Мобильная система подземной связи

Мобильная система подземной связи, относится к области электротехники и может быть использована для организации подземной связи. Достигаемым техническим результатом является увеличение дальности подземной связи между подвижными абонентами за счет того, что в носимые малогабаритные абонентские радиостанции введены магнитные антенны, работающие в диапазоне низких частот порядка 100-300 кГц. 1 ил.

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.

Компонента поля Н, возбуждаемая магнитным диполем в безграничной среде, определяется выражением:

где - М_o=I _oS_n - магнитный момент диполя (рамки);

- I_o - ток в рамке;

- S - площадь рамки;

- n - число витков в рамке;

- k - волновое число в среде;

- R - расстояние до точки наблюдения;

- - 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 - - размер скин-слоя в среде, определяемый формулой:

Введем безразмерное расстояние

функции

и будем рассматривать направление, соответствующие максимуму поля, т.е. положим sin=1. Тогда с учетом (3) выражение (1) примет вид:

Обозначим через h требуемое отношение сигнал/шум в точке приема по напряженности поля, а через f - эффективную полосу пропускания приемного устройства. Тогда можно записать уравнение предельного приема:

т.е. уравнение, позволяющее определить, например, требуемый магнитный момент для передачи сигналов с заданным качеством на заданное расстояние. В этом уравнении H_n1 (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).

Индуктивность L ₁ такой катушки вычисляется по формулам:

где - _o=410^-7 Гн/м - магнитная проницаемость свободного пространства. (Считаем, что антенна находится в воздухе).

В формулах (11-12), считается, что витки уложены абсолютно плотно, поэтому радиус . Для учета конкретной конструкции катушки вводят поправку на изоляцию ₁L. 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:

и не зависит от числа витков, поскольку в соответствии с формулой I_o1/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:

Таким образом, приемлемой является антенна из 40 витков провода поперечного сечения 0,5 мм² 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:

При той же массе материала в полтора раза больший магнитный момент (около 6 А м²) 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:

где H_a=Н _aoexp(-i###U118t) - поле, падающее на антенну.

Из выражения (17) следует, что чувствительность антенны H _an1 (ее собственные шумы по магнитному полю), выраженная в А/м Гц, определяется выражением

где учтено число витков антенны n, a E _an1 - чувствительность входных цепей приемника, выраженная в В/м.

Чувствительность входных цепей приемника E _an1 задавалась равной 10 нВ/Гц, что соответствует чувствительности радиовещательных приемников длинноволнового диапазона. Кривая собственных шумов в (18) аппроксимируется выражением

с параметрами f=100 кГц; ; =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 f=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

Требуемые моменты _o составляют единицы и даже доли А м², 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.

Мобильная система подземной связи, состоящая из пульта оператора, приемопередатчиков, устройства документирования, подключенного к пульту управления оператора, к которому подключена и автоматическая телефонная станция, а также носимые малогабаритные абонентские радиостанции, отличающаяся тем, что в носимые малогабаритные абонентские радиостанции введены магнитные передающие антенны, реализуемые с помощью малогабаритных рамок, в диапазоне частот 100-300 кГц, при этом магнитная антенна выполнена в виде катушки индуктивности круглого сечения, на которой уложено порядка 40 витков провода поперечного сечения диаметром 0,5 мм ² и длиной 25 м, причем активное сопротивление которого составляет 1 Ом, индуктивность 1 мГн, а ток в антенне порядка 3 А.