СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ-ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХ ШАХТНОГО СТВОЛА ПО ЛИНИИ СВЯЗИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК B66B5/12 

Изобретение относится к шахтному подъему и может найти применение в аналогичном промышленном подъемно-транспортном оборудовании.

Известен способ, реализованный в устройстве, использующий радиочастотный метод передачи и с движущегося сосуда в условиях шахтного ствола, включающий модуляцию несущего сигнала сигналом от датчика, излучение излученного сигнала, его демодуляцию и измерение [1]. Недостаток известного способа и устройства заключается в нестабильности принимаемого сигнала в условиях шахтного ствола в связи с большим погонным затуханием, требующего использования передатчика повышенной мощности, слабая помехозащищенность, отсутствие проверки, достоверности принятого сигнала. Указанные недостатки не обеспечивают надежность и помехозащищенность передачи-приема информации по всей глубине ствола и ограничивают область применения способа и устройства.

Целью изобретения является повышение надежности процесса передачи-приема информации в условиях шахтного ствола.

Достигается это тем, что аналоговый сигнал от датчика преобразуют в импульсную посылку двоичного кода, снабжают избыточностью, при этом высокочастотный сигнал передатчика модулируют полученным цифровым сигналом и возбуждают в линии связи ТЕМ-волну, и причем после приема, селекции, усиления и демодуляции выделяют кодовую посылку сигнала, проверяют и преобразовывают в аналоговый сигнал.

Предлагаемый способ передачи-приема информации из движущегося сосуда в условиях шахтного ствола отличается от прототипа преобразованием аналогового сигнала от датчика в импульсную посылку двоичного кода, снабжением его избыточностью, возбуждением в линии связи ТЕМ-волны, выделением кодовой посылки, ее проверкой, корректировкой и преобразованием в аналоговый сигнал, что соответствует критерию изобретения "новизна".

Признаки, отличающие предполагаемый способ от прототипа, в источниках информации по данному разделу техники не обнаружены. Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

Сущность способа заключается в следующем: для обеспечения помехозащищенности аналоговый сигнал преобразуют в кодоимпульсную посылку двоичного кода и снабжают избыточностью, после демодуляции выделяют кодовую посылку, проверяют (если она искажена помехой - запрещают использовать) и преобразуют в аналоговый сигнал; для обеспечения надежности высокочастотный кодоимпульсный сигнал передатчика возбуждают, образуя ТЕМ-волну. В этой волне силовые линии напряженности электрического и магнитного полей полностью лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, т.е. электрическое и магнитное поле не имеют продольной составляющей, такую структуру имеет поле двухпроводной линии, в нашем случае образованной подъемными канатами и армировкой ствола. Электромагнитное поле в системе с граничными условиями удобно описать электрическими и магнитными векторами Герца. Напряженность электрического и магнитного полей выражается через и в общем случае следующим образом:
= grad div + k
= -jrot
= jrot [1]
H = grad div + k², где ε_a′ - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды;
μ_a′- абсолютная магнитная проницаемость;
k = - волновое число.

Из несложных математических преобразований и введя условие ограниченности электромагнитного поля поверхностями армировки ствола, убеждаемся, что векторы и имеют лишь по одной компоненте, совпадающей с осью, причем эти компоненты имеют вид волны, распространяющиеся вдоль оси Z. Для положительного направления распространения можно записать:
= П^ee
= П^μe, [2] где и - скалярные функции, зависящие только от поперечных координат;
B_Z - постоянная распространения;
Z_o - орт вдоль оси Z.

Дальнейшее математическое преобразование приводит к формуле:
▿_┴П^eμ+k2o

Отсюда видно, что задача определения магнитного поля в шахтном стволе сводится к решению уравнения (3) в плоской области, представляющей собой поперечное сечение ствола.

Вышеуказанное позволяет сделать вывод о возможности использования линии связи, образованной армировкой ствола и подъемными канатами. Как видно из (3), антенну приемника необходимо располагать на армировке, а передатчика - на подъемном канате.

Возбуждение ТЕМ-волны ведется на частоте 30 мГц. Выбор этой частоты обусловлен рядом факторов:
малым погонным затуханием;
достаточно высокой эффективностью малогабаритной рамочной антенной, это дает возможность генерировать весьма малые мощности порядка 20 - 30 мВт;
ТЕМ-волны в этом диапазоне частот формируются в реальных условиях армировкой ствола и подъемным канатом;
в замкнутом канале связи, не имеющем согласующих устройств на его концах, имеют место "мертвые" зоны, связанные со сложением падающей и отраженных волн. На частотах 30 мГц добротность системы падает, т.е. глубина "мертвых" зон уменьшается практически до нуля, что подтверждается данными экспериментами;
величина "замираний" на 30 мГц составляет 3 - 4 дБ, что объясняется увеличением суммарных потерь на поглощение и рассеяние на концах ствола (на подъемном сосуде и на нижней площадке копра), при этом амплитуда отраженного сигнала уменьшается, что приводит к уменьшению "замираний" за счет образования стоячих волн.

