научная статья по теме ВОЗМОЖНОСТИ ДИСТАНЦИОННОГО РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ СТВОРОВ КРУПНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНОСТИ ДИСТАНЦИОННОГО РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ СТВОРОВ КРУПНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ»

Дмитрий Валерьевич Шиянов — канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотрудник ИОА СО РАН;

® (8-382-2) 49-11-11 (доб. 12-70)

Юрий Романович Кирпиченко — канд. техн. наук, доцент Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР);

Е-mail: kirp@tu.tusur.ru

Михаил Иванович Курячий — канд. техн. наук, доцент ТУСУР; ® (8-382-2) 413-380 Е-mail: tu@tu.tusur.ru

Иван Николаевич Пустынский — д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ, зав. кафедрой ТУ ТУСУР;

® (8-382-2) 413-423 Е-mail: in@tu.tusur.ru

Юрий Алексеевич Шурыгин — д-р техн. наук, профессор, ректор ТУСУР.

® (8-382-2) 510-530

Е-mail: ofice@tusur.ru □

УДК 621.311.21

ВОЗМОЖНОСТИ ДИСТАНЦИОННОГО РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ СТВОРОВ КРУПНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

В. В. Сухотин, Г. Я. Шайдуров

Рассмотрены радиотехнический метод контроля и датчики геометрической формы плотин гидроэлектростанции на основе импульсно-фазового принципа измерения дальности. Дано обоснование выбора параметров измерительной системы. Произведена оценка влияния возмущающих факторов на точность измерения. Предложено несколько способов снижения погрешности измерений.

Ключевые слова: гидротехнические сооружения, створ, датчик, радиомаяк, дальность, разность фаз, мониторинг, измерительная система, погрешность.

Гидротехнические сооружения (ГТС), в частности плотины гидроэлектростанций (ГЭС), непосредственным образом связаны с геологической средой. По своей масштабности, с одной стороны, их можно рассматривать как часть геосреды, с другой — это искусственное образование, имеющее определенную, отличительную структуру и разделительную контактную зону с окружающими геологическими породами. Как и всем геологическим структурам, макромасштабным искусственным сооружениям присуща временная гетерогенность в части проявления различных механизмов взаимодействия сооружений с геологической средой размещения. Эксплуатация таких сооружений требует пристального внимания [1] и организации мониторинга технического состояния и проявления влияний на окружающую среду, а также предотвращения возникновения аварийных ситуаций и создания условий для его безопасной эксплуатации.

В этой связи актуальным является наблюдение за изменением геометрической формы створа плотины. Существующие методы [2, 3], основанные на использования классической технологии на базе высокоточных оптических приборов, не удовлетворяют требованиям оперативности наблюдения и подвержены влиянию ме-

теоусловий. Ниже описывается радиотехнический метод [4], менее подверженный влиянию этих факторов.

Одним из вариантов реализации рассматриваемого метода является расстановка радиомаяков малой мощности в дискретных точках вдоль кромки плотины ГЭС, сигналы от которых принимаются в одной опорной точке, расположенной за воронкой оседания, создаваемой вследствие деформации земли под воздействием веса плотины и водохранилища. Между принятым сигналом от радиомаяка и опорным сигналом местного гетеродина приемника измеряется разность фаз, что дает возможность оценить с высокой точностью расстояние между точками излучения и приема с минимально возможной ошибкой, вносимой метеоусловиями среды. Без учета многозначности фазовых измерений приращение ДБ измеряемого расстояния при заданной точности оценки фазы 8ф определяется как:

ДБ = 8фХ/2п, (1)

где X — длина волны сигнала радиомаяка.

Предполагается, что синхронизация радиомаяков и приемника производится с помощью оптоволоконного канала связи. Структурная схема радиотехнической измерительной системы створа приведена на рис. 1.

30

Эепвогв & Эувгетв • № 3.2012

Рис. 1. Структурная схема радиотехнической измерительной системы створа:

1 — верхняя кромка плотины ГЭС; 2 — берега, 3 — радиомаяки; 4 — приемная антенна радиодальномера; 5 — приемник; 6 — блок измерения разности фаз; 7 — опорный генератор; 8 — блок управления и вычисления; 9 — кабель связи

1 2

Ах /4 5 ¿2

шшшшшшшшшшшшшшшшшшшшш

г

Рис. 2. Схема трассы распространения радиоволн

Таким образом, через измерение приращения фазы может быть осуществлен мониторинг геометрической формы не только плотин, но и других крупных строительных сооружений.

Приведем обоснование выбора параметров измерительной системы.

Для однозначности измерений разности фаз в пределах полуцикла рабочей частоты необходимо, чтобы длина волны сигнала радиомаяка превышала двойное максимальное отклонение центра плотины ГЭС от начального положения. Допускается, что двойное максимальное отклонение центра плотины ГЭС от начального положения может быть равным 100 мм, тогда минимальная требуемая длина волны сигнала радиомаяка X составит 100 мм.

Исходя из требований по точности измерения геометрической формы плотины в 1 мм, достигаемых оптическим способом, и используя формулу (1), получаем необходимую точность фазовых измерений 8ф я 3,6°. Имеющийся опыт разработки высокоточных цифровых фазометров [5] показывает, что потенциально достижимая точность измерений по фазе в дальномерных системах может достигать аф = 0,03°, что подтверждает использование радиотехнического метода для измерения геометрической формы.

