CN1042214A - 远程多点无线控制与监测系统 - Google Patents

Abstract

一种在天然矿中，例如在纵壁或连续矿中远程监测诸如一氧化碳或甲烷气浓度，机械参数或原煤、天然碱、钾碱矿层厚度的状态参数的方法。可以通过一种自然波导通路或者通过利用对短路磁偶极天线的正确定向，使与发射机及中心接收机磁偶合的公用导体将数据传送给中心接收机。该方法例如可以应用在自动控制多个纵壁顶部支撑位置或从纵壁的钻头沿钻杆将数据发射到中心接收机。利用与一个公用导体感应偶合的转发器系统可以使远程位置与地面之间进行数据通信。利用转发器系统允许由地面计算机来操作矿中的采矿机械。

Description

总的来说，本发明涉及在地下矿中传送数据的方法，更为具体地说，是涉及数字编码无线电信号的数字串传送数据的方法。该方法的信号是利用发射机和接收机借助于电短路式的磁偶极天线对公用导体及天然波导的矿层的感应偶合予以传送的。

在“利用中频技术和现有的矿中导体的控制与监测”（IEEE工业应用学报，IA-21卷1985年7/8月，第1091页，Dobroski和Stolarczyk著）一文中简要地描述了一个基本的实验数据遥测系统。该系统使用了经由现存于矿中的电导体自动传送数字编码中频无线电信号的短脉冲串。该论文教导了利用线路偶合器作为将信号偶合到本地线路的装置，但对数据收集用的传感器则没有描述。当从多个传感器产生的同时发送或使用多个转发器在地面与矿下远程监测点之间通信时避免数据冲突的方法也没有描述。此外轮询技术也未予以描述。

多点无线数据传送系统的一些特征在题为“远程及近程多点无线传感器数据传送系统”的一篇有产权的技术建议书中有更完整的描述。该建议书由L·Stolarczyk及J·Jackson在1986年11月7日提出。该建议书中公开了：高及低磁距发射机的应用，自动脉冲串发送技术，睡眠定时器接口电路的应用以及使用谐振环形天线对公用导体及天然波导方式作感应偶合技术。然而没有描述轮询技术。

在美国专利US    4753484（1988年6月28日授权给L·G·Stolarczyk）中描述了使用煤岩传感器远程控制一个切煤机。

在美国专利Re.32563题为“用于煤层结构测绘的连续波中频信号发送方法”（授权给stolarczyk，下称Stolarczyk’563）中描述了使用谐振环形天线激励煤层传输模式。在Stolarczyk’563中使用了中频无线电波来产生煤层中出现的地质变异的图象。

在美国专利US4742305，题为“地质岩层中变异的重直图象构成方法“（授权给L·G·Stolarczyk）中将Stolarczyk’563中的技术扩展到包含垂直平面的图象并且进一步地描述了利用谐振环形天线激励电波在天然煤层传输的模式。

在磁偶极天线附近，由于波阻抗为虚数，故能量损耗很小这一事实描述在“天线理论”一书中（J·R·wait著McGaraw    Hill图书公司，第24章，编辑为R·E·Collin和F·S·Zucker，1969年）。

在公用导体感应电流及电场之间的关系描述在“时间-谐波电磁场”（R·F·Harrington著，McGraw    Hill图书公司，1961年，第234页）一书中。

从而，本发明的目的在于提供一种由矿物介质传送数据的可靠方法。

本发明的另一目的在于提供一种由矿物介质自动传送数据的方法，该方法可以延长传感器和发射机电池的寿命。

本发明的另一目的在于提供一种由矿物介质自动数据传输的方法，该方法利用单个接收机能够监测多个传感器。

本发明的另一目的在于提供一种由矿物介质传输数据的方法，该方法中监测点能够移动或快速改变。

本发明的另一目的在于提供一种由矿物介质传输数据的方法，该方法消除了传输电缆发生故障的危险。

本发明的另一目的在于提供一种自动调节切煤机切削边缘位置的方法。

本发明的另一目的在于提供自动改变纵壁矿中顶部支撑位置的方法。

本发明的另一目的在于提供由钻杆头部传输数据的方法。

本发明的另一目的在于提供在自然矿物介质中向采矿设备和从采矿设备作轮询数据传送的方法。

本发明的另一目的在于使用感应偶合转发器在地面计算机与地下矿总体中远程监视点之间进行数据通信的方法。

本发明的另一目的在于由一传感器向采矿机械发送实时煤层厚度数据的方法。

简要地说，本发明的优选实施例包括多个数据传输单元，它们包括与低磁距发射机（LMMT）或与高磁距发射机（HMMT）相连接的监测传感器。该数据传输单元受一个微计算机及一个睡眠定时接口的控制，该接口自动地和周期性地操作传感器及发射机并起动低中频无线电信号的多个短持续期脉冲串的发射。在轮询系统中，睡眠定时器接口被一个响应指定识别码的接收机代替。

