Устройство подземной беспроводной аварийно-технологической связи
APPARATUS FOR UNDERGROUND WIRELESS EMERGENCY ENGINEERING COMMUNICATION

Заявляемое изобретение относится к системам беспроводной связи, устанавливаемым и предназначенным для функционирования в подземных шахтных выработках, включая аварийную сигнализацию.
Известно устройство беспроводной аварийно-технологической сигнализации и связи с подземными выработками (патент РФ 2131515, опубликовано 10.06.1999), содержащее установленный на поверхности земли передающий комплект, состоящий из последовательно соединенных опорного генератора, делителя частоты, усилителя мощности и систем антенн с заземлителями, и пульта управления режимами работы, соединенного с выходом опорного генератора через формирователь кодовой последовательности, выходы пульта управления подключены ко вторым входам делителя частоты и усилителя мощности, и расположенный в подземных выработках приемный комплект, содержащий антенну, подключенную к входу избирательного усилителя, выход которого соединен с входами двух параллельно включенных смесителей частоты, второй вход первого смесителя соединен с выходом гетеродина непосредственно, а второй вход второго смесителя частоты соединен с гетеродином через фазовращатель, выходы каждого смесителя частоты через последовательно соединенные фильтр нижних частот и пороговый элемент подключены к входу фазового детектора, выход которого соединен с входом дешифратора команд. Устройство снабжено последовательно соединенным преобразователем речи, низкочастотным усилителем и громкоговорителем, причем вход преобразователя речи подключен к выходу дешифратора команд.
Недостатком известного устройства, является низкая надежность связи с подземными выработками, вследствие затухания сигнала из-за экранирования сигнала горными породами.
Наиболее близким из известных, является устройство беспроводной подземной аварийной сигнализации и контроля объемной доли метана в атмосфере горных выработок (патент РФ 32196, опубликован 10.09.2003), содержащее установленный на дневной поверхности шахты передающий комплект, состоящий из блока формирования и подачи аварийно-вызывного сигнала, передатчика и подключенной к нему передающей антенны с заземлителями на ее концах и расположенные в подземных выработках приемные комплекты, каждый из которых состоит из приемной антенны, подключенной через усилитель к блоку обработки сигналов, включающего в себя избирательный усилитель, дешифратор, преобразователь речи, низкочастотный усилитель и громкоговоритель. Каждое приемное устройство дополнено переносным шахтным сигнализатором метана, содержащим датчик метана, соединенный с блоком сигнализации и измерителем концентрации метана.
Тем не менее, недостатком известного способа, также является низкая надежность связи с подземными выработками, вследствие затухания сигнала из-за экранирования сигнала горными породами.
Целью заявляемого изобретения является устранение выявленного недостатка, для достижения следующего технического результата: повышение надежности беспроводной аварийно-технологической связи, повышение эффективности передачи электромагнитных волн, в том числе, в подземных выработках.
Поставленная цель достигается следующим образом: устройство подземной беспроводной аварийно-технологической связи, содержащее установленный на поверхности земли передающий комплект, состоящий из последовательно соединенных опорного генератора, делителя частоты, усилителя мощности и систем антенн с глубинными заземлителями, и пульта управления режимами работы, соединенного с выходом опорного генератора через формирователь кодовой последовательности, выходы пульта управления подключены ко вторым входам делителя частоты и усилителя мощности, и расположенный в подземных выработках приемный комплект, содержащий антенну, подключенную к входу избирательного усилителя, выход которого соединен с входами двух параллельно включенных смесителей частоты, второй вход первого смесителя соединен с выходом гетеродина непосредственно, а второй вход второго смесителя частоты соединен с гетеродином через фазовращатель, выходы каждого смесителя частоты через последовательно соединенные фильтр нижних частот и пороговый элемент подключены к входу фазового детектора, выход которого соединен с входом дешифратора команд, который, через преобразователь речи и далее через низкочастотный усилитель подключен к громкоговорителю, характеризующееся тем, что антенны передающего комплекта дополнены вертикальными лучами, располагаемыми в скважинных отверстиях, а глубинные заземлители имеют более одной точки соединения с грунтом, при этом каждая точка имеет вывод на поверхность из скважииного отверстия.
Устройство подземной беспроводной аварийно-технологической связи, в частности может характеризоваться тем, что расстояние между скважинными отверстиями составляет от 300 до 600 м.
Устройство подземной беспроводной аварийно-технологической связи, в частности может характеризоваться тем, что вертикальные лучи заглублены в скважины на глубину от 30 до 1000 м.
Устройство подземной беспроводной аварийно-технологической связи, в частности может характеризоваться тем, что приемный комплект дополнительно содержит антенну низкочастотного диапазона.
