка задания глубины составит около 1,2м (1,8м вместо 3м!).
При задании глубины 6м ошибка составит – 3,2м (2,8м вместо 6м!).
Т. е при таком способе реализации задачи глубины проводить калибровку, а тем более поверку НЕ ВОЗМОЖНО!
Если подстилающую поверхность представить виде системы проводников расположенных друг от друга на расстоянии 10см и занимающих поверхность 100м в каждую сторону от оси проводника, то получим следующие результаты для глубины 3м.
Ошибка задания глубины 3м составляет -20см (т. е. 2,8м вместо 3м).
Те же расчеты показывают, что при задании глубины 6м ошибка составляет 60см (5.4м вместо 6м).
Данные расчетные эксперименты показывают, что результат задания глубины по этой методике (а соответственно и результаты поверки или калибровки ) будут зависеть от состояния грунта в месте проведения поверки.
ИСТОРИЯ.
1.Первый раз мы наблюдали эту зависимость в 2000г. Проводя калибровку в зимнее время. Больше одного метра измерить было невозможно. При последующей калибровке в мае месяце (грунт сухой, песчаный), можно было поднять трассоискатель до 3м. Калибровочные коэффициенты были уже другие. В дальнейших своих работах мы отказались от этой методики.
2.Второй раз наблюдали эту зависимость в 2007г. При сравнительных испытаниях с «Абрис ТМ7» производства «АКА-ГЕО» (г. Москва).
При расстеленном проводнике 50м на грунте приемник «Абрис ТМ7» при глубинах 22см и 48см завышал показания на 30…40%. Представитель фирмы
долго сперва не мог понять. Потом заявил, что прибор просто не калиброван. Подправил калибровочные коэффициенты на глубину 22см.
На этой глубине вроде бы все нормально. Но при глубине 48см прибор продолжал завышать. Данные расчеты показывают что прибор был калиброван на глубину 1,5…2м (см. методику изложенную в документации) на одном типе грунта, а при сравнительных испытаниях работы были на другом грунте.
Подъем проводника над подстилающей поверхностью, дополнительно дает уменьшение ошибки задания глубины.
При таком методе перемещения оператора (вверх от проводника), высота подъема проводника над поверхностью практически мало сказывается. Нужно учесть только одно, высота подъема проводника должна быть или меньше задаваемой глубины или больше на 10% задаваемой глубины.
При этом ошибка задачи глубины меняет знак. Так при высоте подъема 7м, ошибка будет +0,6м при заданной глубине 6м. В диапазоне высот подъема +/-10% около высоты равной задаваемой глубины, наблюдается зона неопределенности. Например, при задаваемой глубине 6м и высоте подъема 6,5м, ошибка будет 3,2м (т. е. 2,8м вместо 6м!).
Остается еще один способ передвижения оператора – прибор располагается параллельно поверхности земли и перпендикулярно проводнику, с настройкой по максимуму поля.
Ниже приведены графики напряженности поля и измеренные значения глубины залегания 1м при высоте подъема проводника 0м, т. е. проводник лежит на грунте. Также сперва привожу графики поля и отклонение задания глубины от идеальной при модели подстилающей поверхности в виде системы проводников занимающих площадь +/-10м от оси проводника.
Ошибка задания глубины залегания составляет 4см (т. е. - 4%).
При этом подъем проводника над поверхностью грунта практически ничего не дает.
При задании глубины залегания 3м получаются следующие результаты.
Ошибка задания глубины составляет 64см или 21% !
При построении модели подстилающей поверхности представляющей собой систему проводников занимающих площадь +/- 100м от оси проводника, получим следующие результаты.
Ошибка задания глубины менее 1см!!!
При задании глубины 6м ошибка составляет 5см, т. е менее 1% !!!
При модели подстилающей поверхности в виде системы проводников занимающих площадь +/- 30м от оси проводника, ошибка задания глубины 6м составляет уже 54см!
Все это говорит о сильной зависимости задания глубины залегания по этим методикам от состояния грунта и условий проведения калибровки в данной местности и времени года.
Другой вопрос – насколько правомочно применение модели подстилающей поверхности в виде системы проводников занимающих площадь +/- 100м от оси проводника при длине самого проводника 50м??? И даже при использовании проводника длиной 300м?
Практические эксперименты показывают, что при применении проводника длиной 50м, дают ошибку задания глубины как при подстилающей поверхности +/- (20…30)м!
При увеличении длины проводника до 100м ошибка соответственно уменьшается.
Тогда возникает один БОЛЬШОЙ вопрос:
Что же мы калибруем и в дальнейшем измеряем?
Кроме того, измеренное значение глубины залегания используется в дальнейшем для расчета тока, протекающего по коммуникации, для дальнейшей интегральной оценки состояния изоляции (определяется сход тока – потери). Соответственно погрешность измерения тока будет напрямую зависеть от погрешности определения глубины залегания. Погрешность измерения тока не может быть лучше, чем погрешность измерения глубины!
Меня поражают некоторые технические характеристики когда приводятся данные:
- погрешность измерения глубины залегания не более до 3м +/-5% ,
- погрешность измерения тока не более +/- 1%.
Ответ на вопрос:
ЧТО ДЕЛАТЬ?
дам в другом материале.