由传感器采集的数据利用一个微计算机转换成数字格式，由这一微计算机发送一个串行数字数据码流给最小相移键控（MSK）调制解调器，用于对发射机产生的载波信号进行频率调制（FM）。该调频FM无线电信号利用电短路磁偶及天线，例如一种谐振环形天线或一种铁氧体磁棒天线，使发射机与中心接收机对公用导体进行感应偶合，而被传送到中心接收机。此外，电短路式磁偶极天线激励现存的天然矿介质，如煤矿中的天然波导方式。在一个自动传输系统中的中心接收机上，或在轮询系统中的基站接收机上，该已调FM无线电信号被解调并将数据输出。借助于校核接收到的位的数目和位的奇偶性及要求数据的重复率用与中心接收机相连的微计算机的一个算法程序验证数据的有效性。而后该数据传送给控制与监视计算机以作进一步的数据处理。

在一个自动传输系统中，与发射机相连的微计算机的算法程序保证在各随机的时间间隔中将产生多个数据脉冲串的发射。这就减少了在中心接收机上发生数据冲突的可能性以及允许一个接收机监测多个传感器。

传感器能用来监测天然矿介质中的机械的，地质的或环境的参数。例如，一氧化碳或甲烷气的浓度，纵壁顶部支撑压力或是原煤厚度均能被监测出来。关于原煤厚度的数据可以直接发送给切煤机，并且可用来自动改变机器切削边缘位置或者改变纵壁支撑的位置。将原煤厚度传感器安装在切削刀鼓上时，可以获得位置的实时控制。在另一应用中，数据传输单元位于钻杆的内部并且利用对钻杆的感应使数据从钻头发送到中心接收机。

为了在地面控制及监测计算机及矿中远程位置之间获得全矿范围内的数据通信，使用了多个转发器与矿中公用导体进行感应偶合。这些转发器用低频载波信号（F₃）传送信息，该低频载波信号的衰减率低。基站或远程监测点用频率F₂传送信号，它使转发器再以频率F₃转发这一信号。一个单独的转发器接收F₃信号并以频率F₁再发射，该频率F₁能被矿中设备接收。于是控制数据能从地面控制与监视计算机发送，经过转发器网络传送到远程控制点。同样，传感器数据也能从远程点经转发器网络传送回到地面控制与监测计算机。

本发明的一个优点在于使用了多个随机的数据脉冲串发射，降低了接收机中的数据冲突。

本发明的另一优点是由于使用了睡眠定时器及短脉冲串无线电信号技术延长了发射机中电池的寿命。

本发明的另一优点是可以用一个中心接收机监测多个传感器。

本发明的另一优点是使用短路式磁偶极天线，该天线可以引起导体方式及自然波导方式的传输。

本发明的另一优点是减少了传输电缆故障的危害。

本发明的另一优点是数据能从一个钻头发送给中心接收机。

本发明的另一优点是矿用设备的位置能够受地面计算机的控制或自动地改变。

本发明的另一优点是转发器网络能应用现有的矿中电导体用于对控制与监测信号的传输。

本发明的另一优点是可以使用轮询系统控制和监测在地下矿中远程点上的设备。

本发明的另一优点是能够将实时的煤层厚度数据发送给矿用机械或控制和监控位置。

本发明的这些和另外的目的与优点无疑对本领域的普通技术人员在阅读了以下的优选实施例的详细描述以后将是十分明显的。其优选实施例在以下的说明书附图中进行了说明。

图1是根据本发明的数据传输单元的柜图;

图2是根据本发明的多点无线监测系统的顶方向视图;

图3是本发明的煤层探测器的侧面图;

图4是一个纵壁防护板的顶部视图;

图5是本发明的在钻探装置上作测量的侧视图;

图6是根据本发明的一个电导体与一个环形天线的正确定位图;

图7是根据本发明的一个轮询数据传输系统的示意图;

图8是一个远程控制与监测单元的方柜图;

