УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ВТОРЖЕНИЯ В КОНТРОЛИРУЕМОЕ ПРОСТРАНСТВО

Полезная модель относится к технике формирования тревожных сигна- лов в активных оптико-электронных системах обнаружения вторжения и может быть использована для охраны периметров здания, объектов и других сооружений путем выдачи сигнала тревоги на пульт централизованного наблюдения при пересечении нарушителем оптического луча.
Известные устройства для охранной сигнализации (Виноградов Ю.А. Электронная охрана. Элементы и узлы охранных систем. М.: Символ - Р, 1996. 96 с. - [1]; Андрианов В.И, Соколов А.В. Охранные системы для дома и офиса. СПб.: БХВ. - Петербург; Арлит, 2002. 304 с. - [2]; Синилов В.Г. Системы охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации: Учебник для нач.проф.образования; Учеб.пособие для сред. проф. образования. М.: ИРПО:
Образовательно-издательский центр "Академия", 2003. 352 с. - [3]) при плохой погоде (при критической видимости) неработоспособны, то есть выдают ложный сигнал тревоги.
Обычно такие устройства состоят из излучателя инфракрасного (ИК) излучения, оптического блока, фотоприемника и блока обработки выделенных электрических сигналов (Патент РФ №2116672, МКИ G 08 В 13/18 "Способ обнаружения вторжения в контролируемое пространство с охраняемым объектом и устройство для его осуществления", опубл. 27.07.98 г. - [4]).
При распространении ИК луча от излучателя через оптический блок к фотоприемнику
имеют место потери на поглощение и рассеяние, которые зависят от состояния атмосферы (дождь, туман, снег, пыль). Для компенсации потерь в атмосфере извещатели имеют запас по ПК энергии, что позволяет им сохранять работоспособность при оптических потерях сигнала в случае ухудшения метеоусловий [2, 3].
Это устройство имеет предел работоспособности при очень низкой видимости, так как отраженный сигнал от охраняемого объекта будет очень ослаблен атмосферой (недостаточно запаса ИК энергии), вследствие чего блок обработки электрических сигналов воспримет это как перекрытие оптического луча нарушителем и выдаст ложный сигнал тревоги.
В качестве прототипа принято устройство по функциональной схеме [1], иначе называемое как линейный охранный извещатель, которое выдает сигнал тревоги при обнаружении вторжения в контролируемое пространство. Это устройство содержит оптически связанные излучатель и фотоприемник. К выходу фотоприемника подключен широкополосный усилитель, к которому подключен канал формирования сигнала тревоги. Последний состоит из последовательно соединенных порогового блока, элемента задержки и формирователя сигнала тревоги.
Сигнал тревоги формируется при пересечении нарушителем оптического ИК луча между излучателем и фотоприемником. При очень плохой погоде это устройство также выдает ложный сигнал тревоги, так как фотоприемник не сможет отреагировать на очень ослабленный оптический сигнал.
Технический эффект, на достижение которого направлена заявляемая
полезная модель, заключается в повышении информативности охранного устройства за счет выдачи сигнала "предельно низкая видимость".
Технический эффект достигается тем, что в устройстве, содержащем оптически связанные излучатель и фотоприемник, к выходу которого подключены последовательно соединенные широкополосный усилитель и канал формирования сигнала тревоги, состоящий из последовательно соединенных первого порогового блока, первого элемента задержки и формирователя сигнала тревоги, новым является то, что к выходу широкополосного усилителя дополнительно подключен канал формирования сигнала "предельно низкая видимость", состоящий из последовательно соединенных второго порогового блока, второго элемента задержки и элемента "запрет", выход которого является выходом по сигналу "предельно низкая видимость", а его запрещающий вход подсоединен к выходу формирователя сигнала тревоги, при этом второй пороговый блок имеет порог срабатывания выше, чем первый пороговый блок, обеспечивая свое более раннее срабатывание.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства.
Здесь:
1 - излучатель;
2 - фотоприемник;
3 - широкополосный усилитель;
4 - первый пороговый блок;
5 - первый элемент задержки;
6 - формирователь сигнала "тревога";
7 - второй пороговый блок;
8 - второй элемент задержки;
9 - элемент "запрет";
3
n
На фиг.2 приведена зависимость изменения (уменьшения) выходного сигнала с усилителя 3 при исчезновении сигнала на его входе. На графике отмечено время переходного процесса, то есть время уменьшения напряжения U до почти нулевого значения - t (доли секунды), которое всегда имеется практически.
