АНТЕННАЯ СИСТЕМА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОИСКА ПОСТРАДАВШИХ ПОД ЗАВАЛАМИ
ANTENNA SYSTEM OF EQUIPMENT FOR SEARCH OF INJURED PEOPLE UNDER RUBBLE

Изобретение принадлежит к области антенной техники и к области обеспечения безопасности работ в горной промышленности. Изобретение может быть использовано для более точного определения местоположения рабочего персонала под завалами в шахтах.
х
у
z
х
y
z
x
y
z
В патентах Украины № 90071, опубл. в бюл. № 6 от 25.03.2010; № 90832, опубл. в бюл. № 10 от 25.05.2010; № 91665, опубл. в бюл. № 15 от 10.08.2010 заявлены способы поиска пострадавших под завалами. По этим способам для определения местоположения источника переменного магнитного поля необходимо измерять сразу несколько координатных составляющих напряженности переменного магнитного поля, две или три - Н, Н и Н. Это достигается путем использования в приемнике сразу двух или трех катушек с ферромагнитными сердечниками, оси которых взаимно перпендикулярны и направлены вдоль двух или трех координатных осей декартовой системы координат x, y и z. Две катушки (по патентам № 90071 и № 90832), реагирующие на Н-, H-составляющие напряженности переменного магнитного поля, расположены в горизонтальной плоскости X0Y. Третья катушка (по патенту № 91665), реагирующая на Н-составляющую, размещается перпендикулярно плоскости X0Y. В приемных катушках поискового оборудования наводятся напряжения - U, U, U, создаваемые внешним источником. Для точного определения расстояния до источника приемные катушки должны быть идентичными.
В поисковом оборудовании, использующем амплитудный метод определения координат (патенты № 90071 и № 91665), принятые и одинаково усиленные сигналы переменного тока выпрямляют, и выпрямленное напряжение возводят в квадрат. Затем возведенные в квадрат сигналы (два или три) складывают вместе и из полученной суммы извлекают квадратный корень, в результате чего получают сигнал постоянного тока, уровень которого соответствует максимальному уровню принимаемого низкочастотного сигнала от источника переменного магнитного поля
По полученным двум или трем максимальным сигналам осуществляют триангуляцию объекта поиска.
x
у
В поисковом устройстве, использующем угловой метод определения координат (патент № 90832), получают два сигнала от двух катушек, расположенных в горизонтальной плоскости, продольные оси которых взаимно перпендикулярны - U и U, после чего берут отношение этих сигналов и по полученному тангенсу угла определяют собственно сам угол, после чего решают тригонометрическую задачу и определяют координаты объекта поиска.
В патентах Украины № 90071 и № 90832 заявляемый способ основан на использовании в поисковом устройстве двух катушек с ферромагнитными сердечниками, оси которых взаимно перпендикулярны. В патенте Украины № 91665 заявляемый способ реализуется путем использования в поисковом устройстве трех катушек с ферромагнитным сердечником, оси которых также взаимно перпендикулярны, при этом можно допустить произвольную ориентацию источника переменного магнитного поля - передающей катушки с ферромагнитным сердечником. При этом если по патентам № 90071 и № 91665 небольшое отклонение продольных осей катушек с ферромагнитными сердечниками от осей декартовой системы координат не приводит к большим ошибкам определения расстояния, поскольку используется метод определения расстояния по уровню принимаемого сигнала (амплитудный метод), то по патенту № 90832 любое отклонение продольных осей катушек с ферромагнитными сердечниками от заданной системы координат приводит к существенным ошибкам определения азимутов и дальностей объекта поиска (источника переменного магнитного поля), поскольку используется метод вычисления координат по собственно углам между получаемыми векторами напряженности принятых переменных магнитных полей и некоторым известным направлением, например на Север магнитного поля Земли (угловой метод). При этом если даже угол между одной из осей двух катушек с ферромагнитными сердечниками и некоторым известным направлением, например на Север магнитного поля Земли, определен достаточно точно, но имеет место искажение структуры напряженности магнитного поля в точке приема или имеется некоторая взаимная связь между приемными катушками с ферромагнитными сердечниками, продольные оси которых взаимно перпендикулярны, то неизбежно появление ошибки определения направления вектора напряженности переменного магнитного поля в точке приема, что обуславливает появление соответствующей составляющей ошибки определения координат объекта поиска. Другими словами необходимо исключить любое взаимное влияние приемных катушек друг на друга, при этом сами катушки должны быть полностью идентичны. Взаимная связь между катушками также приводит к появлению ошибки определения координат при использовании амплитудного метода. Величина этой ошибки меньше, чем при использовании углового метода, но все равно она присутствует.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению и прототипом является патент на изобретение Великобритании № 980932.0 от 30.04.1998 "Omnidirectional triple coil antenna and receiver" (Ненаправленная трехкатушечная антенна и приемник). По этому патенту предлагается использовать несколько типов катушек и несколько типов сердечников.