图9是根据本发明的一个穿孔式采矿的控制系统示意图。

图1表示一个自动数据传输单元12的电子组件的柜图。该数据传输单元包括一个发射器16，一个微计算机印刷电路（MPC）模块20，一个传感器24，一个睡眠定时器28，一个电池32及一个短路磁偶极天线36。

发射器16是一个包括接收单元的调频（FM）发射器。典型地，该传输单元12能够监测八个模拟量信道。

MPC模块20包括一个最小相移键控（MSK）调制调解器（modem）40，一个微计算机44，一个模数转换器48，一个复用器52及一个RS-232端口56。

微计算机44可以是具有2k字节的可擦可编程只读存储器（EEPROM）的标准8位CMOS微计算机。

磁偶极无线36与发射器16形成电连接，并且可以是一种短路磁偶极天线，例如铁氧体磁棒天线或谐振环状天线。

传感器24与睡眠定时器接口28形成电连接并且其功能为产生相应于规定操作的数据。例如，该传感器24可以是一个机械参量传感器，一个地质传感器，一个环境传感器，或原煤层传感器。若作为一个机械参量传感器的话，该传感器24例如至少可以测量一组普通机械参量，例如：流体压力、电机电流、倾斜角，间距或偏离角。若作为一个域质传感器，该传感器24至少可以测量一组普通地质参数，例如，应力、压力或力。若作为一个环境传感器，该传感器24至少可以测量一组普通环境参数，例如，一氧化碳或甲烷气的浓度，空气的速度或灰尘的浓度。若作为原煤传感器，该传感器24可以测量煤、天然碱或钾碱层的厚度并且可以为任何几种类型的煤岩传感器，诸如水平传感器，该传感器测量天线电导或测量背景幅射的一种传感器。

传感器24，发射器16，睡眠定时器接口28及MPC模块20均由电池32供电，该电池可以是一种特性上安全的电池。睡眠定时器接口28用于来自传感器24和发射器16的电状态信号并且周期性地将电源接通到传感器24上。

图2表示用总标号80标出的多点无线监测系统。该系统能够用于远程监测诸如地下煤、天然碱或钾碱矿层的天然资源媒界中的状态。系统80中包括多个低磁矩（LMM）自动数据传输单元88及多个高磁矩（HMM）数据传输单元92。LMM单元88包括数据发射单元12的所有组件。其中发射器16工作在低磁矩上，如为0.1ATM²（每平方米安匝数）并且其天线36包括一个铁氧体磁棒天线94。该LMM单元88位于多个纵壁防护板96的附近，例如在防护板96的下方或顶部。每个LMM单元88利用其天线36在邻近的电导体98中感应出电流来，电导体98例如可以是公用导体，诸如交流供电电缆，金属缆线，电话或其他通讯电缆，水管或传送带结构。

HMM单元92包括数据传输单元12的所有组件，其中发射器16工作在高磁矩上，如为2.5ATM²并且其天线36包括一个短路磁偶极天线，例如为30寸垂直谐振环形天线100。HMM单元92利用天线100与电导体98及自然波导方式形成感应偶合，下文还要讨论。

中心接收单元102利用天线106与一个架设的室内电缆104产生感应偶合。天线106可以是一个电短路磁偶极天线，如为30寸垂直谐振环形天线100。该中心接收单元102包括一个调频（FM）接收机108，一个最小相移键控（MSK）调制解调器（modem）110，一个微计算机112及多个用于与诸如数据记录器这样的与微计算机公共连接的电部件进行通讯用的输出/输入端口114。一般来说，该微计算机包括具有32k字节的固定型可编程随机存储器的标准8位微计算机。

一个包含LMM单元88及以原煤传感器119形式出现的传感器24的原矿层探测器118被设置在煤矿床84的附近并且可以安装在一个切煤机124上，例如一个纵壁直立槽式截煤机的挡煤罩120上或者变程臂122上。有一个机器自动控制单元（MACU）125与机器124的控制系统形成电连接。

当纵壁防护板96进入煤矿床84中时，多条钢缆126可以在这些纵壁防护板96之间放松。一个或多个LMM单元88可容纳在一个金属外壳128中并且可用天线94与钢缆126形成磁偶合。钢缆126与电导体98及架设的室内电缆104形成电连接以提供对中心接收单元102的可供选择的通信路经。金属外壳128保护LMM单元88免于遭到破坏。

