УСТАНОВКА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ДВИЖУЩИХСЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а более конкретно - к средствам охранной сигнализации, предназначенным для обнаружения движущихся электропроводящих объектов (ДЭО), пересекающих охраняемый рубеж.
Для обнаружения ДЭО используется метод, основанный на индуцировании электрических и магнитных дипольных моментов в слабопроводящем теле. Данный метод включает формирование высокочастотного электромагнитного поля вдоль охраняемого рубежа. Для возбуждения электромагнитного поля применяются магнитные диполи, параметры которых слабо зависят от состояния окружающей среды.
уд
ДЭО, обладающие высокой диэлектрической проницаемостью (ε≥80) и отличной от нуля электрической проводимостью (G≥0,5См/м), поляризуются в излучаемом высокочастотном электромагнитном поле и становятся вторичными излучателями электромагнитного поля. Параметры вторичного электромагнитного поля связаны с геометрическими размерами ДЭО и его местоположением относительно антенн излучателей и измерителей. Суперпозиция электромагнитных сигналов в зоне обнаружения ДЭО носит сложный интерференционный характер. Регистрация суперпозиции первичного (излучаемого) и вторичного (переизлучаемого) электромагнитных полей производится с помощью измерителей, выполненных в виде магнитных диполей. Зарегистрированные электромагнитные сигналы обрабатываются и сравниваются с пороговым значением сигнала. По результатам сравнения устанавливается наличие ДЭО в области охраняемого рубежа и его местоположение.
Данный метод реализуется с помощью ряда устройств, имеющих различные конструктивные особенности. Так, например, известно устройство для обнаружения ДЭО, которое описано в патенте SU 1246905 (МПК G01V 3/10, G08G 1/063, опубликован 23.07.1986). Устройство содержит возбуждающую и измерительную катушки индуктивности. При протекании через возбуждающую катушку тока происходит возбуждение в петле магнитного потока, который после размыкания коммутатора уменьшается до нуля. В случае нахождения электропроводящего объекта в зоне расположения петли часть генерируемого магнитного потока проникает в тело объекта.
Вследствие этого при отключении коммутатора, т.е. при прекращении протекания тока через возбуждающую катушку, происходит более медленное снижение магнитного потока за счет действия вихревых токов в электропроводящем объекте. Медленное снижение магнитного потока индуцирует постоянное напряжение в петле катушки индуктивности, величина которого фиксируется во время контрольных замеров. При циклическом повторении процесса возбуждения магнитного и измерения индуцируемого напряжения в катушке индуктивности осуществляется процесс непрерывного измерения и регистрации электропроводящих объектов.
Следует отметить, что указанное устройство применимо только для объектов, обладающих высокой электропроводностью, в частности для металлических объектов. Устройство обладает высоким энергопотреблением, и при его использовании для протяженных линий охраняемого рубежа требуется сложная система коммутации токов, протекающих через локальные участки электрических цепей, подключенных к катушкам индуктивности. Кроме того, устройство чувствительно к внешним магнитным шумам. Частичное устранение влияния окружающей среды достигается за счет усложнения конструкции катушек индуктивности.
Снижение влияния нестабильности параметров окружающей среды на достоверность информации о нарушении охраняемого рубежа обеспечивается с помощью магнитоэлектрических систем обнаружения ДЭО. Характерной особенностью систем обнаружения данного типа является применение в качестве излучателей и измерителей электромагнитного сигнала магнитных диполей, размер которых много меньше длины волны электромагнитного сигнала. В качестве магнитных диполей в таких установках преимущественно используются рамочные антенны.
При работе системы обнаружения ДЭО в непосредственной близости от антенн формируется квазистационарное магнитное поле, образующее зону индукции. Величина индукции поля зависит в основном от магнитной проницаемости среды при условии, что данная среда обладает малой электропроводностью. При установке антенн (излучателей и измерителей) в грунте рабочие параметры антенн слабо зависят от характеристик и состояния окружающей среды, поскольку обычный грунт является немагнитной средой.