П7
П4
Пороговые блоки 4 и 7 - это компараторы с определенным порогом срабатывания (иначе называемые как бистабильные компараторы), причем блок 7 имеет больший порог срабатывания (U>U), как показано на фиг.2. Блок 7 имеет регулируемый порог срабатывания.
5
5
H
H
Элемент задержки 5 имеет время задержки τ, составляющее десятые доли секунды, которое должно удовлетворять условию τ<t, где t - время пересечения нарушителем оптического луча. Можно считать, что оно может быть разным в интервале от долей секунды до секунд двух-трех.
5
Предполагается, что нарушитель не сможет пересечь луч быстрее, чем время τ. В то же время, эта задержка выбрана для того, чтобы устройство не реагировало на кратковременные случайные помехи (от пролетающих птиц, у падающих листьев).
8
Второй элемент задержки 8 задерживает изменение выходного сигнала порогового блока 7 на время τ=3-5 с. Это время выбирается из условия
y.11
8
h
t>τ>t.
y.П
Время ухудшения погоды t - минимальное время, за которое может снизится видимость, например, сгущение тумана до предельно низкой видимости (ПНВ) для примененного устройства.
8
Время задержки τ необходимо для того, чтобы вновь введенный блок 8 не реагировал на прерывание оптического луча нарушителем и вместо сигнала тревоги не выдавал ложной сигнал ПНВ. Кроме того, эта задержка позволяет устройству (точнее для вновь введенных элементов) не реагировать на кратковременные и частичные уменьшения оптического сигнала от пролетающих птиц, падающих листьев и других помех.
4
7
4
7
3
5
8
Оба элемента задержки 5 и 8 имеют особенность: если входные сигналы U и U увеличиваются с нуля до некоторого значения, то задержки нет, а если входные сигналы U и U уменьшаются, то осуществляется задержка в уменьшении выходного сигнала. Это отражено на временных диаграммах работы элементов 5 и 8 (фиг.3), где показано изменение выходных сигналов U, U, U- При этом считается, что пороговые блоки 4 и 7 срабатывают почти мгновенно.
Элемент "запрет" 9 имеет два входа: информационный "и" и запрещающий "з". При наличии сигнала на входе "з", сигнал, поданный на информационный вход "и", не проходит на выход.
Работу устройства рассмотрим по функциональной схеме (фиг.1) и на примере разработанной принципиальной схеме полезной модели (фиг.4). Эта
схема составлена на основе широко известного устройства "ИК датчик в охранной сигнализации" ([1]; Виноградов Ю. ИК датчик в охранной сигнализации. Радио. 1996 г. №7. с.42-44. - [5]). Схема устройства, взятого за основу, состоит из фотодиода VD, электрической схемы (представляющей модификацию фоточувствительной головки ПИ-5) А1, и схемы на логических элементах DD1 и DD2. В этом устройстве в дежурном режиме на его выходе "Т" присутствует логическая единица, а в состоянии тревоги появляется логический нуль.
Таким образом, состояние тревоги фиксируется нулевым потенциалом на выходе "Т", а дежурный режим - определенным потенциалом на выходе
Это делается для того, чтобы в охранных системах неисправность схемы (допустим отсутствие напряжения питания) не воспринималась бы за нормальный режим работы (отсутствие тревоги).
Согласно функциональной схеме фиг.1, здесь блоком 2 является фотодиод VD, блоком 3 - схема А1, блоками 4, 5, 6 - логические элементы DD1.3, DD2 совместно с DD1.1 и DD1.2; DD1.4 соответственно, а блок 1 не показан.
Вновь введенными блоками являются: второй пороговый блок 7, состоящий из потенциометра RP5 и элемента НЕ (DD3.3); элемент задержки 8, собранный на элементах DD3.1, DD3.2, DD3.4, DD4, DD5; элемент "запрет" 9, выполненный на логическом элементе И-НЕ (DD6). Элемент DD6 будет выполнять функцию "запрет", так как на один из входов (запрещающий) сигнал поступает через инвертор DD1.4.
На элементах DD1.1 и DD1.2; DD3.1 и DD3.2 собраны два одинаковых мультивибратора (которые относятся к элементам задержки 5 и 8 соответственно) с частотой порядка f~30 Гц [1, 5], вследствие чего период одного импульса составляет Т~0,033 с.
Назначение блока 1, электрическая схема которого приведена в [1, 5], заключается в формировании кратковременных оптических импульсов с частотой f~30 Гц.