图3表示探测器118更为详细。探测器118位于切煤机12的切刀鼓130的附近，并且与变程臂在转动点132形成连接。位于探测器118底部的平衡锤134使探测器118近乎垂直定向地悬于转动点132的周围。在这个实施例中，煤岩传感器119是如美国专利US4753484（授权给L·G·Stolarczyk，公告日为1988年6月28日）中描述的测量电导的并在商业上称之为居位传感器。一种原矿层的厚度，例如煤、钾碱或天然碱的厚度可以利用探测器118来测量。如前所述，LMM单元88包括数据传输单元12及铁氧体磁棒天线94。

图4更详细地描绘了纵壁防护板96。一个水平液压臂136在机械上将纵臂防护板96与一个板槽传送线138（pan    line）连接起来。垂直液压臂140在机械上连接于防护板底基142及防护板顶部支撑板146之间。一个顶部支撑板自动控制单元（RSACV）148安装在防护板96上。RSACV148及MACU125包含的电子部件与在中心接收单元102中所包含的那些部件相同。明确地说，一个微计算机、一个收发机、一个最小相移键控调制解调器，一个输入输出端口及一个天线，更为详细地如图8中所示。

图5表示在钻探设备上的测量装置，钻探设备用总标号170表示，这种测量装置是多点无线监测系统80的一个另外的实施例。在钻探设备170中，HMM单元92放置在一个导电钻杆172的内部，例如是使用在长孔钻探工作中的那类电钻杆的内部，并在钻孔电机174的附近。在钻杆172的表面上磨进一个凹口176，用于放置与HMM单元92有电连接的天线100。在这个实施例中，该天线100可为30吋的谐振环状天线并且应位于相对于钻杆轴向中心线的子午面中（见图6）。大约在为3/16寸的距离“t”上使天线100与钻杆172的表面隔开。天线100可以围上一种保护材料，如一种烧结陶瓷材料。在钻探设备170中，传感器24典型地应是地质传感器的形式。

中心接收单元102放置在一个充有空气的室178中，该室接近于钻杆172上与钻探电机174相对放置的另一端处。该钻杆可以是用于钻入地质媒介180，如媒或岩石的任何类型的导电钻杆。钻杆172的定向没有要求，可以是垂直的、水平的或是一定角度的。

图6表示垂直磁偶极天线182相对导电体184的适当取向。利用笛卡尔直角坐标系（X、Y、Z）定向，则使天线182放置在水平X-Y平面中而垂直的磁矩M沿Z轴取向。利用球面坐标系（Q，φ，r），则用于来描述电磁场分量Eφ、Hr及H_Q的总的取向。

一个子午平面186包括磁场分量Hr与HQ，而电场Eφ总是在φ方向上垂直于该子午面186的。当一个电导体184的纵轴位于与Eφ相同的方向时，则被天线182在导体184中感应出的电流值为最大。

图7表示一个轮询数据传输系统，该系统中总标号190表示，该系统是本发明的另一个实施例。在系统190中，多个远程监测与控制单元192位于一个矿道194中。每个控制单元192包括一个天线193。该控制单元192可以安装在多个矿用机械上196上，这些矿用机械可以是切煤机124或纵壁防护板96。多个连接转发器197及多个侦听转发器198机械上接近地安装在公用导体200附近，并且也位于矿道194中。收发机201能够发射频率F₄的信号并接收频率F₅的信号，它可以安装在机械196上。公用导体200可以是由表面区域202穿过矿道194的任意电导体。例如导体200可以是上述电导体98中的任何一种。连接转发器197包括一个接收机204，一个接收天线206，一个发射机208及一个发射天线210。相似地，侦听转发机198包括一个接收机212，一个接收天线214、一个发射机216及一个发射天线218。接收天线206及214和发射天线210及218是短路式磁偶极天线，例如为天线36，并且提供对公用导体200的感应偶合。天线206、214、210及218可以是具有夹持在保护塑料板中间的线圈，以形成环形的环状天线。发射机208及216和接收机204及212能够重复地发射与接收低频至中频范围的信号。发射机208发射具有低频范围的频率F₃的信号（“发射频率F₃”缩写为“T₃”），而发射机216发射具有频率为F₁的信号（缩写为“T₁”），并且F₁不等于F₃。接收机204能够接收具有频率F₂的信号（缩写为“R₂”），F₂不等于F₁或F₃。接收机212能够接收具有频率为F₃的信号（缩写为“R₃”）。

