Короткий радиоимпульс

Магнитоиндуктивные системы передачи информации: перспективы применения в телеметрии

№ 2’2019
PDF версия
В статье рассматриваются магнитоиндуктивные системы передачи цифровой информации (МСПИ) применительно к системам промышленной телеметрии и сбора данных. Акцент сделан на использование ферромагнитного канала, в качестве которого может быть использована любая поверхность, являющаяся проводником магнитного поля — например, металлические конструкции зданий или трубы системы тепло- и водоснабжения. Приводятся результаты теоретических оценок и обоснование выбора технических характеристик МСПИ, а также результаты испытаний прототипа экспериментальной системы МСПИ по ферромагнитному каналу.

Введение

В настоящее время наблюдается бурное развитие таких технологий, как «Умный дом», «Интернет вещей», автоматизированные системы сбора данных со счетчиков ресурсов (АСКУЭ и другие), системы безопасности и пожароохранной сигнализации. В качестве физической среды передачи информации в них традиционно используются цифровые радиоканалы (Wi-Fi, GSM, ZigBee и т. д.), проводные (Ethernet, RS-485) и реже — PLC-каналы.

При выборе и проведении технико-экономического обоснования внедрения подобных систем на промышленных объектах и объектах ЖКХ нередко остро встает вопрос о выборе каналов передачи данных на физическом уровне с учетом факторов помехозащищенности, энергопотребления, стоимости инсталляции и абонентской платы. Магнитоиндуктивная система передачи информации с использованием уже существующей трубопроводной инфраструктуры может быть конкурентоспособным техническим решением при построении низкоскоростных (до 32 кбит/с) систем телеметрии и сбора данных в случае, когда применение серийных проводных и беспроводных систем аналогичного назначения затруднительно или экономически нецелесообразно.

Передача сигналов в магнитоиндуктивной системе основана на законе электромагнитной индукции и использовании в качестве среды распространения поверхности, служащей проводником магнитного поля.

Таким образом, в среде реализуется ферромагнитный канал передачи информации.

Магнитоиндуктивная система передачи информации имеет следующие преимущества:

  • при их реализации не требуются трудоемкие работы по прокладке электропроводки;
  • высокая помехозащищенность модулированного магнитного потока к индустриальным электромагнитным помехам благодаря направленности и пространственной локализации магнитного поля в ферромагнитном канале;
  • преобладание магнитной компоненты поля в сигнале несущей над электрической, что положительно отражается на электромагнитной совместимости аппаратуры канала с радиосредствами, находящимися в непосредственной близости к нему (0,3–0,5 м).

 

Принцип функционирования и теоретическое обоснование

Структурная схема магнитоиндуктивной системы передачи информации показана на рис. 1.

Она представляет собой систему, состоящую из приемо-передающих катушек (2), (4), расположенных на трубопроводе (3), к которым подключены трансмиттеры абонента (1), и центрального узла (5), связанного с устройством регистрации (6).

Структурная схема магнитоиндуктивной системы передачи информации

Рис. 1. Структурная схема магнитоиндуктивной системы передачи информации

В процессе проведения исследований МСПИ была создана теоретическая модель канала и определены основные электрофизические характеристики, влияющие на процесс распространения магнитного потока в магнитопроводе, образованном замкнутой металлической конструкцией.

К таким характеристикам относятся:

  • характеристики потерь на токи Фуко и перемагничивание в магнитопроводе;
  • коэффициент связи между передающей и приемной катушками;
  • характеристики АЧХ.

Как показал качественный анализ процессов передачи сигналов по магнитооиндуктивному каналу, ее эффективность определяется в основном следующими факторами:

  • производной огибающей или частотой токового сигнала несущей (следствие закона электромагнитной индукции);
  • мощностью несущей;
  • наличием или отсутствием в среде передачи объектов, экранирующих магнитные поля;
  • минимальными потерями при вводе и выводе сигналов в магнитопровод.

При использовании в МСПИ несущей, представляющей собой гармоническое колебание, с повышением его частоты возрастает потребляемая мощность выходного каскада передатчика, снижается добротность передающей катушки. Поэтому возникла идея использовать в качестве несущей сверхширокополосный сигнал (СШП) [1] — короткоимпульсную последовательность высокой скважности, предположительно свободную от указанных недостатков.

Согласно документу «Рекомендация МСЭ-R SM.1755», сверхширокополосным сигналом является сигнал, имеющий относительную ширину полосы частот Ω по уровню –10 дБ более 0,2:

Ω = (fmax – fmin)/fc,                       (1)

где fmax — наивысшая частота, на которой спектральная плотность мощности передачи СШП составляет –10 дБ относительно fm; fmin -— наименьшая частота, на которой спектральная плотность мощности передачи СШП составляет –10 дБ относительно fm; fm — частота максимальной передачи СШП; fс = (fH + fL)/2 — центральная частота спектра.