Как показали исследования, с точки зрения таких факторов как "замирания", возможность передачи широкого спектра информационных частот и малой величины промышленных помех оптимальной является область частот вблизи 30 мГц.

Данный способ по сравнению с прототипом обеспечивает значительно более высокую надежность, что видно из экспериментальных диаграмм на фиг. 4 изменения уровня сигнала при движении клети в экспериментальном образце устройства, реализующего заявленный способ.

Известно устройства [1] передачи-приема информации по линии связи, образованной армировкой ствола и подъемным канатом, ограниченной металлическими конструкциями верхней приемной площадки копра и подъемным сосудом, содержащее смонтированное в подъемном сосуде передающее устройство, включающее последовательно связанные между собой датчик, электронный преобразователь, модулятор, передатчик, передающую антенну с кабелем и размещенное в стволе приемное устройство, включающее последовательно связанные между собой приемную антенну, приемник, демодулятор и исполнительное устройство. Недостатком этого устройства является нестабильность принимаемого сигнала в условиях шахтного ствола в связи с большим погонным затуханием, требующая передатчика повышенной мощности, слабая помехозащищенность, отсутствие проверки достоверности принятого сигнала. Указанные недостатки не обеспечивают надежность и помехозащищенность передачи-приема информации по всей глубине ствола и ограничивают область применения устройства.

Целью изобретения является повышение надежности передачи-приема.

Эта цель достигается тем, что в смонтированном на подъемном сосуде передающем устройстве, кроме датчика, модулятора, передатчика, передающей антенны с кабелем размещены аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых импульсов, узел преобразования кода, формирователь синхросигналов, линейный узел, при этом датчик соединен с аналого-цифровым преобразователем, к которому подключен генератор тактовых импульсов, а выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к узлу преобразования кода и формирователю синхросигналов, соединенными через линейный узел с модулятором и далее последовательно с модулятором, кабелем и передающей антенной, приемное устройство размещено в стволе шахты, кроме последовательно соединенных приемной антенны, приемника, демодулятора и исполнительного устройства, содержит линейный узел, узел синхронизации, генератор тактовых импульсов, узел преобразования кода и цифроаналоговый преобразователь, причем выход демодулятора соединен с линейным узлом, выход линейного узла соединен с узлом защиты кода и узлом синхронизации, а генератор тактовых импульсов так же соединен с узлом преобразования кода, выход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к исполнительному устройству.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа наличием аналого-цифрового преобразователя, генератора тактовых импульсов, узла преобразования кода, формирователя синхросигналов, линейным узлом передающей части, линейным узлом, узлом преобразования кода, узлом синхронизации, генератором тактовых импульсов, цифроаналоговым преобразователем в приемной части, при этом в передающей части датчик соединен с аналого-цифровым преобразователем, к которому подключен генератор тактовых импульсов, а выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к узлу преобразования кода и формирователю синхросигналов, соеди- ненными через линейный узел с модулятором в приемной части устройства, выход демодулятора соединен с линейным узлом, выход линейного узла соединен с узлом преобразования кода, выход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к исполнительному устройству, что соответствует критерию изобретения "новизна".

Признаки, отличающие предлагаемое устройство для прототипа, в источниках информации по данному разделу не обнаружены, таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показано расположение устройства в шахтном стволе; на фиг. 2 - структурная схема устройства; на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства в динамике.