在地面区域202上，一个控制与监测计算机220经过一个端口224、例如一个标准RS232端口连接到一个远程音响单元222上。单元222包括一个微计算机印刷电路（MPC）模块226，例如为前述的MPC模块20及一个音频线路对驱动器228。驱动器228具有能与一个基站230双向通信的接收与发射的能力。基站230包括：一个音频驱动器232，驱动器232与驱动器228形成电连接;一个MPC模块234，一个收发机236及一个天线238。该天线238是一个短路式磁偶极天线，它使收发机236与公用导体200形成感应偶合。收发机236能够接收频率F₁及发射频率F₂。MPC模块234包括与MPC模块20相同的结构。

多个无源转发器240放置在矿道194中。这些转发器240包括一个谐振天线241，一个电容器242，一个UHF发射机244及一个UHF天线246。

图8更详细地描述了远程监测与控制单元192。作为短路式磁偶极天线的天线193与能够发射具有频率F₂信号及接收具有频率F₁信号的收发机248形成电连接。收发机248连接到微计算机印制电路（MPC）模块249上，例如一个MPC模块20。MPC单元249与多个输出电路250（缩写为“O”）及多个输入电路252（缩写为“I”）相连接。超高频（UHF）接收机254与输入电路252相连接。外部系统，例如一个传感器256或者一个机械控制系统258可连接到输入电路252上。传感器256可以是前述的有关传感器24的任一种类型。机械控制系统258可以是一种继电的或电动液压控制系统，如为机械124的控制系统或是纵壁防护板96的电动液压控制系统。远程监测与控制单元192其功能如图2中所示的MACU125或如图4中所示的RSACU148。输出电路250连接到一个接口单元259上，后者又与机械控制系统258相连接。

图9表示一个穿孔或矿道系统，用总标号260表示，它是一个图7所示的轮询数据传输系统190的另一实施例。在系统260中与图7相同的部件利用同样的标号，只是用撇号以示区别。在系统260中多个原煤肋262被留在矿山顶部煤层264中以支撑顶部岩层部分266。这些煤肋262的厚度为“t”，该厚度足以能够支撑顶部岩层部分266。一般地说，厚度为40吋就足以了。切煤机196’的壳体可以安装煤层厚度传感器268，它安装在切煤机196’的表面上，或者在切煤机196’的切刀鼓上安装煤层厚度传感器270。传感器268及270可以是如前在优选实施例中所述的原煤传感器119，它是在美国专利US4753484（1988年6月28日授于L·G·Stolarczyk）所述的那种测量电导的传感器。对于安装在切刀鼓上的传感器270，传感器体安装在切刀鼓内或其表面上，而其天线安装在容纳切刀鼓272的切齿的缝隙274中。切刀鼓272可以是譬如属于连续采矿机械或者是属于纵壁直立槽式剪煤机上的切刀鼓。将传感器270安装在切刀鼓272上可以实现底部或顶部煤层、天然碱层或钾碱层原矿厚度的实时测量。由于使用了传感器268或270及远程监测与控制单元192’，采矿机械196’可以从路面276或另外的安全区域进行远程控制。使用传感器268及270就可以使煤肋262的厚度“t”保持在适当的值上，以保证对顶部岩层部分266的可靠支撑。

现在可以来解释多点无线监测系统80及钻探装置170的测量以及轮询数据传输系统190的功能。参照图1，在预编程的时间间隔上，睡眠定时器接口28使电能从电池32供给发射机16，微计算机模块20及传感器24。由传感器24采集到的数据，无论是模拟量的电流、电压或继电器触点位置等均由模数转换器48转换成一种数字格式。然后发射机被启动（键控）并且向MSK    modem    40发出一个串行的数字数据码流，它们用作为发射机16的调制信号。该已调信号然后发射到中心接收单元102。

由传感器24采集到的数据转换成数字格式是利用将模拟信号由传感器24经复用器52连接到模数转换器48的输入端来完成的。被转换的数字信号送到微计算机44，在这里信号被修正并储存在RAM中用于以后的发射。串行的数据被发送到MSK    modem    40，并且MSK    modem输出的信号将一个低频或中频（MF）范围的载波信号进行调频（FM）。例如用1200Hz的音频音调信号表示数字信号的逻辑“1”，而用1800Hz的音频音调信号表示逻辑“0”。所产生的两种频率的MSK调制信号提供给窄带FM发射机16，以便发射给中心接收单元102。