Сверхширокополосные сигналы данного типа находят применение в СШП-радиосистемах цифровой передачи информации [2] на короткие (до 10 м) расстояния и отличаются высокой помехозащищенностью, отсутствием многолучевого распространения, проникновением сквозь металлические элементы строительных конструкций с малым 4–6 дБ затуханием.

Этот тип сигналов позволяет создавать передающие каскады с высоким пик-фактором — отношением пиковой мощности к средней — и тем самым получить требуемую дальность работы.

Элемент несущей последовательности — короткий радиоимпульс и его спектр показаны на рис. 2 и 3 соответственно.

Короткий радиоимпульс

Рис. 2. Короткий радиоимпульс

Спектр короткого радиоимпульса

Рис. 3. Спектр короткого радиоимпульса

Теоретическая модель МСПИ может быть представлена в виде эквивалентного четырехполюсника — трансформатора с разнесенными первичной и вторичной обмотками. Эквивалентная схема представлена на рис. 4.

Модель МСПИ

Рис. 4. Модель МСПИ

На схеме обозначено:
U — источник сигнала;
R1 — суммарное сопротивление потерь источника сигнала и передающей катушки;
L1 — входная индуктивность;
L2 — выходная индуктивность;
М — взаимная индуктивность;
G0проводимость активных потерь в магнитопроводе;
R2 — сопротивление нагрузки приемника;

М = к0×(LL2)0,5,                 (2)

где к0 — коэффициент связи между обмотками,

G0 = Рп./Um,                                      (3)

где Рп — суммарная мощность тепловых потерь в магнитопроводе на перемагничивание и токи Фуко; Um — амплитуда сигнала передатчика.

Величина Рп может быть оценена как [3]:

Рп = Ps×m×(f/f1)2×(B/B1)2,                             (4)

где Ps — удельные массовые потери; m — масса фрагмента магнитопровода между передатчиком и приемником; f — рабочая частота; f1 — базовая расчетная частота 1кГц; В — величина магнитной индукции; B1 — величина базовой магнитной индукции 1 Тл.

Исходя из 1 и 2 закона Кирхгофа и учитывая, что ток в ветви L2R2 много меньше тока через М, получим приближенное решение для выходного сигнала:

U2 = I1m×M×2πfc × exp( -(tt0/2)2/2t02)×cos(2πfct) ,                (5)

где I1m — амплитуда токового импульса в передающей обмотке; fc — частота заполнения; t0 — длительность импульса.

Из формулы (5) видно, что эффективность передачи сигнала определяется взаимоиндукцией М, которая линейно зависит от коэффициента связи к0 между катушками. Коэффициент связи к0 определяет энергетические потери в МСПИ и, следовательно, при выбранном типе несущей ограничивает скорость передачи. Зависимости коэффициента связи для различных типов магнитопроводов приведены в работе [3].

Энергетическое уравнение ферромагнитного канала передачи информации имеет следующий вид:

Рпр(дБ) = 10×Log(Р0) – 10×Log(1/к0) – 10×Log(Рп),                     (6)

где Р0 — мощность передаваемого сигнала, Вт.

 

Выбор устройства ввода-вывода сигналов в ферромагнитный канал

Важнейший элемент МСПИ — устройство ввода/вывода модулированного магнитного потока в ферромагнитный канал. Как показали предварительные теоретические и экспериментальные исследования, оптимальным с точки зрения минимизации энергетических потерь и широкополосности является одновитковый соленоид [4], поскольку он обладает минимальной постоянной времени и его конструкция может обеспечить минимальный зазор между магнитопроводом (трубой) и обмоткой соленоида.

Величина зазора вносит существенный вклад в энергетические потери в МСПИ.

Одновитковый соленоид для систем МСПИ может быть реализован двумя способами:

  • с использованием тонкой, порядка 0,2–0,5 мм, изолированной медной пластины, выполненной в форме одного витка и закрепленной на элементе металлической коммуникации;
  • с использованием короткозамкнутого с двух сторон плоского шлейфа, например RC-20, закрепляемого на металлической коммуникации в форме витка и присоединяемого к приемопередающему модулю с помощью разъемов на шлейф типа IDC.

Вариант конструкции одновиткового соленоида и его крепление на магнитопроводе (трубе) показан на рис. 5.

Конструкция одновиткового соленоида

Рис. 5. Конструкция одновиткового соленоида

На представленном чертеже показаны:

  • металлоконструкция, являющаяся каналом передачи информации (цилиндр, обозначенный линией черного цвета);
  • одновитковый соленоид в разрезе, закрепленный на металлоконструкции (полуцилиндр, обозначенный линией серого цвета);
  • крепежные кронштейны (пластины П-образной формы);
  • металлическая подложка для крепления клеммных узлов подсоединения к трансмиттерам абонентского и центрального узла.

В настоящее время для реализации приемного элемента рассматривается возможность применения высокочувствительных интегральных сенсоров магнитного поля, основанных на эффектах магнитной анизотропии (АМР-датчики), и гигантского магниторезистивного эффекта (ГМР-датчики) [5].

 

Экспериментальное исследование МСПИ

Как показала практика, по технологическим ограничениям, возможна реализация устройства ввода/вывода с постоянной времени не менее 30 нс. Исходя из этого для минимизации временных искажений в тракте в качестве несущей был использован импульс гауссовой формы длительностью 300 нс (по уровню 0,5) и частотой заполнения 10 МГц. Скорость передачи исходного тестового сигнала была выбрана 9600 бит/с.

Для проверки принципов передачи сигналов и определения основных технических характеристик в МСПИ с ферромагнитным каналом был создан прототип экспериментальной системы, функциональная схема которой представлена на рис. 6.

Функциональная схема экспериментальной системы МСПИ

Рис. 6. Функциональная схема экспериментальной системы МСПИ

Алгоритм работы приемопередающего устройства (трансмиттера) поясняется функциональной схемой и заключается в следующем.

Приемный и передающий модуль и микроконтроллер находятся в режиме микропотребления в ожидании команды запроса с диспетчерского центра, передатчик которого подключен к ферромагнитному каналу. При поступлении и декодировании команды запроса микроконтроллер (2) активирует передающий модуль и формирует команду ответа в USART-формате с преобразованием ее в канальный сигнал. Команда ответа содержит информацию о величине сигналов, поступающих с источника (1) на вход микроконтроллера (2).

Формирование канального сигнала происходит в два этапа.

На первом этапе программа микроконтроллера преобразует исходный передаваемый USART-сигнал в последовательность однополярных импульсов по следующему алгоритму: логическому «0» соответствуют два импульса длительностью 5 мкс каждый, с интервалом между ними 10 мкс, логической «1» соответствует пауза. При передаче логического «0» временное положение импульсов центрировано относительно середины тактового интервала передаваемой посылки, при этом защитные интервалы в начале и конце посылки составляют не менее 5 мкс. Длительности логического «0» и логической «1» определяются величиной скорости передачи USART-сигнала. На втором этапе каждый импульс с выхода микроконтроллера (2) поступает в передающий модуль (3), где преобразуется в знакопеременный импульс длительностью 300 нс, с частотой заполнения 10 МГц и амплитудой 400 В, который поступает на передающую катушку (4). Формирование канального импульса основано на использовании колебательного контура ударного возбуждения в передающем модуле (3). Передающая катушка создает модулированный знакопеременный магнитный поток, распространяющийся по ферромагнитному каналу (9).

Прием и декодирование канального сигнала на приемном конце осуществляется следующим образом.

Приемный соленоид (6) преобразует модулированный магнитный поток в последовательность электрических импульсов, поступающих в приемный модуль (5) с усилением примерно 10 дБ, где происходит фильтрация и амплитудная дискриминация принимаемой импульсной последовательности, выход которого подключен к входу микроконтроллера (2). Преобразование входного импульсного сигнала в USART-формат и его декодирование осуществляется программой, находящейся в памяти микроконтроллера. При регистрации микроконтроллером первого импульса по его заднему фронту программно формируется задержка 8 мкс и во временном интервале 8–10 мкс ожидается появление второго импульса. В случае его обнаружения принимается решение о приеме логического «0», в случае его необнаружения первый импульс считается помехой и принимается решение о приеме логической «1». Декодированный поток преобразуется в последовательность символов, которая отображается на ЖКИ (7).

На макете прототипа МСПИ были проведены измерения по распространению передаваемого сигнала в ферромагнитном канале, образованном участком трубопровода системы водоснабжения здания. Трубопровод выполнен из материала сталь СТ-3.

График зависимости отношений ЭДС на приемной и передающей катушке от расстояния между ними представлен на рис. 7.

График зависимости отношений ЭДС на приемной и передающей катушке от расстояния

Рис. 7. График зависимости отношений ЭДС на приемной и передающей катушке от расстояния

Тонкой линией показана интерполяция измеренной характеристики распространения магнитного сигнала, математическое выражение которой представлено в правом верхнем углу графика.

При испытаниях была достигнута дальность (без ретрансляторов) порядка 80 м при отношении сигнал/шум на входе приемного тракта 18 дБ.