Подъемный сосуд 1 с передатчиком 2, находящийся в шахтном стволе 3 и закрепленный на подъемном канате 4 с установленной на нем передающей антенной 5 на расстоянии l = c/2 f (где c - скорость света, f - частота возбуждения ТЕМ-волны) от сосуда 1 и приемной антенны 6, находящейся на расстоянии l = c/2 f (где c - скорость света, f - частота возбуждения ТЕМ-волны) от металлических конструкций 7 верхней части копра, и связанную кабелем 8 с приемником 9. Датчик 10, генератор тактовых импульсов 11, подключенные к аналого-цифровому преобразователю 12, электрически связаны через узел преобразования кода 13 и формирователь синхроимпульсов 14 с линейным узлом 15, который соединен с модулятором 16, который в свою очередь с передатчиком 17, подключенным к передающей антенне 5. Приемная часть устройства включает в себя демодулятор 18, подключенный через линейный узел 19 к узлу синхронизации 20 и к узлу преобразования кода 21, в свою очередь узел синхронизации подключен к генератору тактовых импульсов 22, который связан с узлом преобразования кода 21, электрически соединенного с цифроаналоговым преобразователем 23, подключенного к исполнительному устройству 24.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Аналоговый сигнал от датчика 10, частотой до сотен герц и величиной 1,5 поступает в аналогово-цифровой преобразователь 12, выполненный на микросхемах серии К 155, преобразуют его в параллельный 4-разрядный код стандартной амплитуды с частотой 1000 Гц, определяемой генератором тактовых импульсов 11, выполненного на микросхеме К 155 АГ1. Практикой и анализом заявители пришли к выводу, что для телеметрических целей в условиях шахт необходим и достаточен 2-импульсный код, что позволяет передать числа до 15, что соответствует 1111. С целью сужения полосы пропускания радиочастотного тракта передачи и приема узел преобразования кода 13, выполненный на микросхемах серии К 155, преобразует параллельный двоичный код, поступающий с преобразователя 12 в последовательный. В узел преобразования кода 13 включена микросхема К 155 ИП2 (восьмиразрядная схема для проверки на четность или нечетность суммы единиц), которая в случае четности входного сигнала, поступившего с аналого-цифрового преобразователя 12, добавляет единицу, если сигнал нечетный, ноль. Таким образом формируется пятиразрядный код: четыре разряда несут непосредственную информацию, а пятый разряд является служебным. Сигнал с аналого-цифрового преобразователя 12 поступает также на формирователь синхроимпульсов 14, который управляет прохождением импульсов последовательно двоичного кода через подачу синхроимпульсов на второй вход линейного узла 15, который представляет собой формирователь-усилитель, реализованный на микросхемах К 155. Сформированная на выходе линейного узла 15 кодовая посылка, состоящая из 4-х информационных импульсов и пятого проверочного, поступает в импульсный модулятор 16, собранный по классической схеме, который открывает или закрывает прохождение высокочастотных колебаний передатчика 17 (собранного на ВЧ транзисторах). Задающий генератор передатчика 17 настроен на частоту 30 МГц. В передающей антенне 5 таким образом формируются импульсы кода и синхронизации, заполненные высокочастотными колебаниями 30 МГц несущей частоты передатчика, выходная мощность которого составляет 30 мВт. Передающая и приемная антенны выполнены идентично и представляют собой открытый рамочный автотрансформаторный контур, настроенный на частоту 30 МГц. Контур согласован с выходом передатчика (входом приемника) путем подбора витков. Заявители остановились на следующем варианте, показавшем наилучшие результаты.

Рамочная катушка со сторонами 90х30 мм намотана на жестком каркасе и состоит из 4-х витков провода ПЭВ-2-1,0 с шагом намотки 3 мм. Рамка с подключенным параллельно подстроенным конденсатором заключена в изоляционный корпус с внешними габаритами 140х100х40 мм. Корпус антенны крепится металлическими немагнитными скобами. Имеется возможность подстройки антенны конденсатором через отверстие в корпусе. Высокочастотные колебания, модулированные кодовой посылкой и импульсами синхронизации, принимаются приемной рамочной антенной 6, реагирующей на магнитную составляющую ТЕМ-волны и поступают на вход приемника 9, представляющего собой супергетеродин, выполненной на интегральной микросхеме серии К 237, который имеет чувствительность 300 мкV и полосу пропускания 15 КГц. В приемнике 9 происходит селекция и усиление принятого сигнала, поступающего затем в демодулятор 18, где происходит выделение импульсов кодовой посылки и импульсов синхронизации, которые формируются и усиливаются в линейном узле 19 и поступают в узел синхронизации 20, где происходит выделение синхроимпульсов, поступающих затем в генератор тактовых импульсов 22, выполненный на микросхеме К 155 АГ1, и в узел преобразования кода 21. Выделенная демодулятором 18 и усиленная в линейном узле 19, кодовая пятиразрядная посылка импульсов поступает в узел преобразования кода 21, в состав которого входит микросхема К 155 ИП2, проверяющая пятиразрядную посылку, если сумма единиц первых четырех импульсов посылки четная и пятый импульс единица или если сумма единиц первых четырех импульсов посылки нечетная и пятый импульс ноль, то информация поступает в цифроаналоговый преобразователь 23, который преобразовывает цифровой сигнал в аналоговый, откуда он поступает в исполнительное устройство 24. В случае отрицательного результата узел преобразования кода 21 дает запрет использования данной информации. Большая скорость передачи информации (830 бит/сек) практически не ведет к потере информации, т.к. происходит 90 измерений в секунду. Вышеуказанные узлы 19, 20, 21, 22, 23 реализованы на микросхемах серии К 155.