Устройство подземной беспроводной аварийно-технологической связи, в частности может характеризоваться тем, что приемный комплект дополнительно снабжен RFID меткой.
На Фиг. 1 Представлена блок-схема передающего наземного комплекта, на Фиг. 2 представлена блок-схема приемного подземного комплекта, устройства подземной беспроводной аварийно-технологической связи, где цифрами обозначено следующее:
1. Опорный генератор;
2. Делитель частоты;
3. Усилитель мощности;
4. Наземная передающая антенна;
5. Заземлитель;
6. Пульт управления;
7. Формирователь кодовой последовательности;
8. Подземная приемная антенна;
9. Избирательный усилитель;
10. Смеситель 1;
11. Смеситель 2;
12. Гетеродин;
13. Фазовращатель;
14. Фильтр 1;
15. Фильтр 2;
16. Пороговый элемент 1;
17. Пороговый элемент 2;
18. Фазовый детектор;
19. Дешифратор команд;
20. Преобразователь речи;
21. Усилитель;
22. Громкоговоритель;
23. Телеуправление;
24. Радиомаяк шахтерский;
25. Пеленгатор шахтный;
26. RFID-считыватель.
Представленное устройство подземной беспроводной аварийно-технологической связи устроено следующим образом
Передающий комплект состоит из последовательно соединенных опорного генератора (1), делителя с переменным коэффициентом деления (2), усилителя мощности (3), антенны (4) и заземлителей (5), а также пульта управления (6), первый выход которого соединен с делителем (2), а второй с усилителем мощности. При этом выход опорного генератора соединен с входом пульта управления через формирователь кодовой последовательности (7).
Приемный комплект содержит антенну (8), подключенную к входу избирательного усилителя (9), выход которого соединен с входом двух, параллельно подключенных смесителей частоты (10), (11). Второй вход первого смесителя (10) соединен с выходом гетеродина (12) непосредственно, а второй вход второго смесителя (11) соединен с гетеродином (12) через фазовращатель (13). При этом выходы обоих смесителей через фильтры нижних частот (14), (15) и далее последовательно через пороговые элементы (16), (17) подключены к двум входам фазового детектора (18). Выход фазового детектора подключен к входу дешифратора команд (19), который, в свою очередь, через преобразователь речи (20) и далее через низкочастотный усилитель (21) подключен к громкоговорителю (22). Дополнительно устройство снабжено телеуправлением (23), радиомаяком шахтерским (24), мобильным поисковым шахтным пеленгатором (25), RFID-считывателем (26), но не ограничивается именно этими блоками, а может содержать другие, им подобные.
Представленное устройство подземной беспроводной аварийно-технологической связи действует следующим образом
При наборе необходимой последовательности кнопок пульта управления (6) (клавиатура на Фиг. не показана), формирователь (7) формирует соответствующую кодовую последовательность из сигнала, поступающего с опорного генератора (1). По окончании набора, сигнал с формирователя (7) поступает на вход пульта управления (6) и далее на управляющий вход делителя (2). Одновременно на другой его вход поступает сигнал с опорного генератора (1). В делителе (2), в зависимости от кодовой последовательности, поступающей с формирователя (7) через пульт управления (6), формируется частотно-манипулированный сигнал. Далее сигнал усиливается усилителем мощности (3), и антеннами (4), через заземлители (5), излучается в горный массив.
Электромагнитные сигналы, распространяющиеся через горный массив, принимаются приемным комплектом, в частности его антенной (8), преобразуются в электрические, усиливаются широкополосным избирательным усилителем (9) и далее подаются на первые входы смесителей (10), (11), на вторые входы которых подаются сигналы с гетеродина (12) непосредственно на смеситель (10) и, через цифровой фазовращатель (13), на смеситель (11). На выходах смесителей (10), (11) появляются гармонические колебания разностной частоты, причем эти сигналы сдвинуты друг относительно друга на 90°.
Оба полученных сигнала проходят через фильтры нижних частот (14), (15) и подаются на пороговые элементы (16), (17). Далее, через фазовый детектор (18), где формируется цифровой сигнал, соответствующий передаваемой информации, сигнал передается на дешифратор (19), где формируются соответствующие передаваемые сигналы аварии, вызова или необходимые технологические сигналы. После дешифратора (19) сигналы поступают на преобразователь (20), затем пройдя через низкочастотный усилитель (21), воспроизводятся громкоговорителем (22); дополнительный радиомаяк шахтерский (24), мобильный поисковый шахтный пеленгатор (25) и стационарный RFID-считыватель (26) позволяют вести наблюдение и поиск людей, застигнутых аварией, на глубину до 2 км, сквозь горный массив, независимо от проводимости пород. Модуль считывателя RFID может обеспечивать дополнительный канал для повышения надежности установления беспроводной связи. Также, приемный комплект может дополнительно располагать антенной низкочастотного диапазона длин волн. Низкочастотный диапазон обеспечивает лучшую передачу сигнала, поскольку высокочастотные радиоволны легко поглощаются породой, не обеспечивая должного уровня связи. Устройство подземной беспроводной аварийно-технологической связи, в частности может характеризоваться тем, что приемный комплект дополнительно снабжен RFID меткой.