С помощью магнитоэлектрических систем обнаружения можно формировать стабильную зону обнаружения ДЭО при установке антенн в различных по свойствам грунтах и неравномерном вдоль охраняемого рубежа обводнении грунтов. Вместе с тем изменение погодно-климатических условий в меньшей степени влияет на рабочие характеристики магнитоэлектрической системы обнаружения.
Установка для обнаружения ДЭО, представляющая собой магнитоэлектрическую систему обнаружения, описана в патенте RU 2071121 (МПК G08В 13/24, опубликован 27.12.1996). Излучатели и приемники (измерители) электромагнитных сигналов в такой системе объединены в группы с помощью кабелей связи. Приемники (измерители) сигналов выполнены в виде преобразователей магнитного поля в электрическое напряжение, а излучатели сигналов - в виде преобразователей электрического напряжения в магнитное поле. Приемники и излучатели, представляющие собой магнитные диполи, устанавливаются в грунте в чередующемся порядке и независимо подключаются через кабели связи к блоку обработки сигналов.
В процессе работы устройства генератор формирует сигналы в форме переменного напряжения постоянной амплитуды. Сигналы передаются через кабели связи на входы излучателей (преобразователей электрического напряжения в магнитное поле). Вблизи антенн-излучателей создается квазистационарное электромагнитное поле с преобладающей магнитной составляющей поля в ближней зоне излучателя. Часть энергии этого поля преобразуется с помощью антенн-измерителей (приемников) в электрическое напряжение, величина которого пропорциональна напряженности поля.
Индуцируемое переменное напряжение передается через кабели связи на первый вход синхронного детектора, на второй вход которого подается управляющий опорный сигнал. С выхода детектора сигнал напряжения подается через полосовой фильтр на вход порогового блока, вырабатывающего сигнал о нарушении охраняемого рубежа. Вблизи антенн-излучателей на расстоянии, меньшем длины волны излучаемых и принимаемых сигналов, по величине энергии преобладает магнитная составляющая по отношению к электрической составляющей электромагнитного поля. За счет этого повышается помехоустойчивость устройства охранной сигнализации.
Наиболее близким аналогом полезной модели является установка для обнаружения ДЭО, конструкция которой раскрыта в патенте RU 2303290 (МПК G08В 13/24, опубликован 20.07.2007). Антенны-излучатели и антенны-измерители в данной установке выполнены в виде магнитных диполей и попарно сгруппированы. Для исключения зон с пониженной чувствительностью излучатели и измерители устанавливают в один ряд в виде последовательно чередующихся ячеек излучателей, каждая из которых состоит из двух последовательно соединенных излучателей, и ячеек измерителей, каждая из которых состоит из двух последовательно соединенных измерителей. С целью обнаружения биообъектов и других слабо электропроводящих объектов частоту генерируемого высокочастотного напряжения в антеннах-излучателях выбирают более 1 МГц.
С помощью сгруппированных излучателей и измерителей информация об обнаружении ДЭО фиксируется и передается в блок обработки сигнала и анализа информации. Полученная информация идентифицируется с определенной пространственной зоной, в которой расположена группа «излучатель-измеритель», генерирующая сигнал о нарушении охраняемого рубежа. Первичный анализ и обработка измеренных параметров электромагнитного поля производится с помощью микроконтроллеров, которые размещены непосредственно в антеннах-измерителях.
Повышение устойчивости системы к воздействию внешних электромагнитных помех обеспечивается за счет использования в установке средств первичного анализа и обработки параметров электромагнитного поля и идентификации антенн-излучателей и антенн-измерителей, с которых принимается сигнал.
Однако ни в одном из перечисленных выше аналогов не исключено влияние электромагнитных полей, возбуждаемых участками кабелей связи, которые расположены в непосредственной близости от антенн-излучателей и антенн-измерителей, на генерируемые и регистрируемые с помощью антенн электромагнитные сигналы. Данное влияние, принимая во внимание различную ориентацию магнитных диполей (антенн) и кабелей связи вдоль периметра охраняемого рубежа, существенно снижает помехозащищенность установки, предназначенной для обнаружения ДЭО. Вследствие этого не может быть обеспечена требуемая достоверность получаемой информации о ДЭО, пересекающим охраняемый рубеж.
Патентуемая полезная модель направлена на решение технической задачи, связанной с исключением паразитного влияния электромагнитных полей, возбуждаемых участками кабелей связи, которые расположены в непосредственной близости от антенн, на генерируемые и регистрируемые электромагнитные сигналы. Решение данной задачи позволяет повысить помехозащищенность установки, предназначенной для обнаружения ДЭО, и обеспечить требуемый высокий уровень достоверности получаемой информации о ДЭО.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается при использовании установки для обнаружения ДЭО, включающей в свой состав блоки излучателей и блоки измерителей с антеннами, выполненными в виде магнитных диполей, и устройствами предварительной обработки сигналов, блок обработки информации и управления и кабели связи, соединяющие блоки излучателей и блоки измерителей с блоком обработки информации и управления.
Магнитные диполи выполняются в виде рамочных антенн. Каждый блок излучателей и блок измерителей снабжен корпусом, стенки которого выполнены из прозрачного для электромагнитного излучения материала. Каждая рамочная антенна герметично установлена во внутренней полости корпуса. Участки кабелей связи в области соединения с рамочной антенной закрепляются в корпусе и ориентируются ортогонально относительно плоскости, в которой расположена рамочная антенна.
Описанный выше модульный принцип построения установки для обнаружения ДЭО с определенной ориентацией участков кабелей связи в каждом антенном модуле (блоке излучателей или блоке измерителей) позволяет свести к минимально возможному значению электромагнитное взаимодействие антенн с кабелями связи. При данной ориентации ось симметрии магнитного диполя (рамочной антенны) располагается параллельно подводящим участкам кабелей связи. Данное взаимное расположение антенн и кабелей связи существенно снижает вероятность индуцирования в контурах магнитных диполей паразитных токов, которые являются источниками помех при работе установки.
Для минимизации массогабаритных характеристик блоки излучателей и блоки измерителей содержат печатные платы, предназначенные для монтажа антенн. В этом случае рамочные антенны выполняются в виде электропроводящих дорожек, нанесенных на печатные платы методом печатного монтажа. Устройства предварительной обработки сигналов также могут быть выполнены в виде печатных схем, нанесенных на печатные платы.
Крепление печатных плат в корпусах блоков излучателей и блоков измерителей может быть осуществлено с помощью упругих накладок. Каждая накладка устанавливается между поверхностью печатной платы и внутренней поверхностью корпуса. Накладки выполняются из вспениваемого материала, например из пенополипропилена.
С целью обеспечения герметичности блоков излучателей и блоков измерителей при их размещении в поверхностном слое промокающего грунта полости между поверхностями печатных плат и накладок и внутренними поверхностями корпусов блоков излучателей и блоков измерителей заполняются электротехническим герметизирующим компаундом.
Далее полезная модель поясняется описанием примера выполнения установки обнаружения ДЭО. На прилагаемом чертеже (см. фиг.1) схематично изображен разрез антенного модуля (блока излучателей или блока измерителей) в вертикальной плоскости, проходящей через участки кабелей связи в области их соединения с рамочной антенной.
Установка для обнаружения ДЭО содержит расположенные определенным образом вдоль периметра охраняемого рубежа блоки излучателей и блоки измерителей. Количество блоков выбирается в зависимости от протяженности охраняемого рубежа и рельефа местности. Каждый блок включает в свой состав магнитный диполь и устройство предварительной обработки сигналов. Блоки излучателей и блоки измерителей соединены с блоком обработки информации и управления (на чертеже не показан) с помощью кабелей связи.
Блоки излучателей и блоки измерителей, представляющие собой унифицированные антенные модули, содержат корпус 1, стенки которого выполнены из прозрачного для электромагнитного излучения материала. В рассматриваемом примере выполнения конструкции корпус 1 выполнен из АБС - пластика (акрилонитрилбутадиенстирола).
Во внутренней полости корпуса 1 установлена печатная плата 2, которая закреплена с помощью двух упругих накладок 3, выполненных из пенополипропилена. В качестве магнитных диполей используются рамочные антенны, каждая из которых выполнена в виде электропроводящей дорожки, нанесенной на печатную плату 2 методом печатного монтажа. На каждую печатную плату 2 нанесена также печатная схема, выполняющая функцию устройства для предварительной обработки сигналов.
Полости корпуса 1 между поверхностями печатной платы 2 и накладок 3 и поверхностями стенок корпуса 1 заполнены герметизирующим компаундом 4. В качестве компаунда используется двухкомпонентный вулканизующийся электротехнический компаунд типа «Лепта 104» (ТУ 2513-063-32478306-02). Данная герметизирующая композиция на основе 100%-го силоксанового каучука включает в свой состав модифицирующие добавки и отвердитель (вулканизующий агент). Герметичное выполнение блоков излучателей и блоков измерителей обеспечивает их нормальное функционирование при размещении в промокающем грунте на глубине 1 м.
Участки 5 кабелей связи, расположенные в области соединения с рамочной антенной, нанесенной на печатную плату 2, закреплены в корпусе 1. Участки 5 кабелей связи ориентированы ортогонально относительно плоскости, в которой расположена рамочная антенна, и, соответственно, параллельно оси симметрии магнитного поля. В рассматриваемом примере выполнения плоскость расположения рамочной антенны совпадает с плоской поверхностью печатной платы 2, на которую нанесена электропроводящая дорожка рамочной антенны.
Работа установки для обнаружения ДЭО осуществляется следующим образом.
Герметичные блоки излучателей и блоки измерителей устанавливаются в поверхностном слое грунта вдоль периметра зоны обнаружения объектов (охраняемого рубежа). Оптимальная глубина установки блоков составляет от 0,3 до 0,5 м. Блоки излучателей и блоки измерителей, каждый из которых содержит рамочную антенну, выполненную на печатной плате 2, соединяются с соответствующими соседними блоками через участки 5 кабелей связи. С помощью кабелей связи блоки излучателей и блоки измерителей соединяются также с блоком обработки информации и управления.
Применение герметичных антенных модулей, выполненных по стандарту защиты не менее IP68, обеспечивает длительную эксплуатацию установки при размещении блоков излучателей и блоков измерителей в поверхностном слое промокающих грунтов. При этом используемые средства герметизации не влияют на стабильность параметров излучателей и измерителей установки. Заливка внутренних полостей в блоках между поверхностями печатных плат 2 и накладок 3 и поверхностями стенок корпусов 1 жидким отверждающимся компаундом производится при жесткой фиксации с заданной взаимной ориентацией участков 5 кабелей связи и печатной платы 2 с нанесенной на нее электропроводящей дорожкой рамочной антенны.
Следует отметить, что влияние накладок 3 и герметизирующего компаунда 4 оказывает незначительное влияние на работу установки. При влиянии на генерируемые электромагнитные поля диэлектрических свойств материалов компаунда 4 и накладок 3, толщина которых составляет ~10 мм, и изменяющихся характеристик внешней среды, плотно прилегающей к корпусу 1, расстройка рамочных антенн, входящих в состав блоком излучателей и блоков измерителей, не превышает 10% от полосы пропускания антенн.
Кроме того, при использовании герметизирующего компаунда 4 исключается образование газовых полостей, которые при длительной эксплуатации установки могут заполняться поступающими из грунта водными солевыми растворами. Такое заполнение может происходить через капиллярные каналы и трещины, образовавшиеся в процессе эксплуатации в корпусе 1. Заполненные жидкостью полости в корпусе 1 являются центрами коррозии и источниками дополнительных возмущений при генерации электромагнитных полей.
0
1
При включении задающих генераторов, входящих в состав блока обработки информации и управления, вырабатываются опорные сигналы с частотами F и F. Опорные сигналы передаются по кабелям связи в блоки излучателей и блоки измерителей. В блоке обработки информации и управления вырабатываются сигналы управления излучателями и измерителями, которые переедаются в соответствующие блоки через кабели связи. По управляющему сигналу выбранные блоки излучателей и блоки измерителей переводятся в активное состояние. С помощью рамочных антенн выбранных излучателей в окружающем пространстве формируется электромагнитное поле. Регистрация электромагнитных сигналов производится с помощью рамочных антенн активных измерителей. Регистрируемый рамочными антеннами измерителей сигнал представляет собой суперпозицию опорного излучаемого электромагнитного сигнала и вторичного электромагнитного сигнала, который индуцируется ДЭО при прохождении зоны обнаружения (охраняемого рубежа).
0
1
С помощью устройств предварительной обработки сигналов, расположенных на печатных платах 2, зарегистрированный сигнал преобразуется в сигнал разностной частоты f=F-F. Затем сигнал разностной частоты детектируется и передается по кабелю связи в блок обработки информации и управления, в котором производится синхронная обработка и преобразование сигналов, получаемых из различных блоков измерителей. По результатам анализа изменения каждого из сформированных сигналов за определенный период времени вырабатывается информационный сигнал о нахождении либо отсутствии ДЭО в зоне обнаружения.
Поочередное включение излучателей позволяет исключить интерференционный ноль в области расположения активного измерителя. При использовании раздельного сбора сигналов со смежных с активным излучателем измерителей исключаются нулевые значения при сложении сигналов, имеющих противоположную полярность. Процесс передачи и приема электромагнитного сигнала периодически повторяют для всех блоков излучателей и блоков измерителей, расположенных на контролируемом участке зоны обнаружения.
В процессе работы установки по заданному алгоритму осуществляется формирование и прием электромагнитных сигналов при определенной взаимной ориентации рамочных антенн и участков 5 кабелей связи, расположенных в области соединения с рамочной антенной. Печатные платы 2 с рамочными антеннами и подводящие участки 5 кабелей связи жестко закрепляются в корпусе 1, что определяет условие взаимной ориентации данных элементов конструкции.
Согласно заданному условию участки 5 кабелей связи в области соединения с рамочной антенной должны быть ортогонально ориентированы относительно плоскости, в которой расположена рамочная антенна. Для рассматриваемого варианта конструкции плоскость расположения рамочной антенны совпадает с плоской поверхностью печатной платы 2, на которую методом печатного монтажа нанесена электропроводящая дорожка рамочной антенны.
При указанной ориентации ось симметрии магнитного диполя (рамочной антенны) располагается параллельно подводящим участкам кабелей связи. В этом случае электромагнитное взаимодействие антенн с кабелями связи становится минимально возможным. Заданное взаимное расположение антенн и участков кабелей связи, расположенных в непосредственной близости от антенн, обеспечивает существенное снижение индуцированных в контурах магнитных диполей паразитных токов, которые являются источниками электромагнитных помех при работе установки. За счет уменьшения электромагнитных помех, возникающих в области расположения рамочных антенн, повышается помехозащищенность установки для обнаружения ДЭО и обеспечивается требуемый уровень достоверности получаемой информации о ДЭО.
Вышеописанный пример осуществления полезной модели основывается на конкретной предпочтительной форме выполнения установки для обнаружения ДЭО, однако это не исключает возможности достижения технических результатов и в других частных случаях реализации полезной модели. В частности, в зависимости от конкретных задач и условий использования установки, предназначенной для обнаружения ДЭО, может выбираться форма выполнения, конструкция и технология изготовления рамочных антенн. Кроме того, в зависимости от условий и длительности эксплуатации установки выбираются материалы, из которых выполняются корпуса блоков излучателей и блоков измерителей, установочные накладки, расположенные в полости корпусов, а также химический состав герметизирующего компаунда, заполняющего внутренние полости корпусов.
Изобретение может найти широкое применение в системах охранной сигнализации для обнаружения с высокой достоверностью ДЭО как на локальных, так и на протяженных охраняемых рубежах, повторяющих рельеф местности.