CC BY
7
УДК 621.318
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-92-93
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНО РАСПОЛОЖЕННОЙ ФЕРРИТОВОЙ МАГНИТНОЙ АНТЕННЫ ОТНОСИТЕЛЬНО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
И.Б. Широков, М.А. Дурманов, Л.Н. Козаченко
В статье обсуждаются некоторые аспекты распространения низкочастотного переменного магнитного поля в неоднородной среде в горнодобывающих шахтах. Разработана математическая модель для расчета распределения магнитного поля в случае перпендикулярного расположения продольных осей магнитной антенны и объемных металлических конструкций. В качестве металлических конструкций рассматривается рельсовое полотно, а в качестве магнитной антенны выступает много-витковая цилиндрическая катушка с ферромагнитным сердечником. Численный расчет распределения магнитного поля по предложенной модели проводился в несколько этапов с использованием метода интегральных уравнений. Проведены расчеты напряженности магнитного поля катушки с ферромагнитным сердечником в непосредственной близости и на различных расстояниях от объемного металла. Доказана возможность использования ослабления низкочастотного магнитного поля для поиска людей под завалами.
Ключевые слова: напряженность магнитного поля, многовитковая цилиндрическая катушка, ферромагнитный сердечник, объемный металл.
Вопрос безопасности жизнедеятельности является наиболее значимым для рабочих, занятых в сфере горной добычи. Опасность работы в горнодобывающих шахтах связана с вероятностью обвалов, которые, как правило, могут быть вызваны взрывом газа.
Задача поисковых служб состоит в быстром и точном определении местоположения пострадавших людей под завалами горных пород. Однако главной проблемой использования радиотехнических средств для достижения поставленных целей является сильное затухания электромагнитных волн при распространении через массив горных пород и наличие габаритных металлических конструкций, что приводит к чрезмерной потере электромагнитной энергии в проводящей среде и ограничивает дальность действия таких систем. Данная статья посвящена исследованию влияния габаритных металлических конструкций на поле, создаваемое аппаратурой поисковых служб.
1. Постановка задачи. В работе [1] обсуждаются вопросы поиска людей под завалами в шахтах, где для поиска людей используется низкочастотное магнитное поле. Использование такого подхода предполагает возможности низкочастотного сигнала проникать на большое расстояние в горную породу. Система состоит из поискового оборудования и рабочего радиомаяка, оснащенного магнитной антенной. Антенна радиомаяка формирует низкочастотное переменное электромагнитное поле, которое индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) индукции в контуре антенны поисковой аппаратуры. Величина ЭДС используется для локализации людей под завалами в шахтах [2]. Точность этого метода поиска определяется правильностью модели распределения магнитного поля в зоне поиска, которая обычно неоднородна. Здесь и далее мы будем иметь дело с напряженностью магнитного поля, пренебрегая электрической составляющей, считая, что его амплитуда зависит от частоты и свойств распространения магнитного поля. Объемный металл, в качестве которого будет рассматриваться рельсовое полотно, в поисковом пространстве приводит к значительному перераспределению магнитного поля. В поисковом пространстве в шахтах такое перераспределение зависит от взаимного расположения катушки радиомаяка, контура поисковой аппаратуры и неоднородности. Знание зависимостей напряженности магнитного поля от расстояния передающей антенны от рассматриваемых рельс позволяет эффективно решать задачу поиска людей [3]. Таким образом, разработка теоретической модели, позволяющей рассчитать распределение магнитного поля катушки маяка в любой точке поискового пространства с неоднородностью (объемный металл), является актуальной задачей.
2. Разработка математической модели. Разработана математическая модель для расчета распределения магнитного поля в случае перпендикулярного расположения осей передающей катушки и объемного металла, или неоднородности, например, рельсы (рис. 1). В модели предполагается, что в пространстве поиска среда имеет магнитную проницаемость це, а передающая катушка расположена на расстоянии И от массивного металла (рельсы). Передающая катушка представляет собой многовитковую цилиндрическую катушку с ферромагнитным сердечником. Объемный металл представляется в виде бесконечно длинного металлического цилиндра с магнитной проницаемостью ц,-.
