Антенна система для пошуку постраждалих під завалами

Реферат: Винахід належить до галузі антенної техніки і до галузі забезпечення безпеки робіт в гірничій промисловості. Винахід може бути використаний для точнішого визначення місця розташування робочого персоналу під завалами в шахтах. У основу винаходу поставлена задача підвищення точності виміру двох або трьох ортогональних складових напруженості змінного магнітного поля в точці прийому і спрощення конструкції антенної системи для пошуку постраждалих під завалами. Ця задача вирішується шляхом створення нової конструкції антенної системи для пошуку постраждалих під завалами. Антенна система може мати три види конструкції. Перша конструкція складається із складеного хрестоподібного феромагнітного сердечника і намотаних на нього двох котушок, розбитих на однакові сегменти, причому сегменти котушок намотані і з'єднані синфазно. Хрестоподібний сердечник складається з куба і чотирьох стрижнів, що щільно примикають до взаємно протилежних чотирьох граней куба. Сегменти однієї котушки намотані на протилежних сердечниках. У котушках наводиться напруга Ux, Uy, яка є абсолютно адекватною значенням напруженості магнітного поля Нх, Hy в точці прийому. Друга конструкція антенної системи має третю котушку, яка намотана на каркас, усередині якого розташований хрестоподібний феромагнітний сердечник і намотані на нього дві котушки. Третій вигляд конструкції має три котушки, розбиті на два сегменти кожна. При цьому кожен сегмент намотаний на феромагнітний сердечник, що примикає до граней куба, причому всі три пари сердечників взаємно перпендикулярні і утворюють симетричну конструкцію. При цьому два додаткові стрижні примикають до двох, що залишилися, граней куба. У трьох котушках за другим і третім виглядах конструкції наводиться напруга Ux, Uv, Uz, яка є абсолютно адекватною значенням напруженості змінного магнітного поля Нх, Ну, Нz, в точці прийому. Завдяки симетричному і взаємно перпендикулярному розташуванню сердечників і котушок, а також тому, що котушки і сердечники ідентичні, в точці прийому присутнє симетричне спотворення напруженості змінного магнітного поля, при цьому виключається вплив котушок одна на одну. Народногосподарський ефект від використання винаходу пов'язаний з появою можливості UA 100337 C2 (12) UA 100337 C2 точнішого визначення координат об'єкта пошуку (джерела змінного магнітного поля). Також простота конструкції, її відносно малі габарити і вага дозволяють використовувати антенну систему в умовах оперативних заходів щодо пошуку постраждалих під завалами в шахтах. UA 100337 C2 5 10 15 20 Винахід належить до галузі антенної техніки і до галузі забезпечення безпеки робіт в гірничій промисловості. Винахід може бути використаний для точнішого визначення місця розташування робочого персоналу під завалами в шахтах. У патентах України: № 90071, 25.03.2010; № 90832, 25.05.2010; № 91665, 10.08.2010 заявлені способи пошуку постраждалих під завалами. По цих способах для визначення місця розташування джерела змінного магнітного поля необхідно вимірювати відразу декілька координатних складових напруженості змінного магнітного поля, дві або три - Нх, Ну, Нz;. Це досягається шляхом використання в приймачі відразу двох або трьох котушок з феромагнітними сердечниками, осі яких взаємно перпендикулярні і направлені уздовж двох або трьох координатних осей декартової системи координат х, у і z. Дві котушки (по патентах № 90071 і № 90832), що реагують на Нх, Hy - складові напружності змінного магнітного поля, розташовані в горизонтальній площини X0Y. Третя котушка (по патенту № 91665), що реагує на Нz - складову, розміщується перпендикулярно площини X0Y. У приймальних котушках пошукового обладнання наводиться напруга - Ux, Uv, Uz, створювана зовнішнім джерелом. Для точного визначення відстані до джерела приймальні котушки мають бути ідентичними. У пошуковому обладнанні, що використовує амплітудний метод визначення координат (пат. UA № 90071 і UA № 91665) прийняті і однаково підсилені сигнали змінного струму випрямляють і випрямлену напругу зводять в квадрат. Потім зведені в квадрат сигнали (два або три) складають разом і з отриманої суми витягують квадратний корінь, внаслідок чого отримують сигнал постійного струму, рівень якого відповідає максимальному рівню низькочастотного сигналу, що приймається, від джерела змінного магнітного поля Umax  U2  U2  U2 . x y z 25 30 35 40 45 50 55 По отриманих двох або трьох максимальних сигналах здійснюють тріангуляцію об'єкта пошуку. У пошуковому пристрої, що використовує кутовий метод визначення координат (пат. UA № 90832), отримують два сигнали від двох котушок, розташованих в горизонтальній площини, поздовжні осі яких взаємно перпендикулярні - Ux і Uy, після чого беруть відношення цих сигналів і по отриманому тангенсу кута визначають власне сам кут, після чого вирішують тригонометричну задачу і визначають координати об'єкта пошуку. У патентах України № 90071 і № 90832 спосіб, що заявляється, заснований на використанні у пошуковому пристрої двох котушок з феромагнітними сердечниками, осі яких взаємно перпендикулярні. У патенті України № 91665 спосіб, що заявляється, реалізується шляхом використання в пошуковому пристрої трьох котушок з феритовим сердечником, осі яких також взаємно перпендикулярні, при цьому можна допустити довільну орієнтацію джерела змінного магнітного поля - передавальної котушки з феритовим сердечником. При цьому, якщо по патентах UA № 90071 і UA № 91665 невелике відхилення поздовжніх осей котушок з феромагнітними сердечниками від осей декартової системи координат не призводить до великих помилок визначення відстані, оскільки використовується метод визначення відстані по рівню сигналу, що приймається (амплітудний метод), то по патенту UA № 90832 будь-яке відхилення поздовжніх осей котушок з феромагнітними сердечниками від заданої системи координат призводить до істотних помилок визначення азимутів і дальностей об'єкта пошуку (джерела змінного магнітного поля), оскільки використовується метод обчислення координат по кутах між отримуваними векторами напруженості прийнятих змінних магнітних полів і деяким відомим напрямом, наприклад на Північ магнітного поля Землі (кутовий метод). При цьому, якщо навіть кут між однією з осей двох котушок з феромагнітними сердечниками і деяким відомим напрямом, наприклад на Північ магнітного поля Землі, визначений досить точно, але має місце спотворення структури напруженості магнітного поля в точці прийому або є деякий взаємний зв'язок між приймальними котушками з феромагнітними сердечниками, поздовжні осі яких взаємно перпендикулярні, то неминуча поява помилки визначення напряму вектора напруженості змінного магнітного поля в точці прийому, що обумовлює появу відповідної складової помилки визначення координат об'єкта пошуку. Іншими словами, необхідно виключити будь-який взаємний вплив приймальних котушок одну на одну, при цьому самі котушки мають бути повністю ідентичні. Взаємний зв'язок між котушками також призводить до появи помилки визначення координат при використанні амплітудного методу. Величина цієї помилки менша, ніж при використанні кутового методу, але все одно вона присутня. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого винаходу і прототипом є патент на винахід Великобританії № 2326769 "Omnidirectional triple coil antenna and receiver" (Ненаправлена трикотушкова антена і приймач). По цьому патенту пропонується використовувати декілька типів котушок і декілька типів сердечників. 1 UA 100337 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 При цьому варіанти розташування феромагнітних сердечників і котушок на них, що показані на Fig. 1 і Fig. 3с, не підходять для використання у пошуковому обладнанні, що реалізовує спосіб пошуку постраждалих під завалами по патентах UA № 90071, UA № 90832 і UA № 91665, оскільки котушки і їх сердечники розташовані асиметрично, що викликає асиметричне спотворення структури напруженості змінного магнітного поля в точці прийому і призводить до істотного взаємного впливу котушок одну на одну. Використання хрестоподібного феромагнітного сердечника з намотаними на його плечі котушками забезпечує симетричне спотворення структури змінного магнітного поля у точці прийому, що дає можливість визначення складових напруженості в площині X0Y. Проте реалізація способу намотування котушок, показаного на Fig. 2 і Fig. 3а обумовлює появу сильного ємкісного зв'язку між котушками, і у будь-якому випадку котушки не можуть бути абсолютно еквівалентними. Одна котушка, що намотана поверх іншої, має більший діаметр, відповідно більшу індуктивність і, відповідно, більшу напругу, що наводиться в ній. До того ж, абсолютно незрозумілим представляється напрям поздовжніх осей цих котушок, що є абсолютно неприйнятним для реалізації способу пошуку постраждалих під завалами по патенту UA № 90832. Найбільш придатним для реалізацій способів пошуку постраждалих під завалами по патентах UA № 90071, UA № 90832 і UA № 91665 є розташування феромагнітних сердечників і котушок на них, показаних на Fig. 3b. При цьому котушки розбиваються на два сегменти, що розташовані на протилежних плечах хрестоподібного феромагнітного сердечника. Таке рішення забезпечує симетричне спотворення змінного магнітного поля в точці прийому і забезпечує мінімальний вплив котушок одну на одну, поздовжні осі яких взаємно перпендикулярні. Проте з Fig. 3b видно, що розташовані співісно сегменти обох котушок Sx і Sy намотані і з'єднані протифазно. Напруга індукції, що в цьому випадку наводиться в сегментах котушок, намотаних на протилежних кінцях хрестоподібного сердечника, буде відніматися. Ефективність використання такої, розбитої на два сегменти, котушки за умови повної еквівалентності сегментів дорівнює нулю. Будь-яка нееквівалентність сегментів при цьому призводить до неадекватності виміру складових напруженості змінного магнітного поля в точці прийому. Інший аспект неефективності використання хрестоподібного феромагнітного сердечника пов'язаний із складністю його виготовлення. Відомо, що феромагнітні сердечники виготовляються шляхом спікання під тиском феромагнітного порошку, поміщеного у відповідну форму. Виготовлення хрестоподібної форми і проведення операції спікання порошку в такій формі є дорогим процесом. У основу винаходу поставлена задача підвищення точності виміру двох або трьох ортогональних складових напруженості змінного магнітного поля в точці прийому і спрощення конструкції антенної системи обладнання для пошуку постраждалих під завалами. Поставлена задача вирішуться тим, що: 1. Антенна система для пошуку постраждалих під завалами, що містить феромагнітні сердечники, котушки, розбиті на сегменти і намотані на протилежні плечі феромагнітного сердечника, відрізняється тим, що хрестоподібний феромагнітний сердечник складений з п'яти частин, одна з яких є кубом з феромагнітного матеріалу, до чотирьох протилежних граней якого щільно приставлені або, наприклад, приклеєні чотири однакових стрижня з того ж феромагнітного матеріалу квадратного або круглого перерізу певної довжини з ребром квадрата стрижня, рівним ребру куба, або діаметром стрижня, рівним ребру куба, при цьому на стрижні намотано дві ідентичні котушки, розбиті на два сегменти кожна, при цьому сегменти кожної котушки знаходяться на двох стрижнях, що примикають до двох протилежних граней куба, при цьому сегменти кожної з котушок намотані і з'єднані синфазно, при цьому поздовжні осі цих двох котушок, що складаються з двох сегментів кожна, взаємно перпендикулярні. 2. Антенна система для пошуку постраждалих під завалами за п. 1, відрізняється тим, що містить третю котушку, намотану на діелектричний каркас, наприклад, з пластика у формі, наприклад, квадрата або круга, усередині якого розташована конструкція антенної системи за п. 1, що складається з чотирьох стрижнів з котушками і одного куба, при цьому кількість витків третьої котушки підбирається таким, щоб потокозчеплення у всіх трьох котушок було однаковим. 3. Антенна система для пошуку постраждалих під завалами за п. 1, відрізняється тим, що до всіх шести граней куба з феромагнітного матеріалу щільно приставлені або, наприклад, приклеєні шість стрижнів з того ж феромагнітного матеріалу, на які намотано три ідентичні котушки, кожна з яких розбита на два сегменти, при цьому сегменти кожної котушки знаходяться на двох стрижнях, що примикають до двох протилежних граней куба, при цьому сегменти кожної 2 UA 100337 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 з котушок намотані і з'єднані синфазно, при цьому поздовжні осі всіх трьох котушок, що складаються з двох сегментів кожна, взаємно перпендикулярні. Описані три види конструкції показані на фіг. 1, 2 і 3. На фігурах введені наступні позначення: 1 - куб з феромагнітного матеріалу, 2 - стрижні з феромагнітного матеріалу, 3 сегменти котушок, намотані на стрижні, 4 - третя котушка, намотана на діелектричний каркас. Порівняння пропонованої антенної системи для використання в обладнанні для пошуку постраждалих під завалами з вже відомим пристроєм і прототипом показує, що пристрій, що заявляється, містить нові ознаки, що полягають у наступному. По-перше, завдяки синфазному намотуванню сегментів котушок 3 на сердечник 2 і синфазного з'єднання виводів сегментів (фіг. 1) досягається висока чутливість приймального обладнання, оскільки сигнали обох сегментів складаються один з одним синфазно, а не віднімаються один з одного, як за способом прототипу. По-друге, підвищена точність виміру двох або трьох ортогональних складових напруженості змінного магнітного поля в точці прийому завдяки строгій симетричності конструкції антенної системи, ідентичності сердечників і намотаних на них котушок 3, їх строго ортогональному розташуванню. Спотворення структури змінного магнітного поля в точці прийому, якщо і присутні, то мають симетричний характер і дають однаковий результат, що приводить до формування адекватної напруги змінного струму на виводах всіх котушок 3 для всіх ортогональних складових. По-третє, взаємний вплив котушок 3 зведений до мінімуму і проникнення сигналу, наведеного в одній котушці, у іншу практично відсутнє. По-четверте, спрощена конструкція за рахунок того що хрестоподібний феритовий сердечник складений з декількох елементів (п'яти або семи), кожен з яких є стандартною деталлю, що випускається промисловістю. В цьому випадку не потрібне виготовлення спеціальних форм для спікання під тиском феромагнітного порошку для отримання хрестоподібного феромагнітного сердечника. При цьому виготовити цілісний феромагнітний сердечник (потрійний хрест) для реалізації антенної системи за п. 3 (фіг. 3) не є можливим. По-п'яте, варіант виконання антенної системи, що заявляється за п. 2 (фіг. 2) має компактнішу конструкцію, оскільки третя котушка 4 намотана на діелектричний каркас, що знаходиться в одній плоскості з першою і другою котушками, при цьому зменшується висота конструкції. Головною задачею, що вирішується за допомогою пропонованих конструкцій антенної системи, є визначення координат об'єкта пошуку. Ця задача вирішується шляхом визначення напруженості магнітного поля в точці прийому по двох - Нх і Ну (у площині X0Y) або по трьох координатних складових Нх, Ну і Нz. Принцип роботи антенної системи в трьох варіантах виконання полягає в наступному: у двох або трьох котушках (залежно від конструкції) наводиться напруга Ux, Uv, Uz, яка є абсолютно адекватною значенням напруженості магнітного поля, Нх, Ну і Нz. Це можливо завдяки симетричному і взаємно перпендикулярному розташуванню сердечників і котушок, а також тому, що котушки і сердечники ідентичні. Так в цьому випадку в точці прийому присутнє симетричне спотворення напруженості магнітного поля, при цьому виключається вплив котушок одна на одну. Народногосподарський ефект від використання винаходу пов'язаний з появою можливості точнішого визначення координат об'єкта пошуку (джерела змінного магнітного поля). Також простота конструкції, її відносно малі габарити і вага дозволяють використовувати антенну систему в умовах оперативних заходів щодо пошуку постраждалих під завалами в шахтах. Інший аспект використання винаходу пов'язаний з можливістю використання антенної системи за п. 1 як передавальної антени, яка створює кругове поле, наприклад, в пристрої активації радіомаяків об'єктів пошуку, описаному в патенті UA № 93472, 10.02.2011. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Антенна система для пошуку постраждалих під завалами, що містить феромагнітні сердечники, котушки, розбиті на сегменти і намотані на протилежні плечі хрестоподібного феромагнітного сердечника, яка відрізняється тим, що хрестоподібний феромагнітний сердечник складений з п'яти частин, одна з яких є кубом з феромагнітного матеріалу, до чотирьох протилежних граней якого щільно приставлені або, наприклад, приклеєні чотири однакові стрижні з того ж феромагнітного матеріалу квадратного або круглого перерізу певної довжини з ребром квадрата стрижня, рівним ребру куба, або діаметром стрижня, рівним ребру куба, при цьому на стрижні намотані дві ідентичні котушки, розбиті на два сегменти кожна, причому сегменти кожної котушки знаходяться на двох стрижнях, що примикають до двох 3 UA 100337 C2 5 10 15 протилежних граней куба, при цьому сегменти кожної з котушок намотані і з'єднані синфазно, а подовжні осі цих двох котушок, що складаються з двох сегментів кожна, взаємно перпендикулярні. 2. Антенна система для пошуку постраждалих під завалами за п. 1, яка відрізняється тим, що містить третю котушку, намотану на каркас, наприклад з пластика, у формі, наприклад, квадрата або круга, усередині якого розташована конструкція антенної системи за п. 1, що складається з чотирьох стрижнів з котушками і одного куба, при цьому кількість витків третьої котушки підбирається такою, щоб потокозчеплення у всіх трьох котушок було однаковим. 3. Антенна система для пошуку постраждалих під завалами за п. 1, яка відрізняється тим, що до всіх шести граней куба з феромагнітного матеріалу щільно приставлені або, наприклад, приклеєні шість стрижнів з того ж феромагнітного матеріалу, на яких намотано три ідентичні котушки, кожна з яких розбита на два сегменти, при цьому сегменти кожної котушки знаходяться на двох стрижнях, що примикають до двох протилежних граней куба, причому сегменти кожної з котушок намотані і з'єднані синфазно, а подовжні осі всіх трьох котушок, що складаються з двох сегментів кожна, взаємно перпендикулярні. 4 UA 100337 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5