СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВА АКТИВАЦИИ И РАДИОМАЯКА ПРИ ПОИСКЕ ПОСТРАДАВШИХ ПОД ЗАВАЛАМИ Российский патент 2016 года по МПК A62B99/00 E21F11/00 H04B5/00 

Изобретение принадлежит к области обеспечения безопасности работ в горной промышленности и может использоваться для определения местоположения персонала под завалами в шахтах.

Известны способы автоматизированного определения местоположения персонала, например "Унифицированная телекоммуникационная система УТАС" которая содержит кабель, сервер системы позиционирования, программное обеспечение системы (В книге "Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах", сборник научных трудов МакНИИ Макеевка, 2005 г. - с. 323-333) или "Система автоматизированного табельного учета и определения местоположения персонала и техники на шахтах и рудниках в комплексе "ТАЛНАХ", которая содержит: контроллеры, считыватели системы позиционирования, излучающий кабель, сервер системы позиционирования, программное обеспечение системы (В журнале "Оборудование для предприятий ТЭК" №8, М., 2006 г., опубл. 10.08.2006). Однако позиционирование объектов (персонала и транспортных средств) по этим системам осуществляется с точностью, обусловленной дискретностью установки считывателей системы позиционирования и реально составляет 100-200 м. Кроме того, система работает только в пределах прямой видимости объекта позиционирования и считывателя и практически непригодна в случае возникновения обвала горной породы, являющегося непреодолимым препятствием для радиосигналов с принятыми в описанных системах длинами волн.

Более близкими к предполагаемому изобретению относятся способы поиска пострадавших под завалами, описанные в патентах Украины № 86558, бюл. № 8 от 27.04.2009, № 87642, бюл. №4 от 27.07.2009, № 90071 и № 90072, бюл. № 6 от 25.03.2010, № 90832, бюл. № 10 от 25.05.2010. По этим способам первоначально генерируют непрерывные низкочастотные колебания и через неподвижную катушку с ферромагнитным сердечником излучают переменное магнитное поле низкой частоты, которое улавливают катушкой с ферромагнитным сердечником радиомаяка, усиливают сигнал, получаемый на клеммах этой катушки, и превышении уровня сигнала некоторого порогового уровня активируют радиомаяк. Наиболее близким к предполагаемому изобретению относится способ, описанный в заявке на патент Украины № а201004665 от 20.04.2010.

По этому способу определения местоположения персонала шахты под завалами, каждого работника шахты снабжают радиомаяком, а поисковую группу снабжают устройством активации радиомаяков и устройствами поиска. При этом в состав устройства активации вводят: первый генератор первой низкой частоты, первую передающую неподвижную катушку с ферромагнитным сердечником. В состав радиомаяка вводят: вторую неподвижную катушку с ферромагнитным сердечником, узкополосный усилитель первой низкой частоты, детектор несущей, пороговое устройство, второй генератор второй низкой частоты. Состав поисковых устройств варьируется в зависимости от решаемых задач.

По описанному способу задача решается благодаря тому, что первоначально генерируют непрерывные низкочастотные колебания с частотой в течение некоторого короткого промежутка времени причем эти колебания подают на клеммы первой неподвижной передающей катушки с ферромагнитным сердечником и излучают тем самым переменное магнитное поле с частотой в течение короткого промежутка времени Первую катушку с ферромагнитным сердечником устройства активации располагают в непосредственной близости от предполагаемого объекта поиска. Излученное переменное магнитное поле с частотой улавливают второй неподвижной катушкой с ферромагнитным сердечником, которую устанавливают в радиомаяке объекта поиска, после чего сигнал, снимаемый с клемм приема второй катушки с ферромагнитным сердечником усиливают в узкой полосе частот, выпрямляют и оценивают его уровень, причем при превышении выпрямленного сигнала постоянного тока некоторого порогового уровня с помощью второго низкочастотного генератора в течение некоторого продолжительного промежутка времени генерируют непрерывные низкочастотные колебания с частотой которые подают на клеммы возбуждения той же второй неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником радиомаяка и излучают, тем самым, переменное магнитное поле с частотой в течение продолжительного промежутка времени При этом отключают в радиомаяке тракт усиления и обработки сигналов с частотой на продолжительный промежуток времени При этом непрерывные низкочастотные сигналы, которые вырабатывают первым и вторым низкочастотными генераторами делают близкими по частоте, чем обеспечивают возможность работы второй неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником одинаково эффективно на обеих частотах

Во время излучения переменного магнитного поля с частотой осуществляют поисковые мероприятия. По истечении продолжительного промежутка времени вновь в течение короткого промежутка времени устройством активации излучают переменное магнитное поле с частотой а затем в течение продолжительного промежутка времени вновь осуществляют поисковые мероприятия и так продолжают до тех пор, пока все поисковые мероприятия не будут завершены в полном объеме.

