Звено виброчувствительного элемента на основе трибоэлектрического кабеля

Полезная модель относится к области охранной сигнализации и может быть использована в составе систем безопасности, использующих сигнализационные заграждения, оснащаемые кабельными чувствительными элементами вибрационного принципа действия.
Известна конструкция «Кабельного чувствительного элемента», описанного в патенте на изобретение RU №2304812, МПК G08B 13/22, опубл. 2007 г. Конструктивно данный кабельный чувствительный элемент состоит из токопроводящих жил в полиэтиленовой изоляции, поясной изоляции из полиэтилентерефталатной ленты, медной луженой проволоки, экрана из алюминиевой ленты с полиэтиленовым слоем, полиэтиленовой оболочки и трубки из эластичного материала, размещенной в его центре, вокруг которой продольно скручены токопроводящие жилы. Кабельный чувствительный элемент обеспечивает преобразование механических колебаний в электрические сигналы за счет трибоэлектрического эффекта, возникающего при трении поясной изоляции об экран из алюминиевой ленты.
Общими существенными признаками с заявляемым техническим решением являются: экран из алюминиевой ленты, полиэтиленовая оболочка и трубка, размещенная в центре кабельного чувствительного элемента.
Недостатком данного кабельного чувствительного элемента является низкая ремонтопригодность, которая объясняется тем, что при повреждении кабеля только в одном локальном месте кабель должен быть заменен полностью, что увеличивает трудозатраты и стоимость ремонта.
Известна конструкция кабельного чувствительного элемента, которая описана в патенте «Трибоэлектрический сенсорный кабель двойного назначения и способ его изготовления (Triboelectric, ranging, or dual use security cable and method of manufacturing same)», US №7479878, МПК G08B 13/00, опубл. 2009 г. Этот кабель используется в виде виброчувствительного элемента и применяется в пассивных и активных системах зондирования. Кабель содержит (см. фиг. 2 и фиг. 5) центральный проводник, полиэтиленовую трубку с воздушным зазором, металлический экран из свитых медных проволок или фольги и внешнюю оболочку из полиэтилена. Центральный проводник выполнен в виде покрытой оловом медной проволоки и свободно размещен во внутреннем воздушном зазоре полиэтиленовой трубки. В пассивных системах при движении (трении) центрального проводника относительно полиэтиленовой трубки, вызванном вибрацией кабеля, происходит перенос заряда вследствие трибоэлектрического эффекта. Возникающее при этом трибоэлектрическое напряжение, генерируемое в кабеле в ответ на воздействие нарушителя, может быть измерено и обработано для формирования сигнала тревоги.
Общими существенными признаками с заявляемым техническим решением являются: центральный проводник, полиэтиленовая трубка, металлический экран и внешняя оболочка. Центральный проводник свободно размещен во внутреннем воздушном зазоре полиэтиленовой трубки.
Недостатками данного трибоэлектрического сенсорного кабеля является недостаточная ремонтопригодность, которая объясняется тем, что при обрыве центрального проводника или при повреждении внешней оболочки кабель должен быть полностью демонтирован (по всей длине) и заменен исправным, что увеличивает трудозатраты и стоимость ремонта.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленной полезной модели является «Виброметрическая система для контроля протяженных рубежей охраны», описанная в патенте RU №2541129, МПК G08B 13/00, опубл. 2015 г. (пп. 4, 5 формулы изобретения). В состав системы входят сегментированные виброчувствительные элементы (СВЧЭ), соединенные с сигнальными процессорами, которые конструктивно образуют виброчувствительные звенья. Эти звенья могут подключаться друг к другу с помощью разъемных соединений, образуя при этом гибкий протяженный виброчувствительный модуль необходимой длины. Каждый СВЧЭ является отрезком трибоэлектрического кабеля, состоящего из центрального проводника, выполненного из двух спирально свитых медных проволок, волнообразно размещенных в отверстии диэлектрической трубки, металлического экрана, поверх которого проложены цепи линий интерфейса и цепи электропитания с помощью использования дополнительных изолированных проводов (жил), и внешней оболочки из полиэтилена. Виброчувствительные звенья устанавливаются на физическом заграждении. При преодолении нарушителем физического заграждения или при попытках его разрушения в СВЧЭ будет сформирован электрический сигнал за счет трибоэлектрического эффекта. Этот сигнал поступает в сигнальный процессор, который осуществляет его обработку для определения факта нарушения охраняемого рубежа.