По результатам экспериментальной проверки прототипа МСПИ можно сделать следующие выводы:

  • предложенный принцип передачи сигналов телеметрии по ферромагнитному каналу подтвердил свою работоспособность;
  • цикл испытаний показал правильность в целом выбранных функциональных и схемотехнических решений для устройств приемопередатчика абонента и центрального узла;
  • испытания подтвердили корректность выбранного технического решения для устройств ввода/вывода сигнала в ферромагнитный канал;
  • при экспериментальной проверке МСПИ специальных исследований на ЭМС не проводилось, но следует отметить отсутствие каких-либо сбоев в работе персональных компьютеров, радиотелевизионной приемной аппаратуры, размещенных в непосредственной близости (порядка 1 м) от передающего узла.

 

Перспективы применения МСПИ в системах телеметрии

В настоящее время все более широкое распространение получают автоматизированные системы сбора и передачи данных со счетчиков ресурсов (электро- и газосчетчики, приборы учета воды) в жилых и производственных зданиях.

Это обусловлено в основном двумя причинами: во-первых, на основании 209-Ф3 ст. 6 ч. 1 п. 23 все приборы общедомового учета должны быть диспетчеризированы и показания должны передаваться в информационную систему ГИС ЖКХ, и, во-вторых — это достоверность показаний. Для контроля необходимо периодически проводить контрольное снятие показаний счетчиков ресурсов.

На данный момент существует два типа автоматизированных систем сбора данных: проводные и беспроводные.

В проводных системах шлейф от квартирных датчиков идет к этажному концентратору и далее на общедомовой концентратор. Подобные слаботочные системы просто монтируются в новом строительстве, но тяжело применяются к уже существующем — существует проблема прокладки проводки. Кроме того, вследствие неправильного монтажа могут быть перепутаны провода от разных абонентов.

Другой класс систем — радиосистемы. Наиболее распространены телематические системы на основе протоколов ZigBee, Z-Wave и GSM-системы. Системы на основе ZigBee, Z-Wave отличаются низким потреблением, высокой надежностью и функциональностью — почасовое накопление и архивирование показаний, передача данных по запросу с общедомового концентратора, но требуют значительного количества ретрансляторов и вследствие этого имеют высокую стоимость первоначальной установки (порядка нескольких тысяч рублей для одного абонента). GSM-системы требуют абонентской оплаты у оператора сети.

Альтернативным решением может стать МСПИ с использованием в качестве канала передачи сигналов элементов структуры водокоммуникаций здания.

МСПИ-система также может быть востребована при реализации систем телеметрии и управления в буровых установках. В настоящее время наиболее распространенным техническим решением этой задачи является гидравлический канал связи, в котором используются колебания давления в столбе бурового раствора, создаваемые специальными электромагнитными клапанами, и гидромеханические приемные датчики. Скорость передачи данных при этом не превышает 1 бит/с, что явно недостаточно для передачи на поверхность информации о параметрах бурения и контроля положения низа бурильной колонны.

Магнитоиндуктивная телеметрическая система сможет решить эту проблему, если удастся разработать метод ввода и съема магнитного сигнала микросекундной длительности во вращающуюся буровую колонну, а также способ концентрации магнитного потока в ней.

 

Выводы

Исходя из изложенного, можно сделать следующие выводы.

  • Существует принципиальная возможность создания низкоскоростных, до 32 кбит/с, цифровых систем передачи информации по ферромагнитному каналу, в частности по трубопроводам систем тепло- и водоснабжения зданий.
  • Ферромагнитный канал обладает высокой помехозащищенностью благодаря направленности магнитного потока в среде распространения и слабой чувствительности к внешним электромагнитным помехам.
  • Ферромагнитный канал обладает естественной электромагнитной совместимостью с иными электронными устройствами благодаря его физическим особенностям: пространственной локализации магнитного потока в ближней зоне и доминированием магнитной компоненты в передаваемом сигнале.
  • Ферромагнитный канал может быть конкурентоспособным техническим решением при построении систем телеметрии и сбора данных в случае, когда использование серийных проводных и беспроводных систем аналогичного назначения затруднительно или экономически нецелесообразно.
Литература
  1. Дмитриев В. Технология передачи информации с использованием сверхширокополосных сигналов (UWB) // Компоненты и технологии. 2003. № 9.
  2. Шахнович И. Сверхширокополосная связь. Второе рождение? // Электроника: Наука. технология. бизнес. 2001. № 4.
  3. Варламов В. Краткий справочник конструктора РЭА. М.: Советское радио, 1972.
  4. Одновитковые соленоиды. www.ru.wikipedia.org
  5. Сысоева С. Датчики магнитного поля. Ключевые технологии и новые перспективы. Часть 3. ХМР — конкуренты датчиков Холла // Компоненты и технологии. 2014. № 8.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *