книги из ГПНТБ / Гешелин М.Г. Радиотелемеханизация в нефтедобывающей промышленности (системы и элементы)

На рис. 2 показан ход лучей при определении дальности прямой видимости между точкой А на высоте /zj и точкой С на уровне земли.

Решая треугольник ОАС, имеем:

R, имеем:

V2Rnt

Одновременно

тогда

Гю =V2Rhv

Принимая радиус Земли R равным 6,37 • 10е м и выражая г в километрах, получаем

г]0 — 3,57]/7ц (м), км.

Для поднятых над землей передающей и приемной антенн даль­ ность прямой видимости имеет следующее выражение:

г0 — 3,57 (|Лhv (м) + Vh2 {м), км.

При определении прямой видимости приходится учитывать кри­ визну Земли, которая существенно влияет на процесс распростране­ ния ультракоротких волн. Она ограничивает дальность прямой ви­ димости и делает ее зависимой от высоты расположения антенны над землей, сказывается на разности хода прямого и отраженного лучей и вызывает эффект рассеивания при отражении волн от зем­ ли, в результате чего интенсивность отраженного луча уменьшает­ ся. Благодаря своей дифракционной способности радиоволны могут огибать выпуклости земли. В системах ближнего действия с рас­ средоточенными ИП, какими являются нефтяные промыслы, рассто­ яние между ДП и ИП (скважиной) уже при небольших антеннах меньше дальности прямой видимости; при этом поверхность земли можно считать плоской.

9

Для полного представления о процессах распространения элек­ тромагнитной энергии требуется ввести понятие о поляризации ра­

правления распространения называется поляризацией радиоволн. Поляризация радиоволн имеет 3 основные разновидности: плоская (линейная), круглая и эллиптическая.

В точку приема приходит радиоволна, имеющая вертикальную и горизонтальную (относительно поверхности земли) составляющие электрического поля. Эти составляющие проходят разные расстоя­ ния на пути к точке приема. Поэтому в точке приема они отличают­ ся друг от друга как по фазе, так и по амплитуде. Если плоскополяризованный луч имеет только одну вертикальную составляющую а =90°), то поляризация радиоволн называется вертикальной. Когда имеется только одна горизонтальная составляющая электри­ ческого поля ( а = 0), луч называется горизонтально поляризо­ ванным.

Круговая поляризация радиоволн возникает в случае, когда ам­ плитуды составляющих равны, а фазы разнятся на 90 и 270°; при этом вектор результирующего поля равномерно вращается с угло­ вой частотой «>. Направление вращения определяется сдвигом фаз между составляющими.

Произвольные значения амплитуд и фаз составляющих электри­ ческого поля приводят к возникновению эллиптической поляриза­ ции, когда результирующий вектор электрического поля вращает­

ся неравномерно.

В каналах связи систем ближнего действия поле в любой точке открытой трассы складывается из двух волн — прямой и отражен­ ной от земной поверхности (см. рис. 1).

Напряженность поля Е\ для прямого луча равна

а для отраженного от земли —

лучами;

R — коэффициент отражения, определяемый по графику; 0 — потеря фазы при отражении;

X — длина волны, я.

10

соты антенны. Согласно первому, это — возвышение антенны Над средним уровнем земли по трассе луча на расстоянии 5—8 км, согласно другому — действительная высота антенны. Поскольку расчеты носят весьма приблизительный характер, под высотой ан­ тенны можно понимать ее действительную высоту.

Для расчета напряженности поля на диспетчерском пункте или телеобъекте, в случае когда антенна ДП находится не на слишком большой высоте и потому возбуждается энергией поля, соответству­ ющей нижней части первого лепестка интерференционной диаграм­

0 —180°, в случае распространения над морем, над влажной и су­ хой почвами показаны в табл. 2.

вия, когда /R/—1 и 0—180°.

12

сказываться влияние земли; в этом случае расчеты необходимо ве­ сти уже по формуле Шулейкина—Ван дер-Поля.

Рас. 4. Ход лучей над сферической поверхностью Земли

Более строгий подсчет напряженности поля при распространении волн над плоской поверхностью земли здесь не рассматривается, так как расчет радиоканала носит весьма приближенный характер. В случае, когда расстояние между ДП и ИП увеличивается и нахо­ дится на пределе прямой видимости, необходимо считаться с .кри­ визной Земли. Этот случай может иметь место при расчете радио­ каналов систем телемеханизации с сосредоточенными ИП (кусто­ вые насосные станций, сборные пункты и т. д.). Из рис. 4 видно, что, если в точке отражения радиоволн от земной поверхности про­ вести плоскость, касательную к земному шару, и отсчитывать высо­ ту антенн от этой плоскости, а'не от поверхности земли, получится та же картина, что при плоской поверхности земли. Следовательно, все рассмотренные положения расчета напряженности поля в слу­

14

чае плоской поверхности земли применимы и при учете кривизны Земли, но в этом случае необходимо заменить действительные вы­ соты антенн их приведенными значениями. Таким образом, учет кривизны Земли сводится к задаче нахождения приведенных высот h\ .и h'2 по известным значениями, hi и Аг; затем расчет ведется по отражательной формуле (формуле Введенского).

Для расчета A'i; h'2 пользуются следующими формулами:

,г? (к.«)

hi — hi (м)---------------м;

12,8

г1(км) h2 = h2 (м)----- —— м.

12,0

Для вычисления А, и h2 необходимо знать расстояния ц и г2, т. е. местоположение точки отражения. Если расстояние между ДП и ИП значительно меньше прямой видимости, и г2 находятся из следующих отношений:

Г, = --------- Г h-i + Ад

И

Ао

г2. = ---- 1— Г,

*! +

где г — длина трассы радиоканала.

Когда длина трассы приближается к дальности прямой видимо­ сти, ri и г2 определяют из следующих формул:

KAt + /а2

При расчетах с использованием формулы Введенского предпо­ лагается, что лучи идут прямолинейно. В действительности под вли­ янием рефракции траектория луча становится криволинейной, что затрудняет вычисление разности прямого и отраженного лучей. В условиях, когда применима формула Введенского, эффект атмо­ сферной рефракции приводит к увеличению напряженности поля в месте приема. Поэтому при расчетах это явление можно не учи­ тывать.

Результаты расчета по приведенным выше формулам хорошо сходятся с данными экспериментов. Однако в случае, когда на пути распространения волн встречается много препятствий, не имеющих

15

строгой геометрической формы (холмы, деревья, вышки и т. д.), расчет имеет весьма ориентировочный характер. В этом случае бо­ лее точные результаты получаются при проведении измерений на­ пряженности поля в точке приема (на ДП) от различных ИП, и наоборот.

На практике могут встретиться случаи, когда очень трудно опре­ делить напряженность поля в точке приема (на ДП). В этом слу­ чае можно воспользоваться моделированием.

При моделировании изготовляют рельефный макет и в точке ИП на высоте предполагаемой антенны помещают лампочку, имитирую­ щую передающую антенну и передатчик. Если свет в точке ДП до­ статочно интенсивен, то можно предполагать, что напряженность поля достаточно велика. Для проверки радиотелефонного канала связи ДП и ИП, когда на ДП применяется изотропная (ненаправ­ ленная) антенна (например, в системе СРП-1), подбирают высоту антенны, при которой ИП достаточно освещены. Если результат не­ удовлетворителен, необходимо изменить расположение ДП.

При проектировании каналов систем ТУ, ТИ, ТС необходимо ве­ сти расчет как прямого, так и обратного радиоканала. В случае, ко­ гда телёобъект или ДП находится за холмом, следует использовать ретранслятор. Для увеличения надежности расчетных результатов Б. А. Введенский и А. Г. Аренберг предложили вводить в отража­ тельную формулу для трасс, расположенных вблизи холмов, строе­ ний и т. п., поправочный коэффициент 0,25—0,40.

II. АНТЕННЫЕ УСТРОЙСТВА

Антенны

Правильный выбор диапазона волн канала радиосвязи еще не гарантирует локальности и надежности последнего. Это обеспе­ чивается только рациональным сочетанием выбора волн и приемно­ передающих антенн. Поэтому качество радиоканала в большой степени зависит от выбора передающих и приемных антенн. Благо­ даря направленным свойствам передающих и приемных антенн в радиоканале могут использоваться маломощные передатчики.

Остронаправленные антенны обеспечивают распространение электромагнитных волн очень узкими лучами, что позволяет исполь­ зовать в радиоканалах систем телемеханизации на соседних про­ мыслах те же волны.

