СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК H04B13/00 

Изобретение относится к системам связи, а точнее - к системам передачи информации по линиям связи, в качестве которых используют уже имеющиеся направляющие линии, сооруженные для других назначений, не относящихся к передаче информации, например по канату шахтной подъемной установки, по тросам из скважин, по грозовым тросам, по линиям электропередачи, по магистральному трубопроводу газопровода или нефтепровода. Изобретение может быть использовано для увеличения технико-экономической эффективности системы связи, в которой линией связи является трубопровод газопровода или нефтепровода, с учетом всех компонентов, влияющий на полную стоимость и технические показатели системы связи.

Известны системы передачи информации в системах связи, содержащие преобразователь информационного сигнала в электрический, в котором поступающую от источника информацию, например речевую, телеметрическую, преобразуют в электрический сигнал, устройство ввода сигнала в линию связи, в качестве которой используют коаксиальные магистральные кабели (изобретение СССР 438128, кл. Н 04 В 5/00), линии электропередач внутри шахт (патент СССР 2115239, кл. Н 04 В 5/00), силовые и телефонные кабели, проложенные в шахтах (патент СССР 1548857, кл. Н 04 В 5/00), с преобразованием частоты передачи в промежуточную и восстановлением ее при приеме. Известны линии связи в виде каната шахтного подъемного устройства (патент СССР 661828, кл. Н 04 В 7/00), троса из скважины (патент Англии 2110904, кл. Н 04 В 3/54), грозового троса линий электропередач (патент СССР 488352, кл. Н 04 В 3/54). Система передачи содержит также приемное устройство, усилитель, ретранслятор при необходимости и преобразователь выходного сигнала в удобную для потребителя форму.

Перечисленные системы предназначены для коротких линий связи, преимущественно для передачи ведомственной информации. Аналогичные системы передачи информации, в основном ведомственной, применяются в системах связи, использующих магистральные линии электропередач, в которых сложной задачей является отфильтровка мощного 50-герцового силового сигнала.

Известна система передачи информации (Каяцкис А.А. "Основы радиоэлектроники". М., ВШ, 1988, с.10, 11), признаки которой реализованы, по существу, во всех системах связи, являющаяся аналогом предлагаемому техническому решению. Система передачи содержит функционально последовательно соединенные входной преобразователь информационного сигнала, передающее устройство, включающее кодер при необходимости и передатчик со средством ввода сигнала в линию связи, саму линию связи, средство вывода сигнала из линии связи, приемное устройство, включающее приемник с усилителем, при необходимости декодер, выходной преобразователь.

Недостатком этой системы по сравнению с заявленной является то, что она ориентирована на систему радиосвязи и предусматривает использование в качестве линий связи только пространство между передающей и приемной антеннами, а также проводные (кабельные), волноводные и световодные линии связи. Сооружение и эксплуатация линий большой протяженности является сложной и дорогостоящей задачей.

Наиболее близкой к заявленной системе передачи информации по совокупности признаков и получению требуемых технических результатов является система передачи информации, которая содержит функционального последовательно соединенные входной преобразователь информационного сигнала, передающее устройство, включающее кодер при необходимости и передатчик со средством ввода сигнала в линию связи, выполненную в виде трубопровода, преимущественно газопровода или нефтепровода, соединяющего пункт А ввода сигнала с пунктом Б вывода сигнала и далее с пунктом В при необходимости, средство вывода сигнала из линии связи, приемное устройство, включающее приемник, при необходимости содержащий усилитель с устройством отбора части сигнала на ретранслятор, соединенный с устройством ввода в ту же линию связи в пункте Б ретранслируемого в пункт В сигнала, и декодер при необходимости, выходной преобразователь, предназначенный для представления информации в удобной для потребителя форме (В. Т. Сергованцев. В. А. Артемов. К. А. Конев и др. "Газопровод как канал связи в системах телемеханики". М., Недра, 1984, гл. 1, с.4-7).