Надежность и эффективность передачи электромагнитных волн в беспроводной системе связи, во многом зависит от передающей антенны. Основным критерием, определяющим эффективность передающей антенны, является, в конечном счете, уровень напряженности поля полезного сигнала, возбуждаемого антенной в заданной точке приема при заданной величине мощности передатчика. С увеличением дальности связи в глубь земли до 2 км частота передачи смещается в диапазон сверхнизких и звуковых частот.
Для передачи сигналов с дневной поверхности в подземные выработки на практике широкое применение нашли поверхностные антенные устройства в виде заземленного горизонтального диполя. Сопротивление заземлителей электрического диполя шунтирует входную емкость антенны и его полное входное сопротивление приобретает в основном активный характер, что положительно сказывается на повышение эффективности излучателя.
Расчетный радиус действия беспроводной связи, обеспечивающий передачу сигналов с дневной поверхности в горные выработки, определяется двумя параметрами, а именно: максимальной глубиной выработок и максимальным радиусом или площадью шахтного поля. Поэтому при выборе антенных устройств для систем шахтной связи предпочтение должно быть отдано антенным устройствам, которые при заданной дальности по глубине обеспечивают дальность связи в радиальном направлении.
Обеспечение дальности связи по глубине и простиранию шахты с помощью электрических диполей, заземленных на поверхности, может быть достигнуто лишь увеличением линейных размеров горизонтальных электрических диполей и мощности излучателя, а при наличии высокопроводящих верхних слоев горных пород, экранирующие рабочие подземные выработки, - передача сигналов в заданные точки может оказаться практически невыполнимой.
Уровень напряженности поля полезного сигнала, возбуждаемый горизонтальным диполем, заземленным на поверхности земли, проникает в глубь горной породы до 1000 м. При наличии в верхних слоях земли высокопроводящих пород, глубина проникновения электромагнитного поля вследствие поглощения уменьшается в несколько раз.
Для решения поставленной задачи повышения эффективности передачи электромагнитных волн и увеличения надежности осуществления связи с внутришахтными выработками, антенну выполняют в виде вертикальных лучей, которые устанавливают в специально пробуренных для этого скважинах. При поверхностно-скважинном исполнении антенн, заземленных на дне скважины, антенна представляет собой замкнутую рамку, где источником возбуждения электромагнитного поля служит электрический проводник и высокопроводящие слои породы, которые залегают на определенной глубине под землей. Вертикальные лучи могут быть заглублены в скважины на глубину до 1000 м, что обеспечивает высокий уровень напряженности электромагнитного поля на глубине и, соответственно, стабильность связи в внутришахтных выработках. Кроме того, отсекается множество паразитных сигналов, распространяемых в околоназемном слое и создающих помехи при передаче и приеме любых наземных радиоволн. Возникающие из-за зашумленности радиоэфира помехи, создающие фоновое радиоизлучение, влияют на передаваемый вглубь сигнал передатчика. Вследствие этого, падает помехозащищенность. Поскольку основное фоновое излучение распространяется около земной поверхности, то с заглублением антенн, от 30 метров, получается возможность отсекать паразитное излучение.
В горизонтальной плоскости расстояние между скважинными отверстиями может составлять от 300 до 600 м, что также позволяет поддерживать напряженность электромагнитного поля заданного уровня на территории площади, занимаемой шахтой, для обеспечения стабильность связи.
Глубинные заземлители могут иметь несколько (от двух и более) точек соединения с грунтом, каждая точка имеет свой вывод на поверхность для настройки передающего устройства с антенной по максимуму напряженности электромагнитного поля.
Таким образом, при использовании антенны с вертикальными лучами и глубинными заземлителями, расположенными в скважинах, решается проблема распространения электромагнитного поля на глубины до 2000 м при использовании передатчика с меньшей мощностью излучения, вследствие чего достигается заявленный технический результат - повышение надежности беспроводной аварийно-технологической связи, повышение эффективности передачи электромагнитных волн, в том числе, в подземных выработках.
Промышленная применимость.
Заявляемое устройство беспроводной аварийно-технологической связи находит широкое применение при построении подземных сетей связи. Изготавливается преимущественно на научно-технических предприятиях радиоэлектронной промышленности.