RU191121U1 - MULTI-BAND CONNECTION DEVICE FOR INDUCTION COMMUNICATION - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к технике, применяемой, в основном, для связи в шахтах, а именно к устройствам для индукционной связи. Техническим результатом является возможность быстрого перестроения рабочей частоты устройства подключения для индукционной связи в широком диапазоне частот и, как следствие, возможность компенсации влияния внешних предметов, обладающих емкостью, и возможность переключения на другие частотные каналы приема-передачи радиосигналов. Быстрое переключение частотных каналов дает возможность использовать такое устройство в системах массового обслуживания и многоканальных сетях связи. Устройство подключения для индукционной связи, содержащее согласующий трансформатор, состоящий из первичной и вторичной обмоток, отличается тем, что к согласующему трансформатору в разрыв гальванически подключаются с помощью управляемых реле реактивные дискретные компоненты (конденсаторы, индуктивности), либо с помощью реле к одной из точек трансформатора подключаются емкостные элементы, расположенные рядом с витками вторичной катушки трансформатора. Устройство подключения индукционной связи либо непосредственно гальванически подключается к однопроводной линии, либо к концу вторичной обмотки трансформатора подключается отрезок гибкого провода, который укладывается вдоль проводников и кабелей, используемых для индукционной передачи. Для увеличения количества рабочих диапазонов частот у устройства подключения для индукционной связи первичную и вторичную катушки трансформатора делают в виде нескольких секций, которые включатся с помощью реле.The invention relates to a technique used mainly for communication in mines, namely, devices for induction communication. The technical result is the ability to quickly rebuild the operating frequency of the connection device for induction communication in a wide range of frequencies and, as a result, the ability to compensate for the influence of external objects with capacity, and the ability to switch to other frequency channels of the reception and transmission of radio signals. Fast switching of frequency channels makes it possible to use such a device in queuing systems and multichannel communication networks. A connection device for induction coupling, comprising a matching transformer consisting of primary and secondary windings, is characterized in that reactive discrete components (capacitors, inductances) are galvanically connected to the matching transformer via a controlled relay, or using a relay to one of the transformer points connected capacitive elements located next to the turns of the secondary coil of the transformer. The induction coupling device is either directly galvanically connected to a single-wire line, or a piece of flexible wire is connected to the end of the secondary winding of the transformer, which is laid along the conductors and cables used for the induction transmission. To increase the number of operating frequency ranges of the connection device for induction communication, the primary and secondary coils of the transformer are made in the form of several sections that will be switched on using a relay.

Description

Полезная модель относится к технике индукционной связи и может быть использована в малогабаритной приемопередающей технике средневолнового диапазона для ведения мобильной радиосвязи и индукционной связи для быстроразворачиваемого узла индукционной связи. Это очень актуально в шахтах и рудниках, где практически в каждой горной выработке находится множество кабелей, вдоль которых хорошо распространяются сигналы средневолнового диапазона.The invention relates to an induction communication technique and can be used in a small medium-wave transceiver technique for conducting mobile radio communication and induction communication for a rapidly deployable induction communication unit. This is very important in mines and mines, where in almost every mining there are many cables along which medium-wave range signals are well distributed.

Для организации точки подключения радиостанций в системах индукционной связи применяются специальные устройства, которые обычно (Патент US №4777652) представляют собой обмотку на размыкаемом ферромагнитном кольце и последовательно включенный конденсатор переменной емкости. Для установки такого устройства подключения требуется раскрыть кольцо с обмоткой и внутри него разместить шахтные кабели, которые требуется возбудить передаваемым сигналом. С помощью регулировки переменного конденсатора добиваются настройки резонансной частоты устройства подключения индукционной связи. Недостатком такого устройства является неудобство использования. Толщина кабеля, к которому можно подключиться ограничена внутренним диаметром размыкаемого ферромагнитного кольца. Кроме того, ферромагнитный сердечник ограничивает подводимую мощность к согласующему устройству.To organize the connection point of radio stations in induction communication systems, special devices are used, which usually (US Pat. No. 4,777,652) are a winding on an openable ferromagnetic ring and a series capacitor of variable capacitance. To install such a connection device, it is required to open the ring with the winding and place mine cables inside it, which need to be excited by the transmitted signal. By adjusting the variable capacitor, the resonance frequency of the induction coupling device is tuned. The disadvantage of this device is the inconvenience of use. The thickness of the cable to which you can connect is limited by the inner diameter of the ferromagnetic ring being opened. In addition, the ferromagnetic core limits the input power to the matching device.

Конструкция предлагаемого устройства подключения лишена ферритовых сердечников, что значительно увеличивает максимальный уровень мощности подводимого сигнала.The design of the proposed connection device is devoid of ferrite cores, which significantly increases the maximum power level of the input signal.

Устройство подключения имеет в своем составе согласующий трансформатор с изменяемым коэффициентом трансформации в виде первичной и вторичной обмоток, расположенных на одной оси. Для осуществления перестройки резонансной частоты в разрыв трансформатора вводят подключаемую с помощью реле систему реактивных компонентов (емкости, конденсаторы) либо к одной из точек трансформатора с помощью реле подключают несколько емкостных элементов, располагаемых вблизи витков вторичной катушки трансформатора. К концу вторичной катушки трансформатора подключается либо непосредственно проводник однопроводной линии индукционной связи или отрезок провода, который далее располагается вдоль любых кабелей используемых в качестве линий передачи индукционной связи. Устройство подключения возбуждает электромагнитный сигнал в кабелях за счет емкостной связи. Такая конструкция обладает значительной простотой, для нее не существует ограничений на толщину кабеля для подключения устройства, так как гибкий отрезок проводника может быть размещен в любом месте, рядом с любым кабелем.The connection device incorporates a matching transformer with a variable transformation ratio in the form of primary and secondary windings located on the same axis. To implement the tuning of the resonant frequency, a system of reactive components (capacitors, capacitors) connected with a relay is introduced into the transformer rupture, or several capacitive elements located near the turns of the secondary transformer coil are connected to one of the transformer points using a relay. To the end of the secondary coil of the transformer is connected either directly the conductor of a single-wire induction communication line or a piece of wire, which is further located along any cables used as transmission lines of induction communication. The connection device excites an electromagnetic signal in the cables due to capacitive coupling. This design has considerable simplicity, for it there are no restrictions on the thickness of the cable for connecting the device, since a flexible section of the conductor can be placed anywhere near any cable.

Таким образом, устройство подключения для индукционной связи дает возможность пользователям индукционных систем связи оперативно и просто организовывать стационарные точки связи в любом месте где проходят электрические коммуникации. Кроме того, возможность практически мгновенного переключения частотного канала в устройстве индукционного подключения позволяет использовать его в многоканальных системах связи и массового обслуживания, что невозможно было достичь в условиях плавной подстройки резонансной частоты излучающих и передающих устройств.Thus, the connection device for induction communication enables users of induction communication systems to quickly and easily organize stationary communication points in any place where electrical communications take place. In addition, the possibility of almost instantaneous switching of the frequency channel in the induction connection device allows its use in multichannel communication and mass service systems, which could not be achieved under conditions of smooth adjustment of the resonant frequency of the emitting and transmitting devices.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству подключения является антенна по патенту RU №2488927 «Перестраиваемая резонансная антенна с согласующим устройством». Эта антенна содержит вибратор в виде 2D или 3D проводящего тела, согласующий трансформатор на незамкнутом магнитопроводе, вторичная обмотка которого подключена к вибратору, а на первичную - подается питание. Вместо вибратора у устройства подключения используется либо отрезок провода, либо линия индукционной связи. Эта антенна имеет очень малые габариты и может использоваться в мобильной радиосвязи, однако она обладает существенным недостатком, а именно, подобная конструкция антенны может эффективно использоваться только для излучения сигналов портативных радиостанций небольшой мощности 1-5 Вт, поскольку при подаче сигнала большей мощности ферритовый стержень, из которого выполняется магнитопровод, входит в магнитное насыщение и нагревается, что не позволяет использовать эти антенны для передачи мощностей в несколько десятков и сотен Ватт, что особенно требуется в случае организации узла стационарной связи.The closest analogue in technical essence to the claimed connection device is the antenna according to patent RU No. 2488927 "Tunable resonant antenna with matching device". This antenna contains a vibrator in the form of a 2D or 3D conducting body, a matching transformer on an open magnetic circuit, the secondary winding of which is connected to the vibrator, and the primary is supplied with power. Instead of a vibrator, the connection device uses either a piece of wire or an induction communication line. This antenna has very small dimensions and can be used in mobile radio communications, however, it has a significant drawback, namely, such an antenna design can only be effectively used to emit signals from portable radio stations of small power of 1-5 W, since a ferrite rod from which the magnetic circuit is carried out, enters magnetic saturation and heats up, which does not allow the use of these antennas for transmitting capacities of several tens and hundreds of watts, which It is especially required in case of organization of a fixed communication node.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в возможности мгновенного перестроения рабочей частоты в достаточно широком диапазоне при использовании источников сигнала повышенной мощности в десятки и сотни Ватт при сохранении малых габаритных размеров устройства для расширения функциональных возможностей радиоаппаратуры в особенности в условиях ограниченного объема (шахты, рудники).The technical result of the claimed utility model consists in the possibility of instantly changing the operating frequency in a rather wide range when using signal sources of increased power of tens and hundreds of watts while maintaining the small overall dimensions of the device to expand the functionality of the radio equipment, especially in conditions of limited volume (mines, mines).