每次由发射机16发射包含32个或更多的数据位。每个数据字分成三个字段：一个前序字段，一个位起动字段及一个包含标志及数据的字段。

为了使中心接收单元102在一个短的时间周期中从若干个传感器接收数据，需要一个数据接收方案以防止数据的冲突（碰撞）。在优选实施例的数据接收方案中，发射机16仅在发射一个数据字所需的时间中工作。而后发射机16停止工作一个短的随机的时间周期，它通过微计算机44的程序由随机数发生器决定，然后该数据字的发射可以被重复进行。这一序列可以重复“N”次，这时由于相同的数据的多次发射从而改善了位误差率（BER）。例如在一次脉冲串发射（P_B）中，如果BER为在32位中有一位差错（1/32），则在下次重复后BER则为（1/32）·（1/32）＝1/1024。一般来说，BER＝（P_B）^N。每个数据字的前序字段用于对中心接收单元102中的微处理机112中数字数据解码算法程序中的定时脉冲进行触发与同步。该算法程序使用以下差错检查策略校核每个32位字的有效性（也即保证检验数据字脉冲串的同步接收）：

1，在数据字被认为有效以前，脉冲串中的第一个数据字至少必须跟随一个相同的数据字;

2，该数据字后不跟随数据位;以及

3，接收到的数据字场的奇偶性必须与发射的奇偶检验位一致。

在本系统中，如果在每个字中8位再加上数据的奇偶检验位的话，可以利用5位单独地来检验识别多点无线监测系统80中的31个传感器。使用31个传感器及一个为60秒的监测时间间隔的话，则系统80将有百分之十四的占线时间，如下式（1）所示：

E（占线时间）＝ (NTN)/(T) ＝ (（5）（0，054秒）（31个传感器）)/(60秒) ＝0.139

（1）

其中：

n＝32位字重复数;

T＝发射机的发射时间（秒）;

N＝传感器数;

T＝取样时间间隔;以及

E＝系统占线时间百分比。

睡眠定时器接口电路28控制式（1）中的采样时间间隔“T”。这是一个重要的参数，因为电池32的寿命取决于采样时间以及发射机的工作时间和电池容量。因此，如下表所示，电池32的寿命（单位：天）在使用了本发明的随机采样技术后能够大大地延长。

高磁矩发射机用电池寿命（单位：天）

（发射机工作时间为300毫秒）

电池的安一时容量

采样时间间隔    2.5    5    10.0

每小时    1406    2812    5624

每分钟    23    46    96

连续    0.1    0.2    0.4

在采样之间的随机时间有助于阻止在同一时间上产生的传感器发射中的冲突。于是，与随后的每个发射脉冲产生冲突的可能性被减低到微不足道的数值。

多点无线监测系统80使用电导体98及架设的室内电缆104作为信号分配网络（公用系统方式）。信号也可通过天然波导方式传输。该天然波导是由天然矿物媒介，例如与岩层接界的上方或下方的煤层84构成的，该岩层具有与天然矿物媒介不同的电导率。这种将含数据的无线电信号同时用公用系统和天然波导方式的传输在技术上与操作上优越于使用导线对或同轴电缆的数据传输系统，因为在后一系统中经常由于岩石下落、失火或机械运动的故障引起电缆的故障。

使用不同传输方式的多点无线监测系统80的工作范围给出如下：

(系统80的工作范围)/(（无转发器）)

信号通路    范围

高磁矩发射机

经过煤层    500    至1400英尺

经过交流供电电缆    5000    至8000英尺

未屏蔽的对绞电缆    10000至33000英尺

传送带结构    大于18000英尺

沿钻杆    大于5000英尺

低磁矩发射机

屏蔽的交流供电电缆    15000英尺

对于在图5中所示的钻探装置170上的测量，其功能与无线监测系统80相似。利用传感器24在HMM单元92产生的数据被转换成串行的数字数据码流，它们被用于对一个载波信号进行调频。发射机16将该FM调频信号传送给天线100。由于天线100非常接近于钻杆172的表面，因而保证了对钻杆172的高效率磁偶合。与中心接收机单元102相连接的天线106用来接收沿钻杆172传播的FM电磁波信号。相反，信号也可以从中心接收机单元102及天线106传送给天线100及HMM数据单元92。

多点无线监测系统80，轮询数据传输系统190及钻探装置170上的测量全都是采用短路磁偶天线来发射公用系统及天然波导方式的信号。磁偶极天线大大优越于电偶极天线。这是因为当电偶极天线工作在低导电率的岩石介质附近时，其辐射波阻抗的实部是非常大的，因此耗散掉很多的能量。利用磁偶极天线时，因为磁偶极天线的波阻抗是虚数，从而只损耗很少能量。