В этой системе в качестве линии связи используется цепь труба - земля (двухпроводная линия, одним проводом которой является труба газопровода, покрытая изоляцией, а другим - земля), по которой транспортируют электрический сигнал.

Применение передачи информации с использованием газопроводов, как готовых каналов связи большой протяженности, сеть которых покрывает всю Россию, в том числе северные и горные районы, тундру, болота и т.п., имеет большое значение. Система-прототип предназначена в основном для организации ведомственной централизованной передачи данных, технического обслуживания средств управления и контроля линейной части магистральных газопроводов.

Недостатком известной системы является то, что в ней в качестве линии связи можно использовать только трубопровод подземного заложения, в то время как существуют линии газопровода большой протяженности наземного расположения (в основном в наших северных районах, на Аляске, в пустынях, горах и т.п.), для которых эта система неприменима. Кроме того, нарушение и старение изоляции порождает как утечки тока, так и влияние блуждающих токов на сигнал: сам подземный трубопровод является электрохимической системой, находящейся под действием потенциала катодной защиты и естественного потенциала трубы по отношению к земле, что также усложняет передачу сигнала.

Также известная система пригодна только для передачи сигнала низкочастотного диапазона от 3 до 1000 Гц (в зависимости от состояния изоляции и проводимости грунта для 3 Гц дальность передачи сигнала без ретрансляции составляет 10-60 км, для 1000 Гц - 1-5 км), что существенно ограничивает ее применение.

Сущность изобретения направлена на увеличение технико-экономической эффективности передачи информации при использовании трубопровода газопровода (нефтепровода) в качестве линии связи благодаря возможности передачи сигнала по трубопроводу любого исполнения - подземного, насыпного заложения или подводного и надземного расположения, увеличению дальности передачи без промежуточного усиления сигнала, исключению зависимости качества передачи от состояния изоляции, переходу на более широкий диапазон частот, расширению области применения, расширению арсенала технических средств передачи информации.

Отличительная особенность заявляемого изобретения об прототипа заключается в передаче сигнала информации не по двухпроводной (труба - земля), а по однопроводной линии (труба). В известной системе этого сделать нельзя, т.к. по линии связи передается электрический сигнал. Заявляемая система передачи информации содержит все вышеперечисленные признаки прототипа. Другими существенными, отличительными от прототипа, признаками являются следующие: для линии связи, выполненной в виде ферромагнитного трубопровода, преимущественно газопровода или нефтепровода, между входным преобразователем информационного сигнала и передающим устройством введен функционально с ними связанный преобразователь переменного электрического сигнала в переменный электрический ток, средства ввода сигнала в ферромагнитную линию связи и вывода сигнала из нее выполнены в виде индуктивностей, взаимно индуктивно связанных по этой ферромагнитной линии связи, устройство ввода ретранслируемого сигнала установлено на ферромагнитной линии связи в пункте Б после средства вывода сигнала и выполнено в виде индуктивности с возможностью передачи ретранслированного сигнала по ферромагнитной линии связи в пункт В.

Также обе индуктивности: средства ввода и вывода сигнала и устройство ввода ретранслируемого сигнала выполнены в виде катушек индуктивности, соосно охватывающих трубопровод, плотно прилегающих к нему и электроизолированных от него.

Кроме того, средство ввода сигнала и устройство ввода ретранслируемого сигнала выполнены в виде катушек индуктивности с сердечниками, и сердечники прикреплены торцами к наружной поверхности трубопровода с обеспечением плотного магнитного контакта между торцом сердечника и поверхностью трубопровода, а средство вывода сигнала выполнено в виде катушки индуктивности, соосно охватывающей трубопровод, плотно прилегающей к нему и электроизолированной от него.

Средства ввода и вывода сигнала и устройство ввода ретранслируемого сигнала могут быть выполнены в виде катушек индуктивности с сердечниками. причем все сердечники прикреплены торцами к наружной поверхности трубопровода с обеспечением плотного магнитного контакта между торцом сердечника и поверхностью трубопровода.