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве подключения, содержащем согласующий трансформатор, состоящий из первичной и вторичной обмоток, расположенных вблизи на одной оси, согласно заявляемой полезной модели, к согласующему трансформатору с помощью управляемых реле в разрыв гальванически подключаются реактивные дискретные компоненты (емкости, индуктивности) либо с помощью реле к одной из точек трансформатора подключаются емкостные элементы, расположенные рядом с витками вторичной катушки трансформатора.The indicated technical result is achieved by the fact that in the connection device containing a matching transformer, consisting of primary and secondary windings located close to one axis, according to the claimed utility model, reactive discrete components (capacitances, inductance) or using a relay to one of the points of the transformer connect capacitive elements located next to the turns of the secondary coil of the transformer.

Кроме того, чтобы сделать устройство подключения двух или много диапазонным, первичная и вторичная обмотки трансформатора могут состоять из секций, которые подключаются с помощью реле. Так, например, можно сделать устройство двухдиапазонным с перестройкой по каждому диапазону если первичная и вторичная обмотки будут состоять из двух подключаемых секций. Когда будут подключены все секции, будет действовать нижний диапазон, в случае отключения по одной из секций у вторичной и первичной обмоток устройство подключения будет работать в верхнем диапазоне радиосигналов.In addition, in order to make the connection device two or many range, the primary and secondary windings of the transformer can consist of sections that are connected using a relay. So, for example, it is possible to make the device dual-band with tuning for each range if the primary and secondary windings consist of two connected sections. When all sections are connected, the lower range will act, in case of disconnection in one of the sections at the secondary and primary windings, the connection device will work in the upper range of radio signals.

Чтобы управлять подобным устройством подключения для индукционной связи необходимо кроме подачи ВЧ радиосигнала подавать от радиостанции также сигнал питания и управления.To control such a connection device for induction communication, in addition to supplying the RF radio signal, it is also necessary to supply a power and control signal from the radio station.

Для того чтобы упростить радиостанцию и осуществить возможность соединения устройства подключения для индукционной связи с любой радиостанцией, даже той, которая не имеет специальных функций для подачи питания и команд управления на антенный выход, устройство подключения оснащается элементом питания (аккумулятором), процессором и датчиком тока и напряжения в высокочастотной линии для определения уровня текущей настройки устройства в резонанс. Кроме того, в качестве источника питания устройства может использоваться ионистор, который заряжается от ВЧ линии. Подобная конструкция устройства подключения для индукционной связи требует всего два провода для подачи только ВЧ сигнала. После измерения тока и напряжения в высокочастотной линии процессор определяет необходимые дискретные реактивные элементы L и С для подключения с помощью реле, которыми он управляет. Далее происходит включение необходимых элементов и устройство подключения работает в резонансе с максимальной эффективностью.In order to simplify the radio station and make it possible to connect the connection device for induction communication with any radio station, even one that does not have special functions for supplying power and control commands to the antenna output, the connection device is equipped with a battery (battery), a processor, and a current sensor and voltage in the high-frequency line to determine the level of the current device settings in resonance. In addition, an ionistor can be used as a power source for the device, which is charged from the RF line. A similar design of the connection device for induction coupling requires only two wires to supply only the RF signal. After measuring the current and voltage in the high-frequency line, the processor determines the necessary discrete reactive elements L and C for connection with the relay that it controls. Next, the necessary elements are turned on and the connection device operates in resonance with maximum efficiency.

Полезная модель может быть реализована промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов и соответствует требованиям критерия "промышленная применимость".The utility model can be implemented industrially using well-known technical means, technologies and materials and meets the requirements of the criterion of "industrial applicability".

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструкция устройства подключения индуктивной связи.The utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the design of an inductive coupling device.

На диэлектрическом каркасе 1 в виде отрезка трубы размещены первичная 2 и вторичная 3 обмотки трансформатора. На внутренней стороне каркаса закреплены дискретные емкостные элементы 4 в виде полосок фольги, которые располагаются напротив витков вторичной обмотки трансформатора и образуют совместно с этими витками емкости С₁, С₂…C_N. On the dielectric frame 1 in the form of a pipe segment are placed primary 2 and secondary 3 windings of the transformer. Discrete capacitive elements 4 are fixed on the inner side of the frame in the form of foil strips, which are located opposite the turns of the secondary winding of the transformer and together with these turns form capacitances C ₁ , C ₂ ... C _N.

Ниже первичной катушки трансформатора расположены антенный вход 5 образуемый точками подключения А и В и плата управления устройством подключения, содержащая блок реле 6, которые подключают дискретные емкости С₁, С₂…C_N в цепь трансформатора.Below the transformer primary coil are located the antenna input 5 formed by the connection points A and B and the control board of the connection device, which contains the relay unit 6, which connect the discrete capacitances C ₁ , C ₂ ... C _N to the transformer circuit.

К точке Е гальванически подключается либо индукционная линия, либо отрезок гибкого провода, который располагают вдоль кабельных линий, используемых в качестве индукционной линии связи. E either an induction line or a piece of flexible wire that is placed along the cable lines used as an induction communication line is galvanically connected to point E.

На фиг. 6 разъясняется принцип действия устройства подключения. Приемопередатчик 10 соединен высокочастотным кабелем с устройством подключения 11. Устройство подключения 11 на фиг. 6 А) соединяется в точке Е к однопроводной линии индукционной связи 12. Вторым проводом для распространения сигнала служит земля, с которой у приемопередатчика имеется гальваническая или емкостная связь C_g. Сигнал индукционной связи распространяется вдоль однопроводной линии.In FIG. 6 explains the principle of operation of the connection device. The transceiver 10 is connected by a high-frequency cable to the connection device 11. The connection device 11 in FIG. 6 A) connects at point E to a single-wire induction coupling line 12. The second wire for signal propagation is the ground with which the transceiver has galvanic or capacitive coupling C _g . An induction coupling signal propagates along a single wire line.

Кроме использования специальной выделенной однопроводной линии, с которой устройство подключения соединяется гальванически, можно использовать имеющиеся в шахте, руднике или на другом объекте кабели 14. На фиг. 6 В) показано безгальваническое емкостное подключение к имеющимся кабелям. Для этого к устройству подключения в точке E присоединяется отрезок гибкого изолированного провода 13, который укладывается вдоль кабелей 14. Между проводом 13 и кабелями 14 возникает емкостная связь С_С, вследствие этого кабели возбуждаются от высокочастотного сигнала приемопередатчика и служат линией индукционной связи.In addition to using a special dedicated single-wire line to which the connection device is galvanically connected, cables 14. It is possible to use cables 14 in the mine, mine or at another object. FIG. 6 V) shows a galvanic-free capacitive connection to existing cables. For this purpose a device connection at the point E is attached length of flexible insulated wire 13 which is laid along the cable 14. Between the wire cables 13 and 14 arises capacitive coupling C _C, thereby the cables are driven by the high-frequency signal and the transceiver are induction communication line.