Для пояснения и наглядности работы устройства в динамике приведены временные диаграммы, фиг. 3. В данном примере сигнал от датчика 10 имел величину 0,7 V. Временные диаграммы даны на выходе указанных блоков. Аналоговый сигнал от датчика 10 имеет в частном случае вид 25а. Теорема Котельнокова показывает, что между передачами дискретного и непрерывного сигнала принципиальной разницы нет, т.е. сигнал можно передать в виде дискретных значений вида 25б, поэтому в качестве примера проследим передачу информации, соответствующей напряжению 0,7 V, что соответствует значению t на виде 25а. Генератор тактовых импульсов 11 генерирует тактовые импульсы с частотой 1000 Гц, вид 26, которые квантуют аналоговый сигнал от датчика 10, что видно на виде 25б. Информация, соответствующая значению t на виде 25б (0,7 V), аналого-цифровым преобразователем 12 преобразуется в параллельный код вида 27, который позволяет существенно сократить время обработки информации. Однако только при последовательном коде числа все его разряды могут быть зафиксированы на одном элементе и переданы по одному каналу информации, что значительно усложняет устройство. Поэтому параллельный код узлом преобразования кода 13 преобразуется в последовательный код вида 28 а, затем снабжается служебным избыточным разрядом в вид 28б, образуя кодовую посылку. Так как значения узловых сигналов элементами цифровых устройств воспринимаются не непрерывно, а в дискретные моменты времени, интервал между которыми называют рабочим циклом (Т цикла), за один рабочий цикл в цифровых устройствах осуществляется одно элементарное преобразование, поступившей на вход кодовой посылки. Дискретизация времени осуществляется формирователем синхроимпульсом 14, вырабатывающем синхроимпульсы вида 29. Линейный узел 15 формирует Т цикла, образованный кодовой посылкой засинхронизированной синхроимпульсами, имеющего вид 30. Импульсный модулятор 16 формирует импульсы вида 31, которые передатчиком 17 преобразуются в вид 32, которые излучаются антенной 5, принимаются антенной 6 и поступают в приемник 9, где селектируются, усиливаются и поступают в демодулятор 18 в виде 33, где происходит выделение импульсов кодовой посылки и импульсов синхронизации в виде 34. Синхроимпульсы вида 36 из узла синхронизации 20 поступают в генератор тактовых импульсов 22, который формирует тактовые импульсы вида 35. Кодовая посылка, выделенная демодулятором 18, усиленная в линейном узле 19 вида 37а, поступает в узел преобразования кода 21, где преобразуется в вид 37б, а затем в виде 38. Сигнал вида 38 поступает на вход цифроаналогового преобразователя 23, который преобразует его в аналоговый сигнал вид 39, который поступает в исполнительное устройство 24.

Взаимосвязь и необходимость вышеперечисленных блоков вытекает из описания устройства, реализующего предлагаемый способ.

Передающая антенна 5 представляет собой малогабаритную прямоугольную рамку, состоящую из четырех витков провода. Длинной стороной рамка крепится к канату с помощью скоб, причем для максимального электрического согласования точка крепления находится на расстоянии l = c/2 f от сосуда, где c - скорость света, а f - частота возбуждения ТЕМ-волны. Параметры рамки - ее индуктивность и емкость выбраны так, что образуют настроенный в резонанс с колебаниями передатчика частотой 30 МГц контур. Таким образом, существенно повышается эффективность малогабаритной антенны и благодаря ее узкополосности подавляются частоты боковых гармоник. Возбуждение рамкой электрических колебаний в линии, образованной армировкой ствола и подъемным канатом, ограниченную металлическими конструкциями верхней приемной площадки копра и подъемным сосудом, способствует образованию ТЕМ-волны, характерной для этого случая. Приемная антенна 6 аналогична передающей. Так как рамочные антенны чувствительны к магнитной составляющей, то их применение в данном случае предпочтительнее. Крепится приемная антенна длинной стороной рамки вдоль ствола шахты на расстоянии l = c/2 f от металлических конструкций верхней приемной площадки копра, где c - скорость света, а f - частота возбуждения ТЕМ-волны.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет реализовать передачу-прием информации посредством модулированного радиосигнала в условиях шахтного ствола, обеспечивая высокую надежность. Как известно, надежностью называется свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Только применение цифровой манипуляции по сравнению с аналоговым сигналом позволяет повысить помехозащищенность минимум на порядок. В нашем случае вероятность ошибочного приема одного отсчета ≈ 10^-6, что подтверждено проведенным экспериментом.