При этом варианты расположения ферромагнитных сердечников и катушек на них, показанные на фиг. 1 и фиг. 3с, не подходят для использования в поисковом оборудовании, реализующем способ поиска пострадавших под завалами по патентам № 90071, № 90832 и № 91665, поскольку катушки и их сердечники расположены асимметрично, что вызывает асимметричное искажение структуры переменного магнитного поля в точке приема и приводит к существенному взаимному влиянию катушек друг на друга.
Использование крестообразного ферромагнитного сердечника с намотанными на его плечи катушками обеспечивает симметричное искажение структуры переменного магнитного поля в точке приема, что дает возможность определения составляющих напряженности в плоскости X0Y. Однако реализация способа намотки катушек, показанного на Fig. 2 и Fig. 3а обуславливает появление сильной емкостной связи между катушками, и, в любом случае, катушки не могут быть абсолютно эквивалентными. Одна, намотанная поверх другой, имеет больший диаметр, соответственно большую индуктивность и соответственно большее наводимое в ней напряжение. К тому же, совершенно непонятным представляется направление продольных осей этих катушек, что является совершенно неприемлемым для реализации способа поиска пострадавших под завалами по патенту № 90832.
x
y
Наиболее подходящим для реализаций способов поиска пострадавших под завалами по патентам № 90071, № 90832 и №9 1665 является расположение ферромагнитных сердечников и катушек на них, показанных на Fig. 3b. При этом катушки разбиваются на два сегмента, расположенные на противоположных плечах крестообразного ферромагнитного сердечника. Такое решение обеспечивает симметричное искажение переменного магнитного поля в точке приема и обеспечивает минимальное влияние друг на друга катушек, продольные оси которых взаимно перпендикулярны. Однако из Fig. 3b видно, что расположенные соосно сегменты обоих катушек S и S намотаны и соединены противофазно. В этом случае наводимое напряжение индукции в сегментах катушек, намотанных на противоположных концах крестообразного сердечника, будет вычитаться. Эффективность использования такой, разбитой на два сегмента, катушки, при условии полной эквивалентности сегментов, равна нулю. Любая неэквивалентность сегментов при этом приводит к неадекватности измерения составляющих напряженности переменного магнитного поля в точке приема.
Другой аспект неэффективности использования крестообразного ферромагнитного сердечника связан со сложностью его изготовления. Известно, что ферромагнитные сердечники изготавливаются путем спекания под давлением ферромагнитного порошка, помещенного в соответствующую форму. Изготовление крестообразной формы и проведение операции спекания порошка в такой форме является дорогостоящим процессом.
В основу изобретения поставлена задача повышения точности измерения двух или трех ортогональных составляющих напряженности переменного магнитного поля в точке приема и упрощения конструкции антенной системы оборудования для поиска пострадавших под завалами.
Поставленная задача достигается тем, что
1. Антенная система оборудования для поиска пострадавших под завалами, содержащая ферромагнитные сердечники, катушки, разбитые на сегменты и намотанные на противоположные плечи ферромагнитного сердечника, отличающаяся тем, что крестообразный ферромагнитный сердечник составлен из пяти частей, одна из которых представляет собой куб из ферромагнитного материала, к четырем противоположным граням которого плотно приставлены или, например, приклеены четыре одинаковых цилиндрических стержня из того же ферромагнитного материала квадратного или круглого сечения определенной длины с ребром квадрата стержня, равном ребру куба или диаметром стержня, равном ребру куба, при этом на цилиндрические стержни намотаны две идентичные катушки, разбитые на два сегмента каждая, при этом сегменты каждой катушки находятся на двух цилиндрических стержнях, примыкающих к двум противоположным граням куба, при этом сегменты каждой из катушек намотаны и соединены синфазно, при этом продольные оси этих двух катушек, состоящих из двух сегментов каждая, взаимно перпендикулярны.
2. Антенная система оборудования для поиска пострадавших под завалами по п. 1, отличающаяся тем, что третья катушка намотана на диэлектрический каркас, например, из пластика в форме, например, квадрата или круга, внутри которого расположена конструкция антенной системы по п. 1, состоящей из четырех цилиндрических стержней с катушками и одного куба, при этом количество витков третьей катушки подбирается таким, чтобы потокосцепление у всех трех катушек было одинаковым.