Численный расчет распределения магнитного поля по предложенной модели проводился в несколько этапов с использованием метода интегральных уравнений.
На первом этапе определялось магнитное поле, создаваемое многовитковой цилиндрической катушкой в однородном поисковом пространстве, по модели, описанной в [4]. На этом этапе были получены составляющие напряженности магнитного поля И21 и Ир\ в цилиндрической системе координат (напряженность магнитного поля И не имеет составляющей вдоль а из-за радиальной симметрии много-витковой цилиндрической катушки). В дальнейшем для расчета полного магнитного поля в неоднородном пространстве поиска эти значения использовались как «первичные» компоненты поля.
92
Рис. 1. Схема математической модели расчета магнитного поля для случая перпендикулярного
расположения катушки и рельсы
На втором этапе методом интегральных уравнений неоднородное пространство было преобразовано в условно однородное с магнитной проницаемостью це . Для выполнения граничных условий на границе раздела сред с различной проницаемостью (це и ц,) вместо рельсы в модель была добавлена совокупность гипотетических магнитных зарядов, распределенных по боковой поверхности стального цилиндра (рельсы). Внутри цилиндра отсутствуют магнитные заряды благодаря однородности материала объемного металла (grad ц, =0).
Гипотетические магнитные заряды создают «вторичное» магнитное поле в расчетном однородном пространстве. Поскольку распределение плотности магнитного заряда ст определяется величиной «первичной» напряженности поля и «вторичной», для определения ст использовалось интегральное уравнение [5-7].
Требуемое суммарное распределение магнитного поля многовитковой цилиндрической катушки при ее перпендикулярном расположении по отношению к металлическому цилиндру в поисковом пространстве получено путем суммирования «вторичного» и «первичного» полей для различных расстояний И между катушкой и металлическим цилиндром.
3. Анализ распределения магнитного поля. Проводя анализ распределения магнитного поля многовитковой цилиндрической катушки при ее перпендикулярном расположении к металлическому цилиндру в неоднородном пространстве поиска (рис. 2), нормальная составляющая «первичного» поля определяется как:
с у Л СИ,. Л
- агСап
Иоп = И21Ф, ф = фп -ф1 = агс1ап
У1
И
- у
V Ил У
где И21 = Иг1 cos ф1
результирующая составляющая напряженности «первичного» магнитного поля; ИУ1 и И21 - компоненты напряженности магнитного поля в декартовой системе координат.
Рис. 2. Определение нормальной (к боковой поверхности металлического цилиндра) составляющей
напряженности «первичного» магнитного поля
Для данного случая конфигурации катушки и металлического цилиндра для расчета распределения плотности магнитного заряда на боковой поверхности объемного металла проще использовать декартову систему координат. Таким образом, «первичные» компоненты магнитного поля Ир1 и И21 были преобразованы в компоненты Их1, Иу1 и И. «Вторичное» магнитное поле также было получено в декартовой системе координат и представлено в виде суммы векторов двух компонент Иу2 и Иг2 (компонента Их равна 0, так как лежит вдоль оси х металлического цилиндра, имеющего бесконечную длину и представлена только боковой поверхностью). После расчетов результирующего магнитного поля было вы-
полнено обратное преобразование компонент к цилиндрической системе координат для сравнения результатов, полученных по математической модели. Распределения результирующего магнитного поля многовитковой цилиндрической катушки при ее перпендикулярном расположении относительно металлического цилиндра показано на рис. 3, 4 и 5.
0.01
1x10
1*10
1x10
О 0.2 0.4 0.6 О
1 I 2 1J 1.6 18 2
coi]_
У/
-1ЭД(огЬ=0.5ш
----№<х)Г.1 к-1 0«!
---НгОО&гЬ=1 5 т
~ Нй» рптагу йгкЗ
Рис. 3. Графики зависимости результирующей напряженности магнитного поля Н от х для случая перпендикулярного расположения катушки и рельсы, к — параметр
1x10
1x10
1x10
1x10
еси1 У/
О 0.2 0.4 0.6 0.
