Способ передачи данных по сети газопроводов и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК H04B1/00 

Изобретение относится к магистральным системам передачи данных и может использоваться для повышения надежности связи в условиях чрезвычайных ситуаций.

Ввиду больших географических масштабов РФ надежная связь между регионами имеет большое значение, особенно в условиях чрезвычайных ситуаций. Радиорелейные и оптоволоконные линии обладают большим числом наружных элементов, легко подверженным разрушительным факторам. Вместе с тем, на территории РФ имеется развитая сеть магистральных газопроводов, обладающих наибольшей степенью защиты, поскольку вероятность их разрушения минимизируется на исходных стадиях проектирования. В связи с этим существует интерес к использованию газопроводов как несущих элементов систем передачи данных.

Известен ряд технических решений, касающихся использования трубопроводных сетей для передачи данных, характерных тем, что между наружной поверхностью трубопровода и землей возбуждают поверхностную волну, например, [RU 2027259С1]. Подобные решения не защищают систему передачи данных от внешних помех и от перехвата информации.

Известны способ и устройство передачи данных по сети трубопроводов, частным случаем которых являются газопроводы, включающие проложенные в трубопроводах электрические линии передачи, функционирующие как передающая среда. [Сеть и способ передачи данных в системах трубопроводов. Патент № 15732, опубликовано 31.10.2011. База патентов Евразийского союза]. Большим недостатком данной системы является расположение электрических линий внутри трубопроводов. Как известно, трубопроводы подвержены загрязнениям, включая отложения льда, гидратов, ржавчины и пр. и нуждаются в периодической очистке. При этом электрические линии препятствуют удалению загрязнений и к тому же могут быть сметены очищающим поршнем. В связи с этим электрические линии, функционирующие как передающая среда, не могут быть признаны эффективными.

Задача предлагаемого изобретения - обеспечение связи по газопроводам, исключающей присутствие в них посторонних элементов.

Технический результат, достигаемый за счет решения указанной задачи - повышение надежности функционирования системы связи.

Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа передачи данных по сети газопроводов с использованием связанной с системой трубопроводов передающей среды, где в качестве передающей среды используется внутритрубное пространство, в котором данные передаются посредством распространяющихся электромагнитных волн Н01, возбуждаемых посредством антенных элементов, расположенных внутри уширений, заполненных высокочастотным диэлектриком, при этом антенные элементы расположены радиально-симметрично, создавая продольное электрическое поле, соответствующее полю волны Н01, и связаны с проводящей линией. Указанные антенные элементы выполняют в виде электрических проводников, расположенных в массиве высокочастотного диэлектрика, заполняющего уширение трубы, при этом антенные элементы ориентированы параллельно оси трубы и расположены радиально-симметрично и связаны с проводящей линией, формируя продольное электрическое поле волны Н01.

Реализация технического результата обусловлена следующим.

Использование в качестве среды передачи внутритрубного пространства исключает присутствие в просвете трубы посторонних предметов, затрудняющих очистку и подверженных повреждениям.

С точки зрения радиофизики труба представляет собой круглый волновод, в котором способны распространяться электромагнитные волны различной структуры при условии, что их длина не превышает некоторого критического значения. Это условия трактуются таким образом, что конкретная структура волны должна укладываться в поперечное сечение трубы. Исчерпывающие сведения о структуре волн в круглых трубах содержатся в источнике: [Constantine A. Balanis Circular Waveguides // Электронный ресурс http://www.tuks.nl/pdf/Reference_Material/Circular_Waveguides.pdf, стр. 643-653].

Использование для передачи данных электромагнитных волн Н01 связано с их наименьшим затуханием по сравнению с другими типами распространяющихся в трубе волн. Данные по затуханию волн различной структуры из источника [https://pandia.ru/text/80/599/97106.php] приведены на фиг. 1. С помощью графика можно определить, что в трубе диаметром 1000 мм затухание волн Н01 на частотах 400-1000 МГц может составлять 0,05 дБ/км. Следует отметить, что приводимые данные соответствуют медной трубе. Затухание в стальной трубе оказывается больше из-за различий в удельном сопротивлении и в толщине скин-слоя. Как известно, удельное сопротивление стали приблизительно в 7 раз больше, меди. Кроме того, судя по источнику [http://mantigora.ru/papers/paperl04.htm] толщина скин-слоя в стали на частоте 1000 МГц в 7,7 раз меньше, чем у меди Учет этих различий позволяет оценить затухание в стальной трубе на уровне до 3 дБ/км.

Выполнение участка трубы уширенным и заполнение уширения высокочастотным диэлектриком, в массиве которого размещаются антенные элементы, обеспечивает сохранение однородности просвета трубы и функционирование при рабочем давлении газа 100-200 бар.