Также трубопровод перед средством ввода сигнала и перед устройством ввода ретранслируемого сигнала преднамеренно снабжен неферромагнитными проставками с большим магнитным сопротивлением.

Кроме того, средство ввода сигнала размещено на одной станции перекачки газа или нефти в пункте А, а средства вывода сигнала и ввода ретранслируемого сигнала размещены на другой станции перекачки газа или нефти в пункте Б.

И, наконец, неферромагнитные проставки выполнены в виде проставок между соединительными фланцами трубопровода с перекачивающим агрегатом на станции перекачки газа или нефти.

Ниже изобретение описано более детально, в том числе на примере его осуществления со ссылками на чертежи, иллюстрирующие заявленную систему передачи информации.

На фиг. 1 показана схема системы передачи информации, на фиг.2, 3, 4 - конкретизация некоторых элементов системы передачи, на фиг.5, 6, 7 - результаты измерения передачи сигнала по магнитной цепи в модельном эксперименте.

Система передачи содержит (фиг.1) входной преобразователь 1, преобразователь электрического сигнала в электрический ток 2, передающее устройство 3 с кодером 4 и передатчиком 5, входную индуктивность 6 как средство ввода сигнала в ферромагнитную линию связи в виде стального трубопровода 7, выходную индуктивность 8 как средство вывода сигнала из линии связи, приемное устройство 9, включающее приемник 10, усилитель 11 и декодер 12, выходной преобразователь 13. При необходимости ретрансляции система передачи содержит устройство отбора 14 части сигнала на ретранслятор 15 и устройство ввода ретранслируемого сигнала в виде индуктивности 16 в линию связи 7.

На фиг. 2, 3, 4 показаны различные конкретные варианты исполнения и установки средств ввода информационного и ретранслируемого сигналов и вывода информационного сигнала. Одни и те же элементы на фиг.1-4 обозначаются одной и той же цифрой. В пункте А вводят сигнал информации, а ею вывод и ввод ретранслируемого сигнала производят в пункте Б, затем ретранслируемый сигнал направляют в пункт В.

На фиг. 2 показан вариант, в котором средства ввода сигнала 6 в линию связи 7 и вывода сигнала 8 из нее и устройство ввода ретранслируемого сигнала 16 в линию связи 7 выполнены в виде катушек индуктивности.

На фиг.3 приведен вариант исполнения, в котором средство ввода сигнала 6 и устройство ввода ретранслируемого сигнала 16 выполнены в виде катушек индуктивности с сердечниками, и сердечники прикреплены торцами к наружной поверхности трубопровода с обеспечением плотного магнитного контакта между торцом сердечника и поверхностью трубопровода, а средство вывода сигнала выполнено так же, как и на фиг.2.

На фиг. 4 дан вариант, в котором средства ввода 6 и вывода 8 сигнала и устройство ввода ретранслируемого сигнала 16 выполнены в виде катушек индуктивностей с сердечником, и все сердечники прикреплены торцами к наружной поверхности трубопровода с обеспечением плотного магнитного контакта между торцом сердечника и поверхностью трубопровода.

Система передачи работает следующим образом (фиг.1).

Поступающую от источника информацию, например речевую, преобразуют во входной переменный электрический сигнал во входном преобразователе 1, его кодируют, если это необходимо (кодер 4), затем преобразуют в переменный электрический ток в преобразователе электрического сигнала в электрический ток 2, последний пропускают через передающее устройство 3 с кодером 4 и передатчиком 5. Ввод сигнала в линию связи 7 осуществляют через входную индуктивность 6, в которой создают переменное магнитное поле, пригодное для передачи сигнала по ферромагнитной линии связи - магнитной цени в виде стальной трубы 7. В месте приема сигнала расположена выходная индуктивность 8, на которую воздействуют дошедшим по ферромагнитной линии связи 7 магнитным полем. Обе индуктивности (входная и выходная) взаимно индуктивно связаны через ферромагнитную линию связи. В выходной индуктивности переменное магнитное поле создает переменный электрический сигнал. Затем информационный сигнал выделяют из помех, усиливают, а если сигнал был кодирован, то декодируют в приемном устройстве 9 приемником 10, усилителем 11, декодером 12.