Схема А1 является усилителем. При поступлении оптического сигнала (кратковременный импульс потока излучения) на фотодиод VD, усилитель А1 вырабатывает сигнал близкий к нулю [1], то есть транзистор VT5 насыщен (открыт). Если же он во время прихода оптического импульса находится в активном режиме, то сигнал в точке "В", хотя и не нуль (но близок к нулю). Но этого должно быть достаточно, чтобы инвертор DD1.3 сработал и выдал логическую единицу на вход "R" счетчика DD2. Это допустимый нормальный режим работы.
При хорошей погоде на фотодиод VD приходит оптический сигнал большой, и последний каскад усилителя (транзисторVТ5) входит в насыщение, вследствие чего потенциал в точке "В" близок к нулю.
П.
При отсутствии оптического сигнала на фотодиоде VD, транзистор VT5 закрыт и потенциал в точке "В" близок к напряжению источника питания UТаким образом, происходит надежное переключение элемента DD1.3, выполняющего роль порогового блока (компаратора).
В состоянии "дежурство" на фотоприемник 2 поступают импульсы потока излучения. Как пояснено ранее, в точке "В" (фиг.4) появляются импульсы логических нулей, вследствие чего на выходе элемента 4 (DD1.3) появляются импульсы из логических единиц. Несмотря на то, что на информационный вход "С" счетчика DD2 (элемент 5) поступают непрерывно импульсы с мультивибратора (DD1.1 и DD1.2), в памяти счетчика не будет накапливаться информация, так как он обнуляется поступающими импульсами с элемента DD1.3 на вход "R" почти с той же частотой f~30 Гц [1, 5]. В итоге на выходе "8" счетчика DD2 присутствует логический нуль, а на выходе элемента 6 (DD1.4) формируется логическая единица (что соответствует нормальному дежурству без нарушений), которая одновременно поступает на запрещающий вход элемента "запрет" 9 (DD6).
Одновременно с выхода усилителя А1 импульсы логических нулей поступают и на канал ПНВ, то есть на вход блока 7 (DD3.3). Работа счетчиков DD4 и DD5 и мультивибратора (DD3.1 и DD3.2) аналогична в этом случае работе канала "тревога", вследствие чего на выходе "4" счетчика DD5 будет присутствовать логический нуль. Этот "нуль" поступает на информационный вход "и" элемента 9 (DD6). Таким образом, при наличии логических нуля и единицы на входе элемента И-НЕ (DD6) на его выходе формируется логичеcкая единица. Этой "единице" соответствует информация "хорошая погода" на выходе блока 9, то есть отсутствует сигнал ПНВ.
При появлении нарушителя на пути оптического луча, выход импульсов в виде логических нулей со схемы А1 прекращается.
B
П
При отсутствии потока излучения, как ранее показано, потенциал точки "В" равен U~U, вследствие чего инверторы DD1.3 и DD3.3 выдают логические нули. В итоге на входы обнуления "R" обоих счетчиков DD2 и DD4, DD5 не будут подаваться импульсы в виде логических единиц. А на счетные входы "С" обоих счетчиков будут подаваться импульсы с одинаковой частотой f от своих мультивибраторов. Но первым счетчиком, выдавшем логическую единицу после восьми импульсов, будет счетчик DD2.
5
5
H
Восемь импульсов составят время задержки τ=8×0,032=0,264 с, которое выбрано из условия τ<t.
После поступления восьмого импульса на выходе "8" счетчика DD2 появляется логическая единица. После этого инвертор DD1.4 выдает логический нуль: на выход "Т" (тревога); на диод VD1 для остановки мультивибратора (DD 1.1, DD1.2); на запрещающий вход элемента "запрет" (DD6).
При двух логических нулях на входе элемента DD6 на его выходе состояние не изменяется - логическая единица.
7
Далее с течением времени с мультивибратора (DD3.1, DD3.2) в двухкаскадный счетчик (DD4, DD5) войдет 32×4=128 импульсов. Это соответствует времени задержки τ=128×0,033=4,224 с.
После 128 импульсов на выходе "4" счетчика DD5 (то есть с выхода блока 8) появляется логическая единица, которая через инвертор DD3.4 останавливает мультивибратор (DD3.1, DD3.2), и одновременно проходит на информационный вход "и" элемента "запрет" (DD6).
В итоге на входе элемента DD6 присутствуют логические нуль и единица; на выходе состояние "единица" - не изменяется (то есть отсутствует сигнал ПНВ).
Теперь рассмотрим работу устройства при ухудшении погоды (например, при сгущении тумана). Будем считать, что видимость уменьшается постепенно и достигает значения предельно низкой видимости, при которой устройство еще работоспособно. Эта видимость чуть лучше, чем критическая, при которой устройство неработоспособно и выдает ложный сигнал тревоги.
H
h
мин
П
Как уже было упомянуто выше, любой усилитель при больших входных сигналах может входить в режим насыщения (в первую очередь в последних каскадах). При уменьшении прозрачности атмосферы оптический сигнал уменьшится настолько, что последний каскад усилителя (транзистор VT5) выйдет на линейный участок работы. Чем меньше оптический сигнал на фотодиоде VD, тем больше потенциал точки "В" не доходит до нулевого значения. Как показано на фиг.5, при Ф>Ф транзистор VT5 входит в насыщение, и потенциал точки "В" минимален u, а при некотором минимальном потоке Ф фотодиод VD не реагирует на него, и потенциал точки "В" остается равным напряжению питания U, то есть выход усилителя А1 инверсный.
П4
П7
Отсюда следует, что для предложенной электрической схемы должно выполняться соотношение для порогов срабатывания блоков 4 и 7 U'>U'.
При отсутствии потока Ф на входы обоих блоков 4 и 7 (DD1.3. и
DD3.3) подаются логические единицы, а на их выходах логические нули.
Н
b
При потоке Ф потенциал точки "В" u~0, и оба инвертора (DD1.3. и DD3.3) переключаются и выдают логические единицы.
П4
П
П4
П4
Порогом срабатывания инверторов (элементов НЕ) является напряжение U' (в частности для микросхемы типа К561ЛН2 при напряжении питания U=9 В напряжение U'~3,2 В). Этому напряжению соответствует некоторое значение потока Ф.
П7
П7
При снижении видимости (при уменьшении потока излучения, падающего на фотодиод VD) первым должен срабатывать пороговый блок 7 (при потоке Ф), то есть при напряжении U'.
Из этого следует, что для более раннего срабатывания блока 7, необходимо уменьшить сигнал на входе элемента DD3.3 с помощью потенциометра RP5.
П7
Таким образом, при некотором значении потока излучения Ф, падающего на фотодиод (что соответствует ПНВ), блок 7 (DD3.3) уже не переключается, с его выхода не появляются логические единицы и счетчики DD4 и DD5 не обнуляются.
В этом случае с мультивибратора (DD3.1, DD3.2) войдет в двухкаскадный счетчик (DD4. DD5), как было ранее посчитано, 128 импульсов. После 128 импульсов на выходе "4" счетчика DD5 (то есть с выхода блока 8) появится логическая единица, которая через инвертор DD3.4 остановит мультивибратор (DD3.1, DD3.2), и одновременно проходит на информационный
вход "и" элемента 9 (DD6).
П4
П7
Ввиду того, что у блока 4 (DD1.3) напряжение U'>U', то он еще переключается, и на выходе "Т" присутствует логическая единица.
Таким образом, на входе элемента 9 (DD6) присутствуют две логические единицы. Отсюда следует, что на выходе элемента 9 будет логический нуль. Такому состоянию элемента 9 соответствует информация "предельно низкая видимость".
П4
При дальнейшем снижении видимости ниже критической поток излучения не будет доходить до значения Ф и блок 4 (DD1.3) не будет срабатывать. То есть с его выхода не будут выходить логические единицы, вследствие чего счетчик DD2 не будет обнуляться. В результате после восьмого импульса с выхода "8" счетчика DD2 выйдет логическая единица, а с выхода "Т" - логический нуль зарегистрирует ложный сигнал тревоги. В этом случае пульт центрального наблюдения, на который поступают сигналы ПНВ и тревоги, должен решить с какой-то вероятностью (например, с вероятностью 0,5): это ложный сигнал или истинный, ведь раньше пришел сигнал об ухудшении погоды.
Но может быть и такой случай. После сигнала ПНВ погода не ухудшается, а улучшается. Тогда ложный сигнал тревоги не возникает, а сигнал ПНВ снимается, так как компаратор DD3.3 начнет переключаться, а счетчики DD4 и DD5 обнуляться. На информационный вход элемента 9 поступит логический нуль, после которого на выходе этого элемента (DD6) появится логическая единица, фиксирующая отсутствие сигнала ПНВ.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обладает большей информативностью, которая заключается в снижении вероятности появления ложных тревог при плохой погоде путем выдачи сигнала "предельно низкая видимость".