Применение остронаправленных антенн способствует повышению помехоустойчивости радиоканалов и увеличению мощности сигнала, подводимого к входу приемника.

Для выбора элементов радиоканала необходимо иметь представ­ ление об элементарных физических процессах, связанных с работой антенных сооружений. Назначения антенн в каналах-связи телеме­ ханических систем можно кратко сформулировать следующим об­ разом:

16

передающая антенна предназначена для преобразования тока высокой частоты в электромагнитную энергию, излучаемую узким лучом в заданном направлении;

приемная антенна служит для преобразования энергии электро­ магнитных волн в энергию тока высокой частоты, подводимую к входу приемников.

Формулировки свидетельствуют об обратимости передающей и приемной антенн. Это чрезвычайно важное свойство позволяет ис­ пользовать одну и ту же антенну как для приема, так и для пере­ дачи электромагнитной энергии; при этом основные параметры ан­ тенны остаются неизменными. Использование принципа обрати­ мости антенн приводит к снижению капитальных затрат.

Целесообразность использования одной и той же антенны для передачи и приема обусловливается еще и тем, что созданные в на­ стоящее время системы телемеханизации с радиоканалами предус­ матривают симплексное действие канала связи, при котором на время передачи того или иного сообщения прием прекращается. Та­ кой принцип оправдывается тем, что в разработанной аппаратуре встречными сообщениями могут быть в основном аварийные сигна­ лы, которые повторяются до устранения аварий; следовательно', их пропадание исключается. Вероятность пропадания других сообще­ ний по этой причине ничтожна из-з’а малого времени, занимаемого передачей сообщения. В разработанной аппаратуре длительность посылок мала, а паузы между импульсами велики. В связи с этим совмещенные приемно-передающие радиостанции нашли широкое применение в системах радиотелемеханизации.

Основными электрическими параметрами, характеризующими качество антенн, применяемых для телемеханических систем, яв­ ляются коэффициент направленности, коэффициент усиления, со­ противление излучения, коэффициент полезного действия и входное сопротивление.

Если две разные антенны расположены в одном месте и излу­ чают энергию одной и той же мощности, то напряженность поля от разных антенн в точке приема окажется неравной. Перемещая точ­ ку приема по окружности вокруг антенны, легко убедиться, что в одних местах напряженность поля будет больше, а в других —• меньше; наконец, для антенн некоторого типа можно найти также точки, где напряженность поля будет равна нулю. Последнее ука­ зывает на очень важное свойство антенн — их направленность. Ис­ пользование эффекта направленного действия позволяет создать та­ кие антенны, которые излучают электромагнитную энергию только в определенном направлении.

Направленные свойства антенны определяются коэффициентом направленности D. Для объективного суждения о коэффициенте на­ правленности той или иной антенны их сравнивают с изотропным (ненаправленным) излучателем.

Коэффициентом направленности называется отношение плотно­

ГОС. ПУБЛИЧНАЯ 1 ...JH

правлении ее максимального излучения, к плотности потока мощно­ сти, которая излучалась бы изотропной антенной, при равенстве об­ щей излучаемой мощности для обеих антенн, т. е.

р

& * £ max

Р£ Ср

Выражая коэффициент направленного действия через отношение квадратов напряженности поля, имеем:

__ Ег1 max

рS2ср

т. е. мощность электромагнитной волны пропорциональна квадрату напряженности поля.

Рис. 5. Определение ширины диаг­ раммы направленности

Направленные свойства антенны наглядно иллюстрируются диатраммами направленности — графическим изображением распреде­ ления напряженности поля методами картографической проекции, строящейся в полярной или прямоугольной системе координат. У ■большинства антенн диаграмма направленности имеет многолепест­ ковый характер. Поэтому одним из требований, предъявляемых к антеннам телемеханических систем, является максимальное ослаб­ ление излучаемой энергии в направлении боковых лепестков.

Для сопоставления двух диаграмм направленности различных антенн может служить понятие о ширине диаграммы направленно­ сти. Это — угол, в пределах которого мощность электромагнитного поля уменьшается в два раза по сравнению с мощностью поля в на­ правлении максимального излучения. Если диаграмма направленно­ сти снята по напряженности поля (случай, наиболее часто встречае­

18