И, наконец, принятый, выделенный из помех и усиленный сигнал преобразуют в выходном преобразователе 13 в переменный выходной сигнал, предназначенный для представления информации в удобной для потребителя форме, и доставляют потребителю.

При необходимости ретрансляции по крайней мере части сигнала его после выделения из помех и усиления отбирают в виде переменного электрического тока через устройство отбора 14 на ретранслятор 15, затем в индуктивности 16 преобразуют в переменное магнитное поле, пригодное для передачи сигнала по ферромагнтной линии связи 7, и далее по ней передают сигнал до следующего места приема сигнала. Таким же образом сигнал ретранслируют необходимое число раз по длине трубопровода.

Ввод информационного сигнала в линию связи и вывод из нее, а также ретрансляцию предпочтительно осуществлять на станции перекачки газа или нефти, где есть и электроснабжение и персонал.

Средства ввода и вывода сигнала и устройство ввода ретранслируемого сигнала в некоторых случаях удобно исполнять и эксплуатировать в виде катушек индуктивности с сердечниками. Одним торцом сердечник прикреплен к трубопроводу.

Вводимый в трубопровод сигнал распространяется от точки ввода в обоих направлениях. Если это нежелательно, то в трубопроводе перед средством ввода сигнала и перед устройством ввода ретранслируемого сигнала преднамеренно (т. е. совмещенно со строительством магистральных трубопроводов) введены неферромагнитные проставки с большим магнитным сопротивлением. Также и с той же целью эти проставки могут быть установлены между соединительными фланцами трубопровода с перекачивающим агрегатом на станции перекачки.

Эквивалентная магнитоэлектрическая схема системы передачи сводится к четырехполюснику-трансформатору - распространенному элементу радиоэлектронных целей (Каяцкис А.А. цит., гл. 7).

Основные принципы работы заявленной системы проверены на экспериментальной модели. На концах стальной трубы длиной 2,5 м, диаметром 60 мм, толщиной ≈4 мм устанавливались одинаковые катушки индуктивности из 14 витков медной проволоки диаметром 2 мм. На входную катушку подавался электрический ток частотой 50 МГц мощностью 10^-5 Вт с выхода генератора анализатора спектра Е4405 В фирмы HEWLETT/PACKARD. Ток с выходной катушки подавался на вход этого же анализатора.

На фиг.5 показана мощность, подаваемая на входную индуктивность, на фиг. 6 - измеренная мощность на выходной индуктивности, расстояние между катушками 120 см, на фиг.7 - то же, расстояние между катушками 250 см.

Передаваемая мощность уменьшается с расстоянием приблизительно пропорционально L^-2, где L - длина линии передачи.

Расчет технико-экономической эффективности заявленной системы связи дает следующее.

Применение уже имеющихся линий связи - трубопроводов газопроводов или нефтепроводов - дает значительную экономию средств при создании систем связи, поскольку отпадает необходимость в сооружении линий связи.

Например, сейчас прокладка 1 км волоконно-оптического (световодного) кабеля стоит 5000 долларов без учета сопутствующего оборудования.

Радиорелейная связь с дальностью действия 40 км обходится в 20000 долларов, стоимость сооружения мачты обходится в 1000 долларов на 1 м высоты, в среднем применяют мачты 30-40 м высоты. Стоимость радиорелейной связи на 100 км составит приблизительно 80000 долларов. Стоимость эксплуатации линий связи составляет 5-10% в год от стоимости сооружения. По сравнению с прототипом заявленная система пригодна для передачи информации не только по трубопроводам подземного заложения, но и для трубопровода надземной, подводной и насыпной установки. На передачу информации не влияет состояние изоляции трубопровода, расширяется диапазон частот передачи.