Одним из возмущающих факторов, снижающих точность измерения, является неконтролируемое переотражение радиосигнала от местных предметов. На рис. 2 изображена трасса распространения радиоволны от радиомаяка, находящегося в верхней точке плотины 1 на высоте Й1, к приемнику, расположенному в точке 2 на

расстоянии г с высотой ^ положения над уровнем местности. В точку приема 2 радиосигнал приходит прямым лучом 3 и отраженным 4 от поверхности земли в точке 5.

Поскольку отраженный сигнал проходит расстояние + ¿2 > г, то в точку приема он приходит с некоторым запаздыванием по времени я (¿1 + ¿2 — г)/с,

где с я 3-108 м/с — скорость распространения радиоволн. Для исключения наложения прямого и отраженного сигналов необходимо использовать в передатчике радиомаяка импульсную модуляцию с длительностью импульса ти не более, чем ¿¿/2.

Дадим численную оценку длительности импульса ти излучения радиомаяка для двух возможных расстояний: Г1 = 1000 и г2 = 3000 м. Данные расстояния соответствуют опорным точкам, находящимся за воронкой оседания. Будем считать, что высоты постановки радиомаяков и наземного приемника соответственно равны: = 240 м и ^ = 10 м. Согласно [6] разность хода прямого и отраженного лучей определяется через высоты положения передающей к1 и приемной антенны как: А го я 2А1^2/г. Из геометрических построений,

приведенных на рис. 2, находим, что ¿1 = ^к^ + г2/4 и

¿2 = /¡к?), + г2/4 . Таким образом, требуемая длительность импульса излучения для разрешения относительно отраженного луча составит ти1 = 16 нс для Г1 = 1000 м и ти2 = 5 нс для Г2 = 3000 м. В этом случае полосы пропускания приемника должна быть не менее: А/1 = 62,5 МГц и А/2 = 200 МГц.

На основании уравнения дальности [6] для радиоканала без учета потерь на трассе распространения и после введения требуемого отношения сигнал/шум на входе приемника: # = Иу/Рпр/Рш (где РПр — мощность полезного сигнала на входе приемника; и у — число периодов

усреднения (накопления) сигнала; Рш = кТ]0 А/ — мощность теплового шума, здесь к = 1,38-10-23 Вт/(К-Гц) — постоянная Больцмана, Т0 = 273° + г0 я 293°, г0 = 20° —

температура входных цепей приемника в градусах Цельсия, А/ — полоса пропускания приемника в герцах) импульсную мощность радиомаяка можно оценить как

Рп *

4пг2кТ/0А/д П пП пр и Т,

(2)

где 0 — коэффициент направленного действия (КНД) передающей антенны; £Пр — эффективная площадь антенны приемника; пп, ППр — соответственно КПД передающего тракта и коэффициент передачи приемного фидера.

КНД передающей антенны определим по известной формуле для зеркальных антенн через длину волны X и ее эффективную площадь £п: 0 = 4и£п/Х2. Выбор £п определяется двумя факторами: максимально возмож-

ным размером для ее установки на верхней кромке плотины ГЭС и дополнительной пространственной избирательностью для снижения уровня боковых лепестков, формирующих паразитные сигналы отражения от конструкций плотины ГЭС и земной поверхности. В первом приближении ограничимся диаметром зеркала антенны радиомаяка, равным йд = 0,1 м,

2 2 т. е. £п = йА/4 = 0,0025 м2. В этом случае КНД антенны

для X = 0,1 м составит 0 я 3,14.

Чтобы ввести в выражение (2) число накоплений Иу, определим период повторения сигналов из условия Т > 3?з, где = 2г/с — время запаздывания радиосигнала на расстоянии г. Здесь коэффициент 2 учитывает запаздывание сигнала синхронизации, передаваемой по проводному каналу. Для г = 3000 м, следовательно: Т = 60 мкс, т. е. частота повторения сигналов будет равна И = 1/Т я 17 кГц. При времени накопления 1 с величина Иу = 17-103.

Отношение сигнал/шум определяется необходимой точностью фазового метода измерения дальности [7], т. е. аф = 2n/q. Для аф = 0,03°, отношение q я 12-103. Остальные величины в (2) примем следующими: Д/ = 200 МГц, ^Пр = 1 м2; пп = Ппр = 0,5. Таким образом, требуемая мощность радиомаяка должна быть Рп > 80 мкВт.

Небольшая требуемая мощность радиомаяка, имеющего максимальное удаление от опорной точки, создает резерв для варьирования эффективными площадями антенн в сторону их уменьшения, что позволяет улучшить условия их установки на объекте и снизить ветровую нагрузку.

Далее учтем влияние атмосферных условий на погрешность измерения дальности.

Состояние атмосферы влияет на угол рефракции, на появление эффекта поглощения энергии сигнала и изменение скорости распространения радиоволн (РРВ). При измерении разности фаз основное влияние на результат будет оказывать изменение скорости РРВ, учитываемое через коэффициент преломления И. В расчетах используется обычно индекс рефракции N = (и — 1)-106. Как индекс рефракции, так и коэффициент преломления зависят от метеопараметров трассы РРВ, температуры, давления и влажности. Для спектра радиочастот [8] индекс рефракции равен: N = К\р/ Т + К2е/ Т2, где Т — температура атмосферы, К; р — полное атмосферное давление, мбар; е — парциальное давление водяного пара, мбар; коэффициенты К = 77,6 К/мб

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»