磁偶极天线36必须定向得使磁偶极天线能够激发波导方式电波的传播或者激励公用系统方式电流的流动。在采用谐振环形天线100及106时，是将环182相对于导体186的取向来实现的，如图6所示。在采用铁氧体磁棒天线94时，磁棒的纵轴应该平行于电导体186的纵轴进行取向。

在“时间-谐波电磁场”（“Time-Harmonic    Electromagnetic    Fields”R.F.Harrington著，1961年Mcgraw    Hill图书公司出版）一书的第234页这样描述：当电场“E”按照公用导体的轴被极化时，则在该导体中感应的电流由式（2）给出：

I＝2πE/jωuln（ka）    （2）

其中：

u＝导磁率;

a＝导体半经;

k＝媒介电波传播常数;

j＝ $\sqrt{\mathrm{-1}}$ ;

ω＝无线电信号频率（弧度/秒）;

L_N＝自然对数;及

E＝电场分量强度;（伏/米）。

因而当实际的天线安装得非常接近一个电导体时，在导体中产生了大的单线电流。

多点无线监测系统80对于获得对一个煤矿系统中矿顶支撑系统的自动控制是很有用处的。在这种煤矿系统中，例如使用了如图4所示的纵壁防护板作顶部支撑。由煤层探测器118产生的数据作为第一信号发射给机械自动控制单元125。第一信号包括煤矿层84厚度的信息，该信号并由切煤机124金属体及变程臂122的感应偶合而被传送到控制单元125。对于这次数据作出响应后，控制单元125操作机械124的电动液压系统，它可以改变机械124的机械功能。例如，变程臂122可以升起或降低或者机械124被指令向前或停止。此外，收发机152可以发射第二信号给顶部支撑自动控制单元148。第二信号操作纵壁防护板96的电动液压系统。例如引起垂直液压臂140提供升高的顶部支撑压力。另一方面，利用操作水平液压臂136，可使纵壁防护板96移近板槽传送线138或者向后移远。

实际中，有多个纵壁防护板96，每个均接收由控制单元125发射来的相同的第二信号。然而在MSK解码器信号中的ID位也可用来操作专门的纵壁防护板96。

在图7中，轮询数据传输系统190在控制及监测计算机220及远程监测及控制单元192之间利用多个转发器通过天线238、206、210、214、218及196对公用导体的感应偶合进行数据传输。“轮询系统”（Polled    system）一词是指：当在远程单元上接收到载有指定识别码的信号时，该远程单元才进行操作。计算机220产生一个数字数据字，它经过端口224传送给MPC模块226。音频线路对驱动器228将该信号传送到基站音频驱动器232。无论是MPC模块226还是MPC模块234均可以用来将数字转换成MSK调制信号，正如前面涉及到的多点无线监测系统80时所解释的那样。与公用导体200感应偶合收发机236发射频率为F₂的MSK调制信号。连接转发器197接收到该信号并同时再以频率F₃重新发送该信号，以使其分布在整个矿道194中。频率F₃设置在低频范围是因为低频信号具有较小的衰减率，从而可以更有效地传送到远距离。侦听转换器198接收F₃信号并同时以频率F₁再将该信号发射出去，频率F₁被控制单元192更有效地接收。远程监测及控制单元192用收发机248接收F₁信号。MSK信号传送给MPC249，在249中校验地址。如果该地址适合一个特定的控制单元192，则MPC249产生一个相应的输出信号，该信号传送给接口单元259，单元259控制机械控制系统258。在计算机数据字指令的执行中，MPC249可通过输入电路252测量传感器数据，并利用从收发机152以频率F₂发射的一个信号给连接转发器197并经由转发器网络启动对控制与监测计算机220的发回。此外，由F₂信号形成的磁场可以由天线241接收并用来使无源转发器240的电容242充电，然后转发器240可使UHF发射机244将信号发射给矿194中另外的设备上。相似地，UHF发射机244能与远程监测与控制单元192中的UHF接收机进行通信，用于操作输入电路252或输出电路250，或者用于从收发机152发射一个信号。无源转发器240用来确定矿194中运动设备的位置。例如，收发机201发射频率为F₄的信号，该信号可以为750KHz的信号，将其发射给转发器240。F₄信号将使电容242充电，这将引起发射机244发射UHF信号。

虽然本发明是根据所提供的优选实施例描述的，但应当理解为这种公开发明不能被看成是对发明的一种限制。无疑，本技术领域的专业人员阅读了上述公开文本后，将会很容易地作出各种改进和改型。从而，应该将附于后面的权利要求书视为覆盖本发明的精神和范围的全部改进和改型。