Пример реализации заявленной системы иллюстрирует система передачи, показанная на фиг.1. Приемопередающий и ретрансляционный комплекты устанавливаются на станциях перекачки газа или нефти, расстояние между которыми составляет 100-130 км. На станции перекачки имеются все возможности по недорогой и надежной эксплуатации приемопередающий станции.

Оценки показывают, что заявляемая система осуществляет передачу информационного сигнала без промежуточного усиления на 100-150 км. Отметим, что современные средства приема позволяют выделять сигналы мощностью 10^-12 Вт.

Таким образом, отличительные признаки заявленной системы обеспечивают появление новых свойств, не достигаемых в прототипе и аналогах, а также расширяют возможности и арсенал технических средств связи.

Изобретение относится к технике связи. Технический результат заключается в возможности передачи информации по трубопроводу подземного заложения и при его надземном расположении. Сущность изобретения заключается в том, что сигнал передают по ферромагнитной линии связи, при передаче воздействуют магнитным полем на ферромагнитную линию связи, в месте приема сигнала воздействуют магнитным полем на выходную индуктивность, взаимно индуктивно связанную с входной индуктивностью, расположенной на передающем конце линии связи. Система содержит входную и выходную индуктивности, взаимно индуктивно связанные по линии связи. 7 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Система передачи информации, содержащая функционально последовательно соединенные входной преобразователь информационного сигнала, передающее устройство, включающее при необходимости кодер и передатчик со средством ввода сигнала в линию связи, в виде трубопровода, приемное устройство, включающее приемник со средством вывода сигнала из линии связи и при необходимости декодер и выходной преобразователь, предназначенный для представления информации в удобной для потребителя форме, отличающаяся тем, что средство ввода сигнала в линию связи передатчика выполнено в виде входной индуктивности, средство вывода сигнала из линии связи приемника выполнено в виде выходной индуктивности, которые взаимно индуктивно связаны по линии связи, выполненной в виде ферромагнитного трубопровода как сердечника образованного трансформатора с возможностью передачи сигнала. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно введен ретранслятор сигнала, в котором после выделения помех и усиления сигнала из приемника, подают его во входные индуктивности необходимое число раз по длине трубопровода. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что средство ввода сигнала передатчика размещено на одной станции перекачки газа или нефти в пункте А, ретранслятор размещен на другой станции перекачки газа или нефти в пункте Б, а средство вывода сигнала приемника размещено в пункте В. 4. Система по п. 2, отличающаяся тем, что входные индуктивности передатчика, ретранслятора и выходная индуктивность приемника выполнены в виде катушек индуктивности, соосно охватывающих ферромагнитный трубопровод, плотно прилегающих к нему и электроизолированных от него. 5. Система по п. 2, отличающаяся тем, что входные индуктивности передатчика и ретранслятора выполнены в виде катушек индуктивности с сердечниками, при этом сердечники прикреплены торцами к наружной поверхности ферромагнитного трубопровода с обеспечением плотного магнитного контакта между торцом сердечника и поверхностью ферромагнитного трубопровода, а выходная индуктивность выполнена в виде катушки индуктивности, соосно охватывающей ферромагнитный трубопровод, плотно прилегающей к нему и электроизолированной от него. 6. Система по п. 2, отличающаяся тем, что входные индуктивности и выходные индуктивности выполнены в виде катушек индуктивности с сердечниками, причем все сердечники прикреплены торцами к наружной поверхности ферромагнитного трубопровода с обеспечением плотного магнитного контакта между торцом сердечника и поверхностью ферромагнитного трубопровода. 7. Система по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что ферромагнитный трубопровод перед входными индуктивностями снабжен неферромагнитными проставками с большим магнитным сопротивлением. 8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что неферромагнитные проставки выполнены в виде прокладок между соединительными фланцами ферромагнитного трубопровода с перекачивающим агрегатом на станции перекачки газа и нефти.