3. Антенная система оборудования для поиска пострадавших под завалами по п. 1, отличающаяся тем, что ко всем шести граням куба из ферромагнитного материала плотно приставлены или, например, приклеены шесть цилиндрических стержней из того же ферромагнитного материала, на которые намотаны три идентичные катушки, каждая из которых разбита на два сегмента, при этом сегменты каждой катушки находятся на двух цилиндрических стержнях, примыкающих к двум противоположным граням куба, при этом сегменты каждой из катушек намотаны и соединены синфазно, при этом продольные оси всех трех катушек, состоящих из двух сегментов каждая, взаимно перпендикулярны.
Описанные три вида конструкции показаны на фиг. 1, 2 и 3. На рисунках введены следующие обозначения: 1 - куб из ферромагнитного материала, 2 - цилиндрические стержни из ферромагнитного материала, 3 - сегменты катушек, намотанные на цилиндрические стержни из ферромагнитного материала, 4 - третья катушка, намотанная на диэлектрический каркас.
Сравнение предлагаемой антенной системы для использования в оборудовании для поиска пострадавших под завалами с уже известным устройством и прототипом показывает, что заявляемое устройство содержит новые признаки, заключающиеся в следующем.
Во-первых, благодаря синфазной намотке сегментов катушек 3 на сердечник 2 и синфазного соединения выводов сегментов (фиг. 1) достигается высокая чувствительность приемного оборудования, поскольку сигналы обоих сегментов складываются друг с другом синфазно, а не вычитаются друг из друга, как по способу прототипу.
Во-вторых, повышена точность измерения двух или трех ортогональных составляющих напряженности переменного магнитного поля в точке приема, благодаря строгой симметричности конструкции антенной системы, идентичности сердечников 2 и намотанных на них катушек 3, их строго ортогональному расположению. Искажения структуры переменного магнитного поля в точке приема, если и присутствуют, то имеют симметричный характер и дают одинаковый результат, что приводит к формированию адекватных напряжений переменного тока на выводах всех катушек 3 для всех ортогональных составляющих.
В-третьих, взаимное влияние катушек 3 сведено к минимуму и проникновение сигнала, наведенного в одной катушке, в другую практически отсутствует.
В-четвертых, упрощена конструкция за счет того что крестообразный ферромагнитный сердечник составлен из нескольких элементов (пяти или семи), каждый из которых представляет собой стандартную деталь, выпускаемую промышленностью. В этом случае не требуется изготовление специальных форм для спекания под давлением ферромагнитного порошка для получения крестообразного ферромагнитного сердечника. При этом изготовить цельный ферромагнитный сердечник (тройной крест) для реализации антенной системы по п. 3 (фиг. 3) не представляется возможным.
В-пятых, вариант исполнения заявляемой антенной системы по п. 2 (фиг. 2) имеет более компактную конструкцию, так как третья катушка 4 намотана на диэлектрический каркас, находящийся в одной плоскости с первой и второй катушками, при этом уменьшается высота конструкции.
х
y
х
y
z
x
y
z
х
у
z
Главной задачей, решаемой с помощью предлагаемых конструкций антенной системы, является определение координат объекта поиска. Эта задача решается путем определения напряженности магнитного поля в точке приема по двум - Н и H в плоскости X0Y) или по трем координатным составляющим Н, H и Н. Принцип работы антенной системы в трех вариантах исполнения состоит в следующем. В двух или трех катушках (в зависимости от конструкции) наводится напряжение U, U, U, которое абсолютно адекватно значениям напряженности магнитного поля Н, Н и H. Это возможно, благодаря симметричному и взаимно перпендикулярному расположению сердечников и катушек, а также тому, что катушки и сердечники идентичны, так в этом случае в точке приема присутствует симметричное искажение напряженности магнитного поля, при этом исключается влияние катушек друг на друга.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности более точного определения координат объекта поиска (источника переменного магнитного поля). Также простота конструкции, ее относительно малые габариты и вес позволяют использовать заявляемую антенную систему в условиях оперативных мероприятий по поиску пострадавших под завалами в шахтах.
Другой аспект использования изобретения связан с возможностью использования предлагаемой антенной системы по п. 1 в качестве передающей антенны, создающей круговое поле, например, в устройстве активации радиомаяков объектов поиска, описанном в патенте № 93472, опубл в  № 3 от 10.02.2011.