Однако описанный способ (способы) поиска пострадавших под завалами имеют некоторый недостаток, связанный с тем, что в радиомаяке объекта поиска используют узкополосный усилитель для усиления сигналов, первоначально сгенерированных и излученных устройством активации и принятых неподвижной катушкой радиомаяка. Этот усилитель настроен на определенную частоту, равную частоте первоначально генерируемых колебаний устройством активации радиомаяков. С целью повышения помехоустойчивости радиомаяков от воздействия импульсных помех, которые могут привести к ложному срабатыванию порогового устройства радиомаяка, приводящего к его ложной активации, полосу пропускания узкополосного усилителя следует выбирать достаточно узкой. При этом желательно обеспечить известную простоту конструкции устройства, удешевляющую радиомаяк в целом и повышающую надежность его работы. В этом случае необходимо обеспечить повторяемость параметров радиомаяка при его массовом изготовлении, исключив при этом операцию индивидуальной настройки каждого радиомаяка. Последняя задача достаточно сложная в реализации, поскольку для повышения известной помехоустойчивости радиомаяка, исключающей его ложное срабатывание, требуется обеспечить узкополосному усилителю, входящему в состав радиомаяка, очень узкую относительную полосу пропускания, составляющую 10^-5…10^-6.

Одним из наиболее дешевых и надежных способов решения этой проблемы - это использование в качестве фильтрующих звеньев узкополосного усилителя одиночного кварцевого резонатора в соответствующей схеме включения. Такой усилитель будет обладать упомянутой выше относительной полосой пропускания, и иметь известную простоту конструкции и, соответственно, дешевизну. Однако повторяемость результатов при массовом производстве не будет высокой. Если относительная полоса пропускания и параметры ослабления сигнала в пределах полосы пропускания и за ее пределами будут сохраняться на одном и том же уровне, то центральная частота настройки такого узкополосного усилителя будет изменяться от резонатора к резонатору в пределах абсолютной полосы пропускания такого фильтра (собственно резонатора) или даже чуть больше ее, и от партии резонаторов к партии резонаторов в пределах величины, существенно превышающей саму полосу пропускания. Использование индивидуальной настройки такого фильтра подбором соответствующих конденсаторов или катушек индуктивностей крайне нежелательно с точки зрения массового производства. И даже эта мера не приведет к желаемому результату в силу известной температурной нестабильности самих кварцевых резонаторов и их "старения". Использование же в качестве фильтрующих звеньев специализированных кварцевых фильтров, гарантированно обеспечивающих пропускание сигнала устройства активации при всех температурных и прочих дестабилизирующих факторов, также нежелательно в силу известной дороговизны последних с одной стороны, и известной громоздкости самого изделия с другой, если принять во внимание относительно низкую рабочую частоту системы.

В тоже время крайне необходимо эффективно решать задачу поиска всех пострадавших под завалами, снабдив каждого работника шахты не дорогим, но надежным радиомаяком, надежно активируемом при условии любого времени, любых обстоятельствах его изготовления, а также при любых условиях его эксплуатации. Это позволит сократить число смертей среди персонала угольных шахт.

В основу изобретения поставлена задача упрощения возможной конструкции радиомаяка и повышения вероятности активации радиомаяка при любом времени, любых обстоятельствах его изготовления, а также при любых условиях его эксплуатации.

Она решается благодаря тому, что по способу функционирования устройства активации радиомаяков при поиске пострадавших под завалами, включающему генерирование непрерывных низкочастотных колебаний в течение некоторого короткого промежутка времени излучение через первую катушку с ферромагнитным сердечником устройства активации переменного низкочастотного магнитного поля, улавливание с помощью второй катушки с ферромагнитным сердечником радиомаяка переменного низкочастотного магнитного поля, узкополосное усиление получаемого на приемных клеммах катушки с ферромагнитным сердечником радиомаяка сигнала с низкой частотой выпрямление этого усиленного сигнала, сравнение уровня усиленного сигнала с некоторым пороговым уровнем и в случае его превышения этого уровня, генерирование непрерывных низкочастотных колебаний с частотой в течение некоторого продолжительного промежутка времени и излучение в течение этого промежутка времени переменного магнитного поля с частотой путем возбуждения той же второй неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником радиомаяка непрерывными низкочастотными колебаниями с частотой отличающийся тем, что с помощью низкочастотного генератора устройства активации генерируют непрерывные низкочастотных колебания с частотой, изменяющейся по линейному закону от величины до величины в течение указанного некоторого короткого промежутка времени при чем величину девиации частоты выбирают заведомо большей, нежели возможные отклонения частоты настройки узкополосного усилителя радиомаяка от номинального значения возникающие как на стадии изготовления радиомаяка, так и возникающие в процессе его эксплуатации за счет влияния дестабилизирующих факторов, например температуры, на частоту настройки узкополосного усилителя, выполненного, например, в простейшем случае, на базе одиночного кварцевого резонатора.

