МОБИЛЬНАЯ СИСТЕМА ПОДЗЕМНОЙ СВЯЗИ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для организации подземной радиосвязи между шахтерами (в первую очередь в условиях аварийных ситуаций в шахте).
Развитие подземных горных технологий, освоение месторождений полезных ископаемых на морском шельфе требует надежных средств связи, и радиосвязь в этом случае позволяет обеспечить оперативное управление подземными подвижными объектами и аварийное оповещение горняков.
Использование радиосвязи незаменимо при проведении горноспасательных работ, при дистанционном управлении подземными подвижными машинами.
В энергетическом отношении наиболее эффективными являются электрические передающие антенны.
Однако для связи в проводящих средах необходимо использовать радиоволны достаточно низких частот, которые обладают меньшим затуханием. На таких частотах создать настроенный, открытый вибратор невозможно. Использовать же электрические вибраторы с заземлителями для мобильной связи нереально по эксплуатационным соображениям.
Известна система радиосвязи с помощью релейных приемопередатчиков, устанавливаемых через каждые 300 м. Система обеспечивает оперативную речевую связь с операторами буровых кареток, подвижно-транспортных механизмов и шахтерами [Коренборг Е.Б., Волохов М.И., Токомагамбатов А.Ш. Шахтная связь по трубопроводам. - Алма-Ата: Наука, 1986, 150 с].
Известен комплекс рудничной связи «Минерал» [Саломатов В.П. Комплекс средств подземной высокочастотной речевой связи и оповещения «Минерал».: техническая информация №368-86 / Краснодар, ЦНТИ, 1986].
Комплекс имеет наземный пункт управления «Минерал-1», подключенный кабелем к шести подземным приемопередатчикам «Минерал-2». Последние подключаются к производственным направляющим; для связи с электроводными станциями - к контактной сети; для связи с носимыми радиостанциями «Минерал-5» - к телефонным кабелям или специальным направляющим в виде одиночного провода, подключаемого в горной выработке. Для локальной связи на участках горных работ используются радиостанции «Минерал-5», которые работают по производственным направляющим при непосредственном приближении электрических передающих антенн к телефонным и электрокабелям, к трубопроводам.
Такой комплекс сочетает централизованную структуру связи между диспетчером (центром) «Минерал-1» и абонентами «Минерал-5» и связь каждого с каждым между абонентами с радиостанциями «Минерал-5».
Недостатком прототипа является то, что, если информационные требования могут быть в определенной степени удовлетворены применением на разных участках рудника нескольких комплексов «Минерал» (что увеличит число обслуживающих абонентов), то открытым остается вопрос использования комплекса для зон без направляющих. В этих зонах работают комплексы самоходного оборудования и радиостанции должны находиться у операторов самоходных машин. При этом дальности связи для радиостанций «Минерал-5» резко падают при удалении передающей антенны радиостанции на несколько десятков сантиметров от направляющей.
Целью полезной модели является увеличение дальности подземной связи между подвижными абонентами.
Поставленная цель достигается тем, что в систему, состоящую из пульта оператора, приемопередатчиков, устройства документирования, подключенное к пульту оператора, к которому подключена АТС, а также носимых малогабаритных абонентских радиостанций, в носимые малогабаритные абонентские радиостанции введены магнитные приемопередающие антенны, реализуемые с помощью малогабаритных рамок в
диапазоне 100-300 кГц, при этом антенна выполнена в виде катушки индуктивности круглого сечения, на которой уложено порядка 40 витков провода поперечного сечения диаметром 0,5 мм и длиной 25 м, активное сопротивление которой составляет 1 Ом, индуктивность 1 мГн, а ток в антенне порядка 3 А.
Блок-схема системы приведена на фиг.Она содержит:
- пульт оператора 1;
- приемопередатчики 2;
- носимые малогабаритные абонентские радиостанции 3;
- усилитель мощности 4;
- устройство документирования 5;
- автоматическая телефонная станция 6.
Пульт оператора 1 обеспечивает обработку радиосигналов (управляет процессами первоначального управления вызова и передачи вызова между приемопередатчиками 2, а также соединение между приемопередатчиками и АТС 6). Кроме того, пульт оператора управляет процессами изменения конфигурации и диагностирования (поиск неисправностей) системы. Для управления, конфигурирования и вывода статистики о работающих в сети абонентах в блоке пульта имеется разъем для подключения компьютера и принтера.
Приемопередатчики 2 обеспечивают связь между пультом оператора 1 и носимыми малогабаритными абонентскими радиостанциями 3. Приемопередатчики 2 устанавливаются, как правило, на подвижных транспортных механизмах.
Носимые малогабаритные абонентские радиостанции 3 представляют собой маломощные портативные радиостанции, размещаемые в кармане спецодежды шахтеров. Радиостанции работают в диапазоне низких частот, порядка 100-300 кГц.
Усилитель мощности 4 используется в аварийных случаях для усиления мощности портативных носимых радиостанций (в случае оповещения).
Устройство документирования информации 5 предназначено для документирования подземных переговоров шахтеров.
Штатная АТС 6 предназначена для обеспечения повседневной внутренней и внешней телефонной связи.
Рассмотрим возможность осуществления мобильной подземной связи на основе предложенной магнитной приемо-передающей антенны в диапазоне волн 100-300 кГц, реализуемой с помощью малогабаритной рамки, выполненной в виде катушки индуктивности круглого сечения.
Θ
Компонента поля Н, возбуждаемая магнитным диполем в безграничной среде, определяется выражением:
o
o
n
где - М=IS - магнитный момент диполя (рамки);
o
- I - ток в рамке;
- S - площадь рамки;
- n - число витков в рамке;
- k - волновое число в среде;
- R - расстояние до точки наблюдения;
- Θ - угол между осью диполя и направление на точку наблюдения.
Нетрудно убедиться, что для частот f<300 кГц при проводимости среды G>0,001 См/м:
Неравенство (2) означает, что токами смещения в среде можно пренебрегать по сравнению с токами проводимости.
При выполнении неравенства (2)
где - δ - размер скин-слоя в среде, определяемый формулой:
Введем безразмерное расстояние
функции
и будем рассматривать направление, соответствующие максимуму поля, т.е. положим sinΘ=1. Тогда с учетом (3) выражение (1) примет вид:
Обозначим через h требуемое отношение сигнал/шум в точке приема по напряженности поля, а через Δf - эффективную полосу пропускания приемного устройства. Тогда можно записать уравнение предельного приема:
n1
т.е. уравнение, позволяющее определить, например, требуемый магнитный момент для передачи сигналов с заданным качеством на заданное расстояние. В этом уравнении H(f) - спектральная плотность напряженности поля шумов, измеряемая в .
Из соотношений (8) и (9) следует выражение для требуемого магнитного момента передающей рамочной антенны
Для оценки условий согласования необходимо вычислить индуктивность антенны. Будем считать, что антенна выполнена в виде катушки кругового сечения (рис.1).
1
Индуктивность L такой катушки вычисляется по формулам:
o
-7
где - μ=4π10 Гн/м - магнитная проницаемость свободного пространства. (Считаем, что антенна находится в воздухе).
1
В формулах (11-12), считается, что витки уложены абсолютно плотно, поэтому радиус . Для учета конкретной конструкции катушки вводят поправку на изоляцию ΔL. При большом коэффициенте заполнения данная поправка имеет вид
где - k - отношение диаметра провода с изоляцией к диаметру голого провода.
С учетом этого индуктивность катушки L составляет
Для оценки влияния ближнего поля передающей антенны на технические средства и человека представляет интерес определить магнитное поле в центре витка. Это поле определяется по формуле:
o
и не зависит от числа витков, поскольку в соответствии с формулой I≈1/n.
Результаты расчетов представлены в таблице 1.
Расчеты выполнены для следующих исходных данных:
Антенна такого радиуса может быть размещена, например, на спине шахтера.
В качестве материала выбрана медь с параметрами:
Таблица 1
n
S, мм<sup>2</sup>
l, м
r, Ом
L, Гн
I<sub>о</sub>, А
10
1,78
6,28
0,062
5,17е-05
12,73
15
1,19
9,42
0,139
1,16е-04
8,49
20
0,89
12,57
0,247
2,06е-04
6,37
25
0,71
15,71
0,386
3,21е-04
5,09
30
0,59
18,85
0,555
4,62е-04
4,24
35
0,51
21,99
0,756
6,28е-04
3,64
40
0,45
25,13
0,987
8,20е-04
3,18
45
0,40
28,27
1,249
1,04е-03
2,83
50
0,36
31,42
1,542
1,28е-03
2,55
55
0,32
34,56
1,866
1,55е-03
2,31
60
0,30
37,70
2,221
1,84е-03
2,12
65
0,27
40,84
2,607
2,16е-03
1,96
70
0,25
43,98
3,023
2,51е-03
1,82
75
0,24
47,12
3,470
2,28е-03
1,70
80
0,22
50,27
3,948
3,28е-03
1,59
2
Таким образом, приемлемой является антенна из 40 витков провода поперечного сечения 0,5 мм длиной 25 м. Такая рамка имеет активное сопротивление примерно 1 Ом, индуктивность 1 мГн. Ток в антенне составляет порядка 3 А.
Магнитный момент такой антенны, вычисленный по формуле
а напряженность поля в центре катушки по формуле (15), составляют:
2
При той же массе материала в полтора раза больший магнитный момент (около 6 А м) может иметь антенна из алюминия с параметрами:
однако такая антенна будет иметь больший объем и худшие эксплуатационные характеристики.
Рассмотренная антенна позволяет передавать речевые сигналы на расстояния до 50-75 м. Оптимальным является диапазон частот 100-300 кГц.
Рассмотрим возможность использования передающей антенны в качестве приемной.
Согласно закону Фарадея э.д.с., наводимая в рамке составляет:
a
ao
где H=Нexp(-i###U118t) - поле, падающее на антенну.
an1
Из выражения (17) следует, что чувствительность антенны H (ее собственные шумы по магнитному полю), выраженная в А/м Гц, определяется выражением
an1
где учтено число витков антенны n, a E - чувствительность входных цепей приемника, выраженная в В/м.
an1
Чувствительность входных цепей приемника E задавалась равной 10 нВ/Гц, что соответствует чувствительности радиовещательных приемников длинноволнового диапазона. Кривая собственных шумов в (18) аппроксимируется выражением
ν
с параметрами f=100 кГц; ; ν=1,0.
Возможность передачи требуемых сигналов связано с полосой передающей антенны.
Оценим эту полосу, исходя из известного выражения
где: Q - добротность (r, L) - цепочки, Х - ее реактивное сопротивление.
Из выражения (19) получим
Из таблицы 1 следует, что для рассматриваемой передающей антенны Δf=200 Гц и слабо зависит от числа ее витков.
Такой полосы недостаточно для передачи исходного речевого сигнала, поэтому требуется преобразование его спектра.
Современные формантные вокодеры обеспечивают сужение ширины полосы пропускания частот до 25-300 Гц по сравнению с 250-3500 Гц в обычной телефонии.
Наибольшая степень сжатия спектра (до 75 Гц) обеспечивает фонемный вокодер, предполагающий использование ограниченного перечня слов, распознавания слова, передачу его кода и последующее восстановление.
Такие преобразования спектра обеспечивают передачу сигнала с помощью эффективных узкополосных антенн и улучшают энергетику канала, поскольку в соответствии с формулой (10), требуемый магнитный момент антенны
o
2
Требуемые моменты μ составляют единицы и даже доли А м, что меньше потенциальных возможностей рассматриваемой антенны.
Произведенные расчеты показывают принципиальную возможность создания средств подземной мобильной радиосвязи, работающих на расстоянии до 100 м в диапазоне 100-300 кГц, при этом аппаратура, т.е. малогабаритные носимые абонентские радиостанции могут быть выполнены в портативном конструктивном исполнении, позволяющим разместить ее в кармане спецодежды шахтеров.