На фиг. 2 изображена электрическая схема устройства подключения в случае использования в качестве дискретных реактивных элементов электродов, расположенных возле вторичной обмотки трансформатора и образующих с ней емкости С₁, С₂…C_N. Набор этих емкостей образует реактивную систему 4.In FIG. 2 shows the electrical diagram of the connection device in the case of using as discrete reactive elements electrodes located near the secondary winding of the transformer and forming capacitors C ₁ , C ₂ ... C _{N with it} . A set of these containers forms a reactive system 4.

На фиг. 3 изображена электрическая схема варианта системы реактивных элементов 4 из L и С компонентов подключаемых с помощью блока реле 6 в разрыв индуктивностей трансформатора последовательно с ними, например, между точками В и D.In FIG. 3 shows an electric diagram of a variant of a system of reactive elements 4 of L and C components connected with a relay unit 6 to the transformer inductance gap in series with them, for example, between points B and D.

На фиг. 4 изображена совмещенная электрическая и структурная схема устройства подключения для индукционной связи, где в качестве реактивных элементов используются дискретные компоненты L и C.In FIG. 4 shows a combined electrical and structural diagram of a connection device for induction coupling, where discrete components L and C are used as reactive elements.

Устройство подключения состоит из трансформатора с первичной 2 и вторичной 3 катушками индуктивности между которыми включена система управляемых реле 6 и блок подключаемых с помощью реле дискретных элементов L и C 4. Реле управляются и переключаются процессорным блоком управления 7, питание которого обеспечивается блоком питания и отбора мощности из высокочастотной линии 8. Данные о текущем режиме работы устройства и значение КСВ определяются с помощью датчика тока и напряжения 9, размещенного на высокочастотной линии питающей устройство. Получив данные от датчика тока и напряжения процессор вычисляет смещение рабочей точки устройства подключения относительно текущей частоты и подает команду реле подключить или отключить те или иные дискретные элементы L, С, чтобы изменить настройку устройства. Таким образом, устройство подключения само следит за соответствием его резонансной частоты частоте подаваемого сигнала.The connection device consists of a transformer with primary 2 and secondary 3 inductors between which a controlled relay system 6 and a block of discrete elements L and C connected via relay are connected 4. The relays are controlled and switched by the processor control unit 7, the power of which is provided by the power supply and power take-off from the high-frequency line 8. Data on the current operating mode of the device and the value of the SWR are determined using the current and voltage sensor 9 located on the high-frequency line supplying the device. Having received data from the current and voltage sensors, the processor calculates the offset of the operating point of the connection device relative to the current frequency and instructs the relay to connect or disconnect certain discrete elements L, C in order to change the device setting. Thus, the connection device itself monitors the correspondence of its resonant frequency to the frequency of the supplied signal.

На фиг. 5 изображена электрическая схема трансформатора для двухдиапазонного устройства подключения. Первичная катушка 2 состоит из двух последовательных индуктивностей 2.1 и 2.2, а вторичная катушка 3 состоит из двух последовательных индуктивностей 3.1 и 3.2. Обмотки 2.2 и 3.2 могут отключаться или подключаться с помощью реле. В случае их включения устройство подключения работает в нижнем диапазоне радиосигналов, а в случае отключения в более высокочастотном диапазоне. Точная настройка частоты достигается с помощью системы подключаемых реактивных элементов. In FIG. 5 shows an electrical diagram of a transformer for a dual-band connection device. The primary coil 2 consists of two series inductances 2.1 and 2.2, and the secondary coil 3 consists of two series inductances 3.1 and 3.2. Windings 2.2 and 3.2 can be disconnected or connected using a relay. In the case of their inclusion, the connection device operates in the lower range of radio signals, and in the case of disconnection in the higher frequency range. Fine tuning of the frequency is achieved using a system of connected reactive elements.