Оценим энергетический потенциал системы, определяемый отношением мощности передаваемого сигнала к минимальной мощности на входе приемника. Предельная чувствительность приемника системы связи Р_пред определяется исходя из формулы

Р_пред=kТ⋅F⋅∆f,

где k=1.38-10^-19 - постоянная Больцмана, Т≈300К - физическая температура в градусах Кельвина, F - коэффициент шума устройства, в современных устройствах не превышающий 2, и ∆f - полоса рабочих частот, соответствующая скорости передачи информации. Примем ее за 10 кГц. В таком случае минимальная мощность сигнала, которую способен различить приемник, составит 10^-16 Вт, или -160 дБВт. Для уверенного приема необходима мощность по крайней мере в десять раз больше, то есть порядка -150 дБВт. Мощность излучаемого сигнала без затруднений может быть установлена на уровне порядка 1 Вт. Таким образом, энергетический потенциал системы может достигать 150 дБ. Сравнивая эту величину с оценкой затухания в трубе порядка 3 дБ/км, можно рассчитывать на надежную передачу сигнала в технологических отрезках длиной 30-40 км. В каждом технологическом пункте магистрали сигнал регенерируется и направляется на следующий технологический отрезок.

Возбуждение нужной структуры волны Н01 обеспечивается радиальносимметричным расположением антенных элементов, создающих продольное электрическое поле, соответствующее полю волны. Минимальное число элементов составляет 2 или больше, если для выбранной рабочей частоты существует возможность возбуждения альтернативных распространяющихся волн. В этом случае симметрия расположения антенных элементов позволяет исключить возбуждение нежелательных волн. Выбор рабочей частоты обладает относительной свободой и обусловлен следующими соображениями. В соответствии с графиком фиг. 1 частота должна превышать критическую величину, при которой отношение длины волны λ к радиусу трубы R составляет 1,64 [см. также источник И.В.Лебедев. Техника и приборы СВЧ том 1, 970, с. 84]. При этом для волны Н01 наблюдается монотонно спадающая зависимость затухания от частоты, что порождает тенденцию к увеличению рабочей частоты. Вместе с тем, чрезмерное повышение рабочей частоты создает условия для возбуждения альтернативных типов волн, перехватывающих энергию основной волны и расходующих ее на избыточные потери. Возбуждение альтернативных типов волн предотвращается увеличением числа антенных элементов, однако это ведет к усложнению конструкции. Кроме того, расположение антенных элементов по периферии трубы не исключает возбуждения волн с радиальными вариациями поля, которому увеличение числа антенных элементов уже не препятствует. В итоге увеличение рабочей частоты целесообразно ограничивать условием R/λ ≤ 1,5-2,5. В частности, для трубопровода с диаметром 1 м (радиус 0,5 м) приемлема длина волны порядка 0,33 м, удачно совмещающаяся с диапазоном GSM-900, для которого существует развитая техническая база.

Антенные элементы для возбуждения волн размещаются в массе диэлектрика, заполняющего уширение участка трубы. Примерный вид участка трубы с антенными элементами приведен на фиг. 2. В области размещения антенных элементов 1 труба 2 уширена изнутри. Освободившееся пространство заполнено высокочастотным диэлектриком 3. Каждый антенный элемент является миниатюрной антенной, выполненной в виде полуволнового вибратора, возбуждаемого в точке, соответствующей согласованию с подводящей линией 4. Миниатюризация обеспечивается типичным приемом - выполнением плеч вибратора зигзагообразными, как показано на фиг. 3. Каждый вибратор ориентирован параллельно оси трубы, что соответствует максимальной связи с полем волны Н01. Проводник подводящей линии 4 пропущен сквозь стенку трубы 2 и диэлектрик 3 до контакта с антенным элементом 1. Приведенная конфигурация обеспечивает достаточную прочность, имея в виду рабочие давления, превышающие 100 бар. Типовое выполнение диэлектрического заполнения предусматривает наложение слоев стеклоткани, пропитанной компаундом.

Достижение технического результата обеспечивает возможность передачи данных с использованием наиболее защищенной среды передачи - системы газопроводов, охватывающих значительную часть территории РФ.

Использование: для передачи данных по сети газопроводов с использованием связанной с системой трубопроводов передающей среды. Сущность изобретения заключается в том, что в качестве передающей среды используется внутритрубное пространство, в котором данные передаются посредством распространяющихся электромагнитных волн Н01, возбуждаемых посредством антенных элементов, расположенных внутри уширений, заполненных высокочастотным диэлектриком, при этом антенные элементы расположены радиально-симметрично, создавая продольное электрическое поле, соответствующее полю волны Н01, и связаны с проводящей линией. Технический результат: повышение надежности функционирования системы связи. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ передачи данных по сети газопроводов с использованием связанной с системой трубопроводов передающей среды, отличающийся тем, что в качестве передающей среды используется внутритрубное пространство, в котором данные передаются посредством распространяющихся электромагнитных волн Н01, возбуждаемых посредством антенных элементов, расположенных внутри уширений, заполненных высокочастотным диэлектриком, при этом антенные элементы расположены радиально-симметрично, создавая продольное электрическое поле, соответствующее полю волны Н01, и связаны с проводящей линией.

2. Устройство для передачи данных по сети трубопроводов, реализующее способ по п. 1, отличающееся тем, что антенные элементы выполняют в виде электрических проводников, расположенных в массиве высокочастотного диэлектрика, заполняющего уширение трубы, при этом антенные элементы ориентированы параллельно оси трубы и расположены радиально-симметрично и связаны с проводящей линией, формируя продольное электрическое поле волны Н01.