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся существенном возможном упрощении конструкции самого радиомаяка, обусловленном тем, что в качестве фильтрующей полосно-пропускающей цепи узкополосного усилителя может быть использован одиночный кварцевый резонатор, при этом вероятность активации радиомаяка существенно повышена даже при значительной отстройке центральной частоты узкополосного усилителя от номинального значения, возникающей как на стадии изготовления радиомаяка, так и в процессе его эксплуатации за счет воздействия дестабилизирующих факторов.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе-прототипе, в силу присущего ему недостатка, заключающегося в генерировании непрерывных и неизменяющихся низкочастотных колебаний с частотой в течение некоторого короткого промежутка времени использовать в качестве фильтрующего элемента в узкополосном усилителя радиомаяка одиночного кварцевого резонатора не представляется возможным, так как полоса пропускания такого фильтра существенно уже, чем возможное отклонение частоты настройки фильтра от номинального значения, возникающее за счет различия изделий (резонаторов) в партии, отличия партии изделий от партии, отличия номиналов компонентов внешних цепей от номинального расчетного значения, влияния дестабилизирующих факторов. Другие способы обеспечения узкополосной фильтрации достаточно дороги и громоздки в реализации. При этом, в случае использования одиночного кварцевого резонатора, вероятность активации радиомаяка снижается. В случае использования кварцевого фильтра, либо других методов фильтрации, вероятность активации радиомаяка остается высокой, но размеры и стоимость радиомаяка возрастают. В любом случае снижается эффективность поиска пострадавших под завалами.

В предлагаемом способе поиска людей под завалами горных пород каждого человека из числа персонала шахты снабжают радиомаяком. В случае аварии поиск пострадавших осуществляет специальная группа спасателей, которую снабжают поисковым оборудованием, состоящим из устройства активации и поисковых устройств. Устройство активации предназначено для излучения переменного магнитного поля с изменяющейся в течение некоторого короткого промежутка времени в некоторых пределах частотой. Состоит устройство активации из таймера, генератора непрерывных низкочастотных колебаний с изменяемой частотой, требуемой мощности и неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником. При этом генератор непрерывных низкочастотных колебаний требуемой мощности включают на некоторый короткий промежуток времени в течение которого частота генератора изменяется от значения до значения Располагают устройство активации в непосредственной близости от места проведения спасательных мероприятий. Мощность излучения переменного магнитного поля должна быть достаточной для того, чтобы это переменное магнитное поле можно было бы принять радиомаяками, находящимися в зоне проведения спасательных мероприятий. В каждом из радиомаяков это переменное магнитное поле с изменяемой частотой принимают катушкой с ферромагнитным сердечником и усиливают в узкой полосе частот. При этом само значение частоты настройки узкополосного фильтра может быть произвольным, но не выходить за рамкиЭто легко можно обеспечить, использовав в качестве фильтрующего элемента, например, одиночный кварцевый резонатор. При этом отклонение рабочей частоты самого резонатора, задаваемое заводом-изготовителем, а также отклонение частоты настройки усилителя, возникающее из-за влияния внешних дополнительных компонентов и из-за влияния дестабилизирующих факторов не имеет значения, поскольку эти возможные отклонения лежат в пределах от до и за промежуток времени частота непрерывных низкочастотных колебаний устройства активации примет значение, попадающее в полосу пропускания узкополосного усилителя. Усиленный сигнал выпрямляют и оценивают его уровень. При превышении этого уровня некоторого порогового значения в радиомаяке на некоторый продолжительный, но конечный промежуток времени включают генератор непрерывных низкочастотных колебаний с частотой который подключен к той же самой катушке с ферромагнитным сердечником радиомаяка со стороны ее выводов возбуждения, т.е. осуществляют активацию радиомаяка. В радиомаяке тракт приема и обработки сигналов с частотой на промежуток времени отключают. При этом непрерывные низкочастотные сигналы, которые вырабатывают первым и вторым низкочастотными генераторами, делают близкими по частоте, которые могут быть в принципе даже равными по значению, чем обеспечивают возможность работы второй неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником одинаково эффективно на обеих частотах В течение продолжительного промежутка времени излучают переменное магнитное поле с частотой Это переменное магнитное поле с частотой улавливают катушками поисковых устройств и осуществляют поисковые мероприятия в течение промежутка времени Если за этот промежуток времени поисковые мероприятия завершить не удается, то вновь на короткий промежуток времени включают устройство активации, после чего в течение промежутка времени осуществляют поисковые мероприятия. Такую последовательность действий продолжают до тех пор, пока все поисковые мероприятия не завершат в полном объеме.

Указанный способ функционирования устройства активации и радиомаяка при поиске пострадавших под завалами можно реализовать с помощью устройства, приведенного на фиг.1.

Устройство состоит из устройства активации, радиомаяка и устройства поиска и содержит генераторы низкочастотных колебаний 1 и 2, неподвижные катушки с ферромагнитными сердечниками 3 и 4, узкополосный усилитель низкочастотных сигналов 5, выпрямитель 6, пороговое устройство 7, таймеры 8 и 9, генератор линейно изменяющегося напряжения 10, поисковые устройства 11. Генератор низкочастотных колебаний 1, таймер 8, генератор линейно изменяющегося напряжения 10 и неподвижная катушка с ферромагнитным сердечником 3 образуют устройство активации. Неподвижная катушка с ферромагнитным сердечником 4, узкополосный усилитель низкочастотных сигналов 5, выпрямитель 6, пороговое устройство 7, таймер 9 и генератор низкочастотных колебаний 2 образуют радиомаяк.

Первый выход таймера 8 соединен с входом включения генератора низкочастотных колебаний 1, выход которого соединен с выводами неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником 3, при этом второй выход таймера 8 соединен с запускающим входом генератора линейно изменяющегося напряжения 10, выход которого соединен с входом перестройки частоты генератора низкочастотных колебаний 1, при этом приемные выводы неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником 4 соединены с сигнальным входом узкополосного усилителя низкочастотных сигналов 5, выход которого соединен с входом выпрямителя 6, выход которого соединен с входом порогового устройства 7, выход которого соединен с входом управления таймера 9, при этом выход таймера 9 соединен с входом управления низкочастотного генератора 2 и с входом управления узкополосного усилителя низкочастотных сигналов 5, при этом выход низкочастотного генератора 2 соединен с выводами возбуждения неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником 4.

Работает устройство, реализующее способ функционирования маяка и поискового оборудования, при поиске пострадавших под завалами следующим образом.

Известным способом запускают таймер 8. Таймер 8 включает генератор низкочастотных колебаний 1 на некоторый короткий промежуток времени по истечении которого он его выключает. Одновременно с этим таймер 8 запускает генератор линейно изменяющегося напряжения 10, выходное напряжение которого подается на вход перестройки частоты генератора низкочастотных колебаний 1. Генератор низкочастотных колебаний 1 в течение временного интервала формирует низкочастотные колебания с частотой, изменяющейся в пределах от до требуемой мощности, которые возбуждают с помощью неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником 3 переменное низкочастотное магнитное поле с изменяемой частотой. Это переменное низкочастотное магнитное поле с изменяемой частотой улавливают неподвижной катушкой с ферромагнитным сердечником 4, которая входит в состав радиомаяка. Сигнал с приемных выводов этой неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником 4 подают на сигнальный вход узкополосного усилителя низкочастотных сигналов 5, который также входит в состав радиомаяка, где принятый сигнал усиливают в узкой полосе частот, отделяя его от индустриальных помех. Частота настройки узкополосного усилителя может изменяться в пределах причем она может быть установлена в этих пределах как на стадии изготовления, так и может изменяться в этих же пределах в процессе эксплуатации. Гарантированно, изменяющееся во времени значение частоты генератора низкочастотных колебаний 1 устройства активации в течение временного интервала принимает значение, попадающее в полосу пропускания узкополосного усилителя низкочастотных сигналов 5. Усиленный сигнал подают на выпрямитель 6, входящий в состав радиомаяка. Выпрямленный сигнал подают на вход порогового устройства 7, входящего в состав радиомаяка. При превышении принятого, усиленного и выпрямленного сигнала некоторого порогового уровня пороговое устройство срабатывает и запускает таймер 9, который на некоторый продолжительный промежуток времени включает генератор непрерывных низкочастотных колебаний 2, входящий в состав радиомаяка, и выключает узкополосный усилитель низкочастотных сигналов 5. Этот генератор непрерывных низкочастотных колебаний 2 возбуждает с помощью той же неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником 4, входящей в состав радиомаяка, переменное низкочастотное магнитное поле с частотой заданной интенсивности. Это переменное низкочастотное магнитное поле с частотой в течение длительного промежутка времени улавливают катушками поисковых устройств 11 и осуществляют поисковые мероприятия согласно способам, описанным в патентах Украины № 86558, № 87642, № 90071 и № 90072. По завершении промежутка времени таймер 9 выключает генератор непрерывных низкочастотных колебаний 2 и вновь включает узкополосный усилитель низкочастотных сигналов 5. Если за временной интервал не удается завершить поисковые мероприятия, вновь запускают таймер 8 и процесс повторяют до тех пор, пока не завершат поисковые мероприятия в полном объеме.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с повышением вероятности активации радиомаяка по сигналу устройства активации. Причем вероятность активации радиомаяка не зависит, например, от партии используемых в качестве фильтрующих звеньев одиночных кварцевых резонаторов, от номиналов внешних компонентов усилителя (в известных пределах) и от влияния дестабилизирующих факторов, например температуры окружающей среды, неизбежно присутствующих в процессе эксплуатации радиомаяка. При этом появляется возможность эффективно проводить спасательные мероприятия и обеспечить сохранение жизни людей в лучшем случае, в худшем случае имеется возможность отыскать тела людей уже погибших в результате аварии.