ж, он
-Hroivl for Ь=0 5 т
■ ■ • Нга(л) for 1.0 m - - - .Hro(Xlforli=] 5 m H:!'. field
Рис. 4. Графики зависимости результирующей напряженности магнитного поля Hp от x для случая перпендикулярного расположения катушки и рельсы, h — параметр
МО"
1*10
-1x10"
-2x10
■ НрЩ) for ш
.....НрЦ>)(огЬ=1.0ш
----НрВДЬгЬ=1.5ш
Рис. 5. Графики зависимости результирующей напряженности магнитного поля На от х для случая перпендикулярного расположения катушки и рельсы, к — параметр
94
Анализ распределения составляющих HzI для случая перпендикулярного расположения катушки и металлического цилиндра показывает, что влияние металлического цилиндра быстро уменьшается с увеличением расстояния h между цилиндрической катушкой и металлическим цилиндром.
При близком расположении с массивным металлом или рельсом (неоднородностью) напряженность компонент магнитного поля увеличивается не менее чем в 10 раз.
При перпендикулярном расположении катушки и металлического цилиндра (рельсы) нарушение радиальной симметрии полного магнитного поля велико; так, величина компоненты HaI становится сравнимой с величинами компонент HzI (см. рис. 5).
Заключение. Таким образом, для неоднородного пространства поиска получены зависимости компонент магнитного поля HzI , HpI и HaI от координат вдоль массивного металлического объекта по оси х и поперек него — по оси z. Только в непосредственной близости от катушки компоненты поля существенно различаются. Это положительный момент, так как можно сделать вывод, что на большом расстоянии от катушки исследуемые компоненты также не сильно отличаются друг от друга.
Анализ кривых «первичного» и результирующего полей позволяет определить вклад поля, создаваемого ферритовым сердечником.
И, наконец, можно сделать главный следующий вывод: наличие в шахтах сыпучего металла не приводит к резкому нарушению распределения магнитного поля. Только нахождение пострадавшего в непосредственной близости к рельсам может привести к определенным проблемам при его поиске с помощью поискового оборудования. Но с помощью определенных мероприятий (схема рельсов известна заранее) эту проблему можно решить.
Список литературы
1. Дурманов М.А., Широков И.Б. Построение системы поиска людей под завалами с использованием проникающих свойств переменного магнитного поля низкой частоты. Вестник СевГТУ. Информатика, электроника, связь. 2010. № 101. С.100-103.
2. Shirokov I.B., Durmanov M.A. Using of H-field antennas in system for searching of people under avalanches. Proceedings of IEEE VII Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques. Lviv (Ukraine). 2009. P.236-238.
3. Shirokov I.B., Durmanov M.A., Redkina E.A. The calculation of magnetic field strength in inho-mogeneous medium in tasks of people's searching under avalanches in mines. Proceedings of IEEE 26-th. Convention of Electrical and Electronics Engineers. Eilat (Israel). 2010. P.134-137.
4. Shirokov I.B., Durmanov M.A., E.A., Naumicheva L.O. The calculation of magnetic field strength of magnetic antenna with ferromagnetic core in a task of people's search under avalanches. Proceedings of V European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). Rome (Italy). 2011. P.1845-1848.
5. Демирчян К.С., Нейман Л.Р. Теоретические основы электротехники. Том 3. Санкт-Петербург, Питер. 2004. 377 с.
6. Обзор эффективных методов идентификации параметров электрической сети судов для повышения эксплуатационных качеств / С. Г. Черный, В. А. Жуков, А. С. Соболев [и др.] // Морская радиоэлектроника. - 2022. - № 1(79). - С. 42-47. - EDN KQVLPU.
7. Емельянов, В. А. Проектирование архитектуры информационной системы металлографического контроля качества металлов / В. А. Емельянов, Н. Ю. Емельянова, С. Г. Черный // Научно-техническая информация. Серия 2: Информационные процессы и системы. - 2023. - № 2. - С. 1-7. - DOI 10.36535/0548-0027-2023-02-1. - EDN UZYGZD.
Широков Игорь Борисович, д-р техн. наук, профессор, shirokov@ieee.org, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,
Дурманов Максим Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, madurmanov@sevsu.ru, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,
Козаченко Любовь Николаевна, старший преподаватель, sudovodkgmtu@mail.ru, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
MAGNETIC FIELD OF PERPENDICULAR POSITIONED FERRITE MAGNETIC ANTENNA RELATIVE TO
METAL CONSTRUCTION
I.B. Shirokov, M.A. Durmanov, L.N. Kozachenko
The article some aspects of the propagation of a low-frequency alternating magnetic field in an inho-mogeneous space in mining mines are considered. A mathematical model for calculating the spreading of the magnetic field in the case ofperpendicular position of axes of the magnetic antenna and massive metal construction is developed. A rail track is metal construction, and multi-turn cylindrical coil with a ferromagnetic core is magnetic antenna. The numerical calculation of the spreading of the magnetic field according to the proposed
95
model was carried out in several stages using the method of integral equations. Calculations of the magnetic field strength of a coil with a ferromagnetic core in vicinity and at various distances from the bulk metal are carried out. The possibility of using the damping of low-frequency magnetic field to search for people under the rubble has been proven.
Key words: magnetic field strength; multi-turn cylindrical coil; ferromagnetic core; bulk metal.
Shirokov Igor Borisovich, doctor of technical sciences, professor, shirokov@ieee.org, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,
Durmanov Maksim Anatol'evich, candidate of technical sciences, docent, madurmanov@sevsu.ru, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,
Kozachenko Lyubov Nikolaevna, senior lecturer, Sudovodkgmtu@mail.ru, Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University
УДК 629.5.051
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-96-97
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОРРЕКТИРОВКИ ГЕОДАННЫХ
М.А. Дурманов, О.Н. Кручина
В статье представлены пути повышения точности позиционирования за счет проведения ряда мероприятий фильтрации принимаемого навигационного сигнала. Для повышения точности позиционирования внедряется станция расчета поправочных коэффициентов, принцип функционирования которой на основе метода дифференциального позиционирования. На основании результатов проведенных натурных испытаний показано уменьшение погрешности позиционирования с 10 м (при стандартных настройках модуля спутниковой навигации) до 1 м.
Ключевые слова: погрешность, позиционирование, система глобальной спутниковой навигации, фильтрация, экологический мониторинг.
Многие подвижные комплексы как наземного, так и надводного базирования, выполняющие различные исследовательские функции, например, мониторинг состояния водной поверхности [1], как правило, оснащены спутниковыми системами навигации. Однако стандартные модули спутниковой навигации обладают ограниченной точностью позиционирования, которая находится в пределах 15 — 20 метров [2].
Погрешность определения положения спутниковой навигацией зависит от нескольких факторов. Во-первых, погрешности могут возникать из-за технических ограничений и неточностей в работе самого оборудования, включая приемники и передатчики спутниковой системы навигации. Во-вторых, распространение спутникового сигнала часто подвергается различным искажениям и помехам в среде его распространения. Погрешность такой природы может включать в себя множественное рассеяние сигнала, поглощение сигнала объектами на пути его распространения, атмосферные условия и другие факторы. Погрешность, связанную с распространением спутникового сигнала, достаточно сложно минимизировать, однако, можно предпринять ряд мероприятий для снижения погрешности и повышения точности определения положения за счет нивелирования ошибок, связанных с распространением спутникового сигнала.
В статье рассмотрен метод повешения точности позиционирования за счет создания и использования подсистемы корректировки коэффициентов, которая основана на принципе дифференциального позиционирования.
Для фильтрации данных системы спутниковой навигации используется частный случай фильтра экспоненциального скользящего среднего (ЭСС) (англ. Exponential Moving Average (EMA)) [3].
1. Метод корректировочных коэффициентов. Метод местных корректировочных коэффициентов для устройства позиционирования реализуется в два этапа:
1. Расчет корректировочных коэффициентов на основе данных эталонного модуля спутниковой навигации, местоположение которого известно.
2. Обработка данных, полученных с основного устройства позиционирования, на основе рассчитанных корректировочных коэффициентов.
На рисунке 1 показаны основные компоненты метода местных корректировочных коэффициентов, необходимые для его реализации.
