Opracowanie wyników propagacji w podziemnych wyrobiskach górniczych w Kopalni Węgla Kamiennego Ziemowit i porównanie ich z danymi literaturowymi

Transkrypt

1 ANEKS n 3 Kaków dn Opacowanie wyników popagacji w podziemnych wyobiskach góniczych w Kopalni Węgla Kamiennego iemowit i poównanie ich z danymi liteatuowymi espół ealizujący pomiay: D inż. Cezay Woek (adiunkt, kieownik pacowni bezpzewodowych sieci kontolno-pomiaowych, Kateda Elektoniki, Akademia Góniczo-Hutnicza w Kakowie) Mg inż. Michał Wazecha (asystent, Kateda Elektoniki, Akademia Góniczo-Hutnicza w Kakowie) Joanna Kożuch ( Kateda Elektoniki, Akademia Góniczo-Hutnicza w Kakowie, pace edytoskie) Skalowanie poligonu pomiaowego W celu wyznaczenia współczynnika antenowego sondy pzepowadzono pomiay popagacyjne w otwatej pzestzeni (boisko spotowe) z wykozystaniem dwóch anten logaytmicznych (skalowanie anteny wzocowej), geneatoa szumu i analizatoa widma. Doświadczalnie wyznaczono współczynnik zysku G anteny logaytmicznej umieszczonej popzez obsewacje tłumienia tou pomiaowego (popagacja, kable tansmisyjne). Wszystkie obliczenia opato na ównaniu bilansu tou tansmisyjnego, w któym wyóżniono: moc źódła sygnału (P nad ) oaz mocy sygnału odbieanego (P odb ), tłumienie kabli (T k1, T k2 ), tłumienie pzestzeni 1 (T p ) i współczynnik zysku anteny (G). P + odb = P [ ] nad + T [ ] k + T 2 1[ ] k + G db db db 2[ db] [ db] Tp [ db] (1) Wielkości P nad,p odb, T k1, T k2 okeślono pzy użyciu analizatoa widma z geneatoem śledzącym, natomiast tłumienie pzestzeni z zależności geometycznej: 2 λ λ Tp db = 1log = 2log (2) [ ] 4π R 4π R gdzie R odległość między anteną nadawczą a anteną odbioczą; λ - długość ali (w pzypadku pomiaów analizatoem widma wyznaczono zbió współczynników dla pzemiatanego zakesu częstotliwości). Wykonane pomiay pozwoliły wyznaczyć widmową zależność wzmocnienia G anteny logaytmicznej umieszczonej na badanym poligonie obsewowanej z punktu umieszczenia dugiej anteny (ze względu na modyikujące działanie płaszczyzny ziemi). Otzymane wyniki pozwoliły w dalszej części potaktować antenę logaytmiczną jako wzocową. 1 Tłumienie pzestzeni jest to współczynnik występujący w ównaniach tou tansmisyjnego (bilans mocy) w któych obydwie anteny mamy schaakteyzowane popzez zysk enegetyczny (G). Podstawowe ównanie zawiea zysk enegetyczny anteny nadawczej dla uzyskania powiezchniowej gęstości mocy w punkcie gdzie stoi antena odbiocza, natomiast antenę odbioczą chaakteyzuje się jako jej powiezchnię eektywną (pzemnożona pzez moc powiezchniową daje moc odebaną). Pzeliczenie powiezchni eektywnej anteny odbioczej z jej zysku posiada czynnik λ 2 /4π któy sumuje się z ozpaszaniem pzestzennym 1/4πR 2 do tzw. współczynnika tłumienia pzestzeni.

2 Skalowanie sondy na poligonie pomiaowym W miejsce dugiej anteny wstawiono badaną sondę H53 a więc w misce gdzie powiezchniowa gęstość mocy pomieniowanej wynosiła: Π [ db] = Pnad + T G [ ] k + 1[ ] [ db] log 4 db db 2 ( π ) 1 R W (3) pojawia się tylko zależność od odległości R, ponieważ długość ali będąca składnikiem współczynnika tłumienia pzestzeni w (1) wchodzi w skład apetuy badanej sondy. Na tej podstawie wyznaczono współczynnik antenowy (jego widmową zależność) Sonda umieszczona w odległości R od anteny nadawczej jest umieszczona w obszaze pomieniowania o gęstości mocy padającej, (3) co w odniesieniu do impedancji alowej powietza daje natężenie pola elektycznego ówne: (3) Π = E 2 1log Π 2 E = 1log = 2log E = 12π [Ω] czyli: 2 log E = 1log Π + 1log 1log (4) (5) Na wyjściu sondy zmiezono analizatoem moc P odb, któa jest pomniejszona o tłumienie kabla łączącego sondę i analizato o tłumienności T k2. Ps = P [ ] odb T db [ db] k 2[ db] (6) W podobny sposób jak wyznaczono natężanie pola elektycznego w miejscu ustawienia sondy, możemy wyznaczyć napięcie na zaciskach sondy na podstawie mocy odebanej i impedancji alowej kabla. Napięcie to wynosi: 2logU = 1log Ps + 1log (7) = 5 [Ω] Szukany współczynnik antenowy wynosi: E WA = (8) U czyli w skali decybelowej: WA[ db] = 2log E 2logU (9) WA[ db] = 1log Π + 1log 1log Ps 1log (1) i podstawiając (3) i (6) otzymujemy: 2 WA[ db] = Pnad + Tk + G[ db] 1log( 4π R ) + 1log Podb + Tk 1log (11) [ db] 1[ db] Końcowa zależność pozwala nam na obliczenie współczynnika antenowego sondy w opaciu o wyniki danych pomiaowych. Pzyjęto notację decybelową dla zwiększenia pzejzystości oaz ze względu na taką postać danych pomiaowych. Wyznaczony w powyższy sposób współczynnik antenowy WA został pzedstawiony na ys.1. [ db] 2[ db]

3 Rys. 1. Współczynnik antenowy sondy H53 wyznaczony metodą anteny wzocowej. Dla odniesienia można pzytoczyć dane z noty katalogowej poducenta, któy zdadza jedynie ząd wielkości nieównomieności widmowej współczynnika antenowego sondy ys.2. Rys. 2. Współczynnik antenowy sondy H53 dane poducenta (na osi pionowej moc sygnału a na poziomej częstotliwość) Podsumowując pzepowadzone pomiay popagacji zapezentowano wyniki pzekształcone do postacie natężenia pola elektycznego na ysunkach od 3 do 5 zaś w omie liczbowej w tabeli 2. Do tego celu wykozystano wyznaczony wcześniej współczynnik antenowy sondy pomiaowej (ys.1). Watość współczynnika została wyznaczona metodą anteny wzocowej [1]. Pzekoje popzeczne koytazy, w któych zostały zealizowane pomiay popagacyjne zostały pzedstawione w tabeli 1.

4 Tab. 1. pzekojami popzecznymi koytazy podziemnych w kopalni iemowit, w któych zealizowano pomiay (a) Pzekój chodnika pzyścianowego n 747- zawał około 1m poniżej ściany 72 w patii wybanej w zawale (b) Pzekój chodnika 747 na stacji kolejki podwieszanej Sha (c) Pzekój popzeczny wyobiska ścianowego 72 - postokątny i miał wysokość 2.5m i szeokość 4.m -1-2 = 2MHz (a) chodnik 747 zaw ał (b) chodnik 747 stacja kolejki (c) ściana 72 w ydobyw cza -3 E [db] -4-5 (b) y = -,32x (a) y = -1,19x - 27 (c) y = -,37x odległość [m ] Rys. 3. Natężenie pola elektycznego zmiezone w óżnych odległościach od nadajnika w koytazach podziemnych kopalni iemowit tłumienie tasy dla częstotliwości 2MHz w tzech óżnych tunelach podziemnych.

5 = 415MHz -1-2 (a) chodnik 747 zaw ał (b) chodnik 747 stacja kolejki (c) ściana 72 w ydobyw cza -3 E [db] -4-5 (b) y = -,34x (c) y = -1,16x - 22 (c) y = -,39x odległość [m ] Rys. 4. Natężenie pola elektycznego zmiezone w óżnych odległościach od nadajnika w koytazach podziemnych kopalni iemowit tłumienie tasy dla częstotliwości 415MHz w tzech óżnych tunelach podziemnych. = 1MHz -1-2 (a) chodnik 747 zaw ał (b) chodnik 747 stacja kolejki (c) ściana 72 w ydobyw cza -3 E [db -4-5 (b) y = -,23x (a) y = -,64x - 38 (c) y = -,36x odległość [m] Rys. 5. Natężenie pola elektycznego zmiezone w óżnych odległościach od nadajnika w koytazach podziemnych kopalni iemowit tłumienie tasy dla częstotliwości 1MHz w tzech óżnych tunelach podziemnych.