Claims (20)

1、一种远程监测自然矿介质中的状态的方法，该方法包括：

将一个传感器放置在要被监测区域的附近；

周期性地将电源供给一个传感器的发射机及该传感器；

利用该传感器采集数据以监测待监测区域的状态；

将该传感器采集的上述数据转换成数字；

起动一个传感器发射机使其工作一段对发射上述数据字足够长的时间间隔；及

在上述时间间隔中从该传感器发射机将上述数据字发射给一个中心接收机。

2、根据权利要求1的方法，其中发射所述数字字的步骤包括：使用电短路磁偶极天线在一个电导体中感应出电流。

3、根据权利要求1的方法，其中发射上述数字字的步骤包括：使用短路磁偶极天线激励一种自然波导的传输方式。

4、根据权利要求1的方法，进一步包括下述步骤：

在发射所述数字字以后，停止该传感器发射机的工作;及

在一个随机的时间间隔上再起动该传感器发射机并再发射该数字字。

5、根据权利要求1的方法，进一步包括步骤：保证在上述中心接收机中接收到所述数字字的有效性。

6、根据权利要求5的方法，其中保证上述数字字有效性的方法包括下述步骤：

检验接收到的第一数字字至少与随后的一个数字字相同;

检验所述的数字字包含一个预定的位数;以及

检验第一个接收到的数字字与所述发射的数字字的奇偶校验性相同。

7、自动调节采矿机械的采矿刀鼓位置的方法，该方法包括：

将一个原矿层探测器放置到采矿机刀鼓的附近;

利用原矿层探测器采集数据;

将原矿层探测器采集到的数据转换成数字字;

将该数字字从原矿层探测器发射到与上述采矿机相连接的自动控制单元;

响应接收的上述数字字改变上述切刀鼓的位置。

8、根据权利要求7的方法，进一步包括下述步骤：

将信号从上述第一自动控制单元发射到与一个顶部支撑防护板相连的第二自动控制单元;及

响应上述信号改变上述顶部支撑防护板的位置。

9、根据权利要求8的方法，其中所述顶部支撑防护板的位置变化包括改变垂直液压臂中的液体压力。

10、从一个钻头向一个控制单元传输数据的方法，该方法包括：

将一个数据传输单元设置在一个钻杆的内部;

使该数据传输单元对所述钻杆感应偶合;及

从该数据传输单元向一个控制单元传送多个数据。

11、根据权利要求10的方法，进一步包括步骤：在传送前将多个数据转换成数字字。

12、一种在整个矿中传送数据的方法，该方法包括：

将多个第一转发器与自地面设置到矿道中的一个电导体产生感应偶合;

将多个第二转发器与上述电导体感应偶合;

将数据信号从一个基站以频率F₂发射给各第一转发器中的一个;

再从该各第一转发器中的一个以频率F₃转发该数据信号送给各第二转发器中的一个;及

再从各第二转发器中的一个以频率F₁将该数据信号转发给远程监测与控制单元。

13、根据权利要求12的方法，其中该数据信号包括一个数字编码字。

14、根据权利要求13的方法，进一步包括下述步骤：

在远程监测与控制单元中将数字编码字解码;及

在接收该数字编码字前校验该数字编码字的地址特征。

15、根据权利要求14的方法，进一步包括步骤：在远程监测与控制单元中利用数字编码字起动多个输出电路。

16、根据权利要求14的方法，进一步包括步骤：利用多个输出电路起动一部机器中的电动液压式控制系统。

17、根据权利要求12的方法，进一步包括步骤：将一个输入信号输入到远程监测与控制单元的输入电路中;

将该输入信号以频率F₂发射给各第一转发器中的一个上;

将该输入信号再从该第一转发器中的一个以频率F₃转发给第二转发器中的一个上;及

将该输入信号再从该第二转发器中的一个以频率F₁转发给基站。

18、一种在矿中测量及煤肋厚度的方法，该方法包括以下步骤：

监测在一个切煤机上的一个传感器;及

测量与该传感器相连接的一个天线的导纳。

19、根据权利要求18的方法，其中该传感器安装在切煤刀鼓上。

20、一种在矿中确定机器位置的方法，该方法包括以下步骤：

将多个转发器设置在一个矿中;

将一个收发器设置在一部分机器上;

从该收发器向该转发器发送第一信号;及

从该转发器向一个监测装置发送第二信号。

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