Устройство подключения индукционной связи работает следующим образом.A device for connecting induction coupling operates as follows.

Данное устройство с помощью трансформатора согласует радиопередатчик с линией индукционной связи, которая подключается непосредственно к концу вторичной катушки трансформатора либо к концу вторичной катушки трансформатора подключается отрезок гибкого провода в несколько метров, который потом располагают вдоль кабелей, используемых для индукционной связи. Эти кабели будут возбуждаться за счет емкостной связи между ними и отрезком гибкого провода. Данное устройство может возбудить индукционную линию только на одной резонансной частоте, зависящей от индуктивности вторичной катушки трансформатора, длины и толщины гибкого провода. Подключение с помощью реле последовательно индуктивностям трансформатора дискретных дополнительных индуктивностей и конденсаторов, либо гальваническое подключение к трансформатору емкостных элементов, шунтирующих вторичную обмотку трансформатора, вызовет изменение резонансной частоты и перестроит резонансную частоту.This device, using a transformer, matches the radio transmitter with an induction communication line that connects directly to the end of the transformer secondary coil or connects a few meters of flexible wire to the end of the transformer secondary coil, which is then placed along the cables used for induction communication. These cables will be excited by capacitive coupling between them and a piece of flexible wire. This device can excite the induction line at only one resonant frequency, depending on the inductance of the secondary coil of the transformer, the length and thickness of the flexible wire. Connecting with the relay in series the inductances of the transformer discrete additional inductors and capacitors, or galvanically connecting capacitive elements shunting the secondary winding of the transformer to the transformer, will cause a change in the resonant frequency and the resonant frequency will be tuned.

Claims (5)

1. Устройство подключения для индукционной связи, содержащее согласующее устройство в виде трансформатора, состоящего из первичной и вторичной обмоток, отличающееся тем, что к согласующему трансформатору гальванически подключаются с помощью управляемых реле реактивные дискретные компоненты (емкости, индуктивности).1. A connection device for induction coupling, comprising a matching device in the form of a transformer consisting of primary and secondary windings, characterized in that reactive discrete components (capacitance, inductance) are galvanically connected to the matching transformer using controlled relays. 2. Устройство подключения для индукционной связи по п. 1, отличающееся тем, что реактивные дискретные компоненты выполнены в виде емкостных элементов, расположенных вблизи витков вторичной катушки трансформатора.2. The connection device for induction communication according to claim 1, characterized in that the reactive discrete components are made in the form of capacitive elements located near the turns of the secondary coil of the transformer. 3. Устройство подключения для индукционной связи по п. 1, отличающееся тем, что содержит элемент питания, процессор, управляющий реле, и датчик тока и напряжения в высокочастотной линии, питающей устройство подключения.3. The connection device for induction communication according to claim 1, characterized in that it contains a battery, a processor, a control relay, and a current and voltage sensor in the high-frequency line supplying the connection device. 4. Устройство подключения для индукционной связи по п. 1, отличающееся тем, что содержит процессор, управляющий реле, ионистор, питающий электрическую схему устройства, заряжающийся от высокочастотного сигнала, подаваемого радиопередатчиком, и датчик тока и напряжения в высокочастотной линии, питающей устройство подключения.4. The connection device for induction communication according to claim 1, characterized in that it contains a processor, a control relay, an ionistor feeding the device’s electrical circuit, charging from the high-frequency signal supplied by the radio transmitter, and a current and voltage sensor in the high-frequency line supplying the connection device. 5. Устройство подключения для индукционной связи по п. 1, отличающееся тем, что первичная и вторичная обмотка разделены на несколько секций, которые подключаются с помощью реле.5. The connection device for induction communication according to claim 1, characterized in that the primary and secondary windings are divided into several sections that are connected using a relay.

Images