Другой аспект повышения эффективности связан с упрощением конструкции радиомаяка и, как следствие уменьшение его стоимости и повышение его надежности.

Способ функционирования устройства активации и радиомаяка при поиске пострадавших под завалами относиться к области обеспечения безопасности работ в горной промышленности и может использоваться для определения местоположения персонала под завалами в шахтах.

Новым в способе поиска пострадавших под завалами является снабжение всего персонала шахты радиомаяками и организация поисковой группы, которую снабжают устройством активации радиомаяков и устройствами поиска. При этом устройство активации возбуждает переменное низкочастотное магнитной поле с изменяемой в течение некоторого короткого промежутка времени частотой и заданной мощности. Это переменное магнитное поле улавливают катушкой с ферромагнитным сердечником радиомаяка персонала шахты и при превышении приятого и усиленного сигнала некоторого порогового уровня возбуждают переменное низкочастотное магнитное поле с другой частотой и осуществляют поиск радиомаяка. Причем радиомаяк улавливает одинаково эффективно переменное низкочастотное магнитное поле при любой частоте настройки его узкополосного усилителя, которая попадает в диапазон перестройки частоты низкочастотного управляемого генератора устройства активации, что повышает вероятность активации радиомаяка при любых обстоятельствах его изготовления и при воздействии дестабилизирующих факторов, возникающих в процессе его эксплуатации.

Способ функционирования устройства активации и радиомаяка при поиске пострадавших под завалами, включающий генерирование непрерывных низкочастотных колебаний в течение некоторого короткого промежутка времени излучение через первую катушку с ферромагнитным сердечником устройства активации переменного низкочастотного магнитного поля, улавливание с помощью второй катушки с ферромагнитным сердечником радиомаяка переменного низкочастотного магнитного поля, узкополосное усиление получаемого на приемных клеммах катушки с ферромагнитным сердечником радиомаяка сигнала с низкой частотой выпрямление этого усиленного сигнала, сравнение уровня усиленного сигнала с некоторым пороговым уровнем и в случае его превышения этого уровня, генерирование непрерывных низкочастотных колебаний с частотой в течение некоторого продолжительного промежутка времени и излучение в течение этого промежутка времени переменного магнитного поля с частотой путем возбуждения той же второй неподвижной катушки с ферромагнитным сердечником радиомаяка непрерывными низкочастотными колебаниями с частотой отличающийся тем, что с помощью низкочастотного генератора устройства активации генерируют непрерывные низкочастотных колебания с частотой, изменяющейся по линейному закону от величины до величины в течение указанного некоторого короткого промежутка времени причем величину девиации частоты выбирают заведомо большей, нежели возможные отклонения частоты настройки узкополосного усилителя радиомаяка от номинального значения возникающие как на стадии изготовления радиомаяка, так и возникающие в процессе его эксплуатации за счет влияния дестабилизирующих факторов, например температуры, на частоту настройки узкополосного усилителя, выполненного, например, в простейшем случае, на базе одиночного кварцевого резонатора.