Способ передачи-приема информации в условиях шахтного ствола по линии связи, содержащей подъемный металлический канат, включающий модуляцию несущего сигнала информационным сигналом, возбуждение в линии связи модулированного высокочастотного сигнала, его прием, селекцию и демодуляцию, создание в стволе дополнительной линии связи, причем аналоговый сигнал преобразуют в импульсную посылку двоичного кода, снабжают избыточностью, возбуждают в линии связи модулированную информационным сигналом ТЕН-волну частотой f = 20 МГц, из демодулированного сигнала выделяют кодовую посылку, проверяют ее и преобразуют в аналоговый сигнал. Система содержит подъемный металлический канат, дополнительный металлический проводник, установленный вдоль оси ствола, причем металлические конструкции верхней приемной площадки копра гальванически соединены между собой. Кроме того, содержит датчик (1), два генератора тактовых импульсов (2, 3), узлы преобразования кода (4, 5), формирователь синхроимпульсов (6), узел синхронизации (7), линейные узлы (8, 9), аналого-цифровой преобразователь, модулятор, передатчик, передающую антенну, приемную антенну, приемник, демодулятор, ЦАП, исполнительный элемент. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ передачи-приема информации в условиях шахтного ствола по линии связи, содержащей подъемный металлический канат, включающий модуляцию несущего сигнала информационным сигналом, возбуждение в линии связи модулированного высокочастотного сигнала, его прием, селекцию и демодуляцию, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет использования в качестве несущей волны ТЕМ-волну, в стволе создают дополнительную линию связи, представляющую собой металлический канат, закороченный в нижней и верхней частях ствола, аналоговый информационный сигнал преобразуют в импульсную посылку двоичного кода, снабжают избыточностью, возбуждают в линии связи модулированную информационным цифровым сигналом ТЕМ-волну частотой f = 30 МГц, из демодулированного сигнала выделяют кодовую посылку, проверяют ее и преобразовывают в аналоговый сигнал. 2. Система передачи-приема информации в условиях шахтного ствола по линии связи, представляющей собой подъемный металлический канат, содержащая смонтированное в подъемном сосуде передающее устройство, включающее датчик и модулятор, через передатчик, подключенный к передающей антенне, и размещенные в стволе шахты приемное устройство, включающее приемную антенну, через приемник и демодулятор подключенную к линейному блоку, и исполнительный элемент, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности за счет использования в качестве несущей волны ТЕМ-волны, она снабжена дополнительным металлическим проводником, установленным вдоль оси ствола, металлические конструкции верхней приемной площадки копра гальванически соединены между собой, подъемный сосуд выполнен металлическим, при этом она снабжена двумя генераторами тактовых импульсов, аналого-цифровым преобразователем, двумя узлами преобразования кода, вторым линейным блоком, формирователем синхросигнала, узлом синхронизации и цифроаналоговым преобразователем, причем датчик подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, первый выход которого через первый узел преобразования кода подключен к первому входу второго линейного блока, выход которого подключен к входу модулятора, первый генератор тактовых импульсов подключен к второму входу аналого-цифрового преобразователя, второй выход которого через формирователь синхросигнала подключен к второму входу второго линейного блока, выход демодулятора подключен к входу первого линейного блока, выход которого подключен к первым входам второго преобразователя кода и узла синхронизации, выход которого через второй генератор тактовых импульсов подключен к второму входу второго узла преобразования кода, выход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к исполнительному элементу. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что передатчик настроен на частоту f = 30 МГц. 4. Система по п.2, отличающаяся тем, что приемная и передающая антенны выполнены в виде прямоугольной рамки, причем передающая антенна закреплена на подъемном металлическом канате длинной стороной вдоль его оси на расстоянии l = C/2f (где C - скорость света, f - частота возбуждения ТЕМ-волны) от сосуда, а приемная антенна закреплена на армировке ствола длинной стороной вдоль шахты и на расстоянии l = C/2f от металлических конструкций верхней приемной площадки копра.