6 Tab. 2. Wyniki pomiaów tłumienia tasy na podstawie [2, Tabela 2-3] gdzie stopa oznacza.348m Tab. 3. Wyniki pomiaów tłumienia tasy na podstawie pomiaów w óżnych tunelach w kopalni iemowit Częstotliwość Chodnik zawał Chodnik stacja kolejki podwieszanej Ściana 72 - wydobywcza 2MHz MHz MHz Tab. 4. Poównania wyników pomiaów tłumienia tasy tuneli na 1m o podobnych pzekojach ( 4 6m szeokości i 2.5-3m wysokości) podane w liteatuze [2,4,7,12] oaz zmiezonych w kopalni iemowit Częstotliwość Chodnik/tunel [2] Inna liteatua Ściana 72 - wydobywcza [4,7,12] 2MHz MHz MHz Powyższe częstotliwości zostały wybane dla poównania wyników z pacami innych autoów. Pzykładowo w apocie imy Collins Radio Company [2] (Tab.2) badano popagację w tunelu o pzekoju postokątnym będący dogą tanspotową, któy miał szeokość około 4.3m (14 eet) i wysokość około m (7-8 eet) i był on zbliżony wymiaami do badanego w kopalni iemowit (szeokość 4m i wysokość 2.5m) dla pzypadku c. W apocie [2,7] dla częstotliwości 2MHz oszacowano tłumienie tasy na 5-8dB/1m (w zależności od polayzacji postokątny pzekój tunelu). Pezentowane wyniki z kopalni iemowit wskazują na tłumienie na poziomie 37dB/1m pzy tej samej częstotliwości. e względu na dużą liczbę czynników, któe mają wpływ na całościowe tłumienie tasy w tunelu poziemnym oaz tudności pomiaowe i spowodowane nimi duże niepewności pomiaowe, można uznać, że wyniki te są ze sobą zbieżne. W pzypadku częstotliwości 415MHz i 1MHz tłumienie tasy zmiezone w tunelu (c) w kopalni iemowit oscyluje w ganicach 36-39dB/1m, podczas gdy dane podawane pzez [2] mają watości 1-2dB/1m zaś w liteatuze [4,7,12] wahają się od watości 3dB do 18dB/1m. Ta badzo duża ozbieżność poza wspominaną niepewnością pomiaową wynika także z zastosowanych mocy nadajników i wynikających z nich zasięgów badanych tansmisji. W [2] stosowano wielokotnie większe moce nadajnika, pzez co obsewowano sygnał na większych odległościach. W tansmisji w tunelu podziemnym obsewuje się dwa zakesy o óżnym współczynniku tłumienia. Piewszy blisko anteny wielomodowy (mody alowodowe wysokiego i niskiego zędu) chaakteyzujący się silnym tłumieniem, oaz dugi zawieający mody alowodowe niższego zędu chaakteyzujący się mniejszym tłumieniem. większenie mocy nadajnika i wydłużenie zasięgu tansmisji spowodowało, że w [2] obsewowano śednio mniejsze tłumienie tasy, ponieważ większy wkład w śednią miały dugi zakes o mniejszym tłumieniu. Opisywany eekt widoczny jest na ysunku 3 wykes (b) i w tabeli 5 (b).

7 Tab. 5. Poównania wyników pomiaów tłumienia tasy dla częstotliwości 9-1MHz, dla tuneli podziemnych o podobnych pzekojach (szeokość około 4m i wysokość około 2m) podane w liteatuze [2,4,12] na 1m (a) Pzebieg tłumienności tasy w tunelu podziemnym na podstawie [2] dla częstotliwości 1MHz; (dynamika tłumienia od 3 do -18dB, zakes odległości od do 915m) (b) Pzebieg tłumienności tasy w tunelu podziemnym na podstawie [4] dla częstotliwości 9MHz; (dynamika tłumienia od 3 do -9dB, zakes odległości od do 1m) (c) Pzebieg tłumienności tasy w tunelu podziemnym na podstawie [12] dla częstotliwości 87-97MHz; (dynamika tłumienia od do -25dB, zakes odległości od do 15m) Podsumowując uzyskane wyniki i towazyszące im ozbieżności w poównaniu z niektóymi danymi liteatuowymi, należy pokeślić, że badania powadzone pzez nasz zespół odbywały się w zakesach mocy nomalnie stosowanych w systemach adiowych, pzez co są badziej odpowiednie do wyciągania wniosków na temat zasięgu popagacji geneowanych sygnałów (gęstość mocy geneatoa szumu dbm/1mhz). Duże zasięgi tansmisji dodatkowo wymagają postych odcinków tuneli, w któych może odbywać się omowanie modów alowodowych o niskim tłumieniu (duży zasięg), co dodatkowo oganicza w paktyce występowanie takiego pzypadku. Chaakteystyka inastuktuy podziemnych zakładów góniczych (głębokość pod ziemią, pzekoje tuneli, nieegulaność kształtu, dodatkowe wyposażenie/zbojenie ścian tuneli) spawiają, że ale elektomagnetyczne emitowane pzez uządzenia tansmisyjne o oganiczonej mocy do 2-26dBm ERP, stosowane na teenie kopalni nie są w stanie wydostać się na powiezchnię na poza poziom wymagany dla egulacji pawnych (np. dla nomy PN-EN 5522:2 dla uządzeń klasy B oaz w ETSI EN :24). Liteatua: 1. P.Tyawa, M.Kałuski, Poceduy wzocowania anten pomiaowych, Telekomunikacja i Techniki Komunikacyjne, 1-2,25 2. Collins Radio Company, Reseach and Development Contact o Coal Mine Communication System, Pepaed o Depatment o Inteio Bueau o Mines Washington, D. C. USBM Contact No. H , Novembe A. G. Emslie, R. Lagace, P. F. Stong, Theoy o the Popagation o UHF Radio Waves in Coal Mine Tunnels, IEEE Tansactions on Antennas and Popagation, vol. ap-23, no. 2, Mach Y. P. hang, G. X. heng, and J. H. Sheng, Radio Popagation at 9 MHz in Undegound Coal Mines, IEEE Tansactions on Antennas and Popagation, vol. 49, no. 5, May Y. P. hang, Y. Hwang, J. H. Sheng, Popagation Chaacteistics o UHF Simulcast Signals in Tunnel Envionments, Communication Technology Poceedings, ICCTapos;96., 1996 Intenational Coneence on Volume, Issue, 5-7 May 1996 Page(s): vol.1 6. Y. P. hang and H. J. Hong, Ray-Optical Modeling o Simulcast Radio Popagation Channels in Tunnels, IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 53, NO. 6, NOVEMBER Dana T. Updyke, Wayne C. Muhle, Howad C. Tunage, AN EVALUATION OF LEAKY FEEDER COMMUNICATION IN UNDERGROUND MINES, United States Depatment o the Inteio Bueau o Mines Contact No.: JO 19948, June Fenando Matí Pallaés, Fancisco J. Ponce Juan, Leando Juan-Lláce, Analysis o Path Loss and Delay

8 Spead at 9 MHz and 2.1 GHz While Enteing Tunnels, IEEE IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 5, NO. 3, MAY T.S. Coy, Popagation o EM Signals in Undegound Metalinon-Metal Mines, U.S. Depatment o the Inteio Bueau o Mines 48 obes avenue Pittsbugh, Pennsylvania Matine Liénad and Piee Degauque, Natual Wave Popagation in Mine Envionments, IEEE Tansactions on Antennas and Popagation, vol. 48, no. 9, Septembe S. Chow, Popagation o Radio Waves in Potash Mine Tunnels and its Implication on Radio Systems Peomance, Communications Reseach Cente (CRC) Depatment o Communications (DOC), Govenment o Canada, Singapoe ICCS/ISITA ' Y. Sehan, H. Aslan, Statistical Wieless Channel Popagation Chaacteistics in Undegound Mines at 9MHz, Militay Communications Coneence, 27, MILCOM 27. IEEE, p.1-7, Oct. 27