Общими существенными признаками с заявляемым техническим решением являются: отрезок трибоэлектрического кабеля, состоящий из центрального проводника, выполненного из двух спирально свитых медных проволок, волнообразно размещенных в отверстии диэлектрической (полиэтиленовой) трубки, металлического экрана, поверх которого проложены дополнительные изолированные провода (жилы), образующие на одном и другом концах отрезка трибоэлектрического кабеля соответственно первый и второй групповые входы/выходы, подключенные к разъемам, и внешняя оболочки из полиэтилена, а также сигнальный процессор для формирования тревожного сообщения с номером (адресом) звена.
Недостатком системы является недостаточная ремонтопригодность виброчувствительного звена, которая объясняется тем, что при повреждении звена оно должно быть полностью заменено, что увеличивает трудозатраты на ремонт.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении ремонтопригодности звена виброчувствительного элемента.
Создание звена виброчувствительного элемента обеспечивается путем стыковки между собой отрезка трибоэлектрического кабеля, сигнального процессора, предназначенного для формирования тревожного сообщения с номером (адресом) звена, разъемного соединения, кабельного разъема и блочного разъема.
Обеспечение ремонтопригодности звена виброчувствительного элемента осуществляется, в случае неисправности, заменой либо отрезка трибоэлектрического кабеля, либо сигнального процессора, которые подключены друг к другу с помощью разъемного соединения.
В связи с этим звено виброчувствительного элемента должно быть выполнено в виде единой сборной конструкции, которая должна состоять из отрезка трибоэлектрического кабеля, сигнального процессора, расположенного в отдельном корпусе, и разъемных соединений, обеспечивающих процесс стыковки и ремонтопригодность.
Для достижения технического результата звено виброчувствительного элемента на основе трибоэлектрического кабеля содержит отрезок трибоэлектрического кабеля, состоящий из центрального проводника, выполненного из двух спирально свитых медных проволок, волнообразно размещенных в отверстии диэлектрической (полиэтиленовой) трубки, металлического экрана, поверх которого проложены дополнительные изолированные провода (жилы), образующие на одном и другом концах отрезка трибоэлектрического кабеля соответственно первый и второй групповые входы/выходы, подключенные к разъемам, и внешней оболочки из полиэтилена, а также сигнальный процессор для формирования тревожного сообщения с номером (адресом) звена, первый групповой вход/выход отрезка трибоэлектрического кабеля посредством разъемного соединения подключен к первому групповому входу/выходу сигнального процессора, второй групповой вход/выход которого соединен с блочным разъемом, выполненным с возможностью подключения к кабельному разъему соседнего аналогичного звена или к внешнему устройству сбора и обработки информации, второй групповой вход/выход отрезка трибоэлектрического кабеля соединен с кабельным разъемом, выполненным с возможностью подключения к блочному разъему другого соседнего аналогичного звена.
На фиг. 1 приведена конструкция звена виброчувствительного элемента на основе трибоэлектрического кабеля, где введены обозначения: звено виброчувствительного элемента - 1, отрезок трибоэлектрического кабеля - 2, центральный проводник - 3, выполненный из двух спирально свитых медных проволок, диэлектрическая (полиэтиленовая) трубка - 4, металлический экран - 5 с двумя контактными лужеными проволоками - 8, внешняя оболочка - 6, выполненная из полиэтилена, сигнальный процессор - 7, дополнительные изолированные провода (жилы) - 9, разъемное соединение - 10, кабельный разъем - 11, блочный разъем - 12, корпус сигнального процессора - 13. Отрезок трибоэлектрического кабеля 2 изображен на фиг. 1 в виде продольного сечения.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение отрезка трибоэлектрического кабеля 2.
На фиг. 3 приведен общий внешний вид (в сборе) звена виброчувствительного элемента.
На фиг. 4 приведен пример стыковки нескольких звеньев виброчувствительного элемента 1 для обеспечения необходимой общей длины (n⋅L) протяженного виброчувствительного элемента, где L - длина одного звена, a n - количество звеньев. Стыковка выполняется путем соединения кабельных и блочных разъемов соседних звеньев.
Для контроля охраняемой территории обычно используются физические заграждения в виде сетчатых и решетчатых барьеров, железобетонных заборов, заграждений из плоской или объемной режущей ленты (или спирали) типа АКЛ (АСКЛ). Для обнаружения факта вторжения нарушителя совместно с физическими заграждениями используют устройства тревожной сигнализации с протяженными кабельными виброчувствительными элементами, жестко закрепляемыми на полотне заграждения.
Для пояснения создания звена виброчувствительного элемента (к примеру) общеизвестный протяженный виброчувствительный элемент (например, длинной 500 м) можно разрезать на 10 отрезков, каждый из которых имеет длину 50 м, и на основе них сформировать 10 звеньев виброчувствительного элемента, которые имеют определенную конструкцию, обладающую возможностью сочленения их между собой для образования протяженного виброчувствительного элемента с общей длиной 500 м. В итоге мы будем иметь протяженный виброчувствительный элемент, набранный из этих звеньев, с той же длиной (500 м), но обладающий дополнительными свойствами. При этом отдельные звенья виброчувствительного элемента будут являться «строительными» модулями, из которых можно набирать и формировать протяженные виброчувствительные элементы различной длины (наподобие, как из отдельных бусинок набирается ожерелье).
Звено виброчувствительного элемента представляет собой сборочную конструкцию составных частей (деталей), свинченных в единый функциональный узел. Конструкция звена виброчувствительного элемента 1 (см. фиг. 1 и фиг. 3) состоит из отрезка трибоэлектрического кабеля 2 длиной L, сигнального процессора 7, установленного в корпусе 13, блочного разъема 12, закрепленного на корпусе сигнального процессора 13, разъемного соединения 10 (вилки и розетки разъема) и кабельного разъема 11. Разъемное соединение 10 предназначено для подключения отрезка трибоэлектрического кабеля 2 к сигнальному процессору 7. Кабельный разъем 11, соединенный с отрезком трибоэлектрического кабеля 2, выполнен с возможностью подключения соседнего аналогичного звена 1. Блочный разъем 12 выполнен с возможностью подключения к другому соседнему аналогичному звену или к внешнему устройству сбора и обработки информации. Число контактов в разъемном соединении 10, в кабельном разъеме 11 и в блочном разъеме 12 соответствует общему числу (не менее) токопроводящих цепей отрезка трибоэлектрического кабеля 2. Например, в опытных образцах звеньев виброчувствительного элемента 1 использовались вилки и розетки семи контактных разъемов типа FQ18. Электрические контакты в разъемах опытных образцов были распределены следующим образом: сигнал (центральный проводник) - один контакт, общий (металлический экран) - один контакт, электропитание - два контакта, цепи интерфейса - два контакта, резервный - один контакт. Следует отметить, что цепи электропитания и интерфейса в одном из вариантов могут быть совмещены. Цепи электропитания и интерфейса проходят насквозь от блочного разъема 12 через сигнальный процессор 7, разъемное соединение 10 и отрезок трибоэлектрического кабеля 2 к кабельному разъему 11. Конструкция звена виброчувствительного элемента 1 предназначена как для функционирования в отдельном виде, так и для функционирования в составе протяженного виброчувствительного элемента, созданного из элементарных аналогичных однотипных звеньев путем стыковки их между собой. При этом каждое звено 1 имеет собственный номер (адрес), который формируется сигнальным процессором 7 соответствующего звена.
Предлагаемое звено виброчувствительного элемента устанавливается на заграждении одного из участков рубежа охраны. Основой звена является отрезок специального трибоэлектрического кабеля, имеющего следующую конструкцию (см. фиг. 1 и фиг. 2). В состав отрезка трибоэлектрического кабеля входят: центральный проводник 3, диэлектрическая (полиэтиленовая) трубка 4, металлический экран 5, внешняя оболочка 6. Центральный проводник 3 волнообразно размещен в отверстии диэлектрической (полиэтиленовой) трубки 4. Конструкция отрезка трибоэлектрического кабеля обеспечивает трибоэлектрический эффект за счет многочисленной точечной контактной электризации металлом диэлектрика. Металлический экран 5 выполнен из алюминиевой фольги или фольгированной пленки, причем с целью его электрической непрерывности и, как следствие, улучшения надежности работы звена по металлизированной поверхности пленки или по фольге продольно уложены две контактные луженые проволоки. Внешняя оболочка 6 отрезка трибоэлектрического кабеля предназначена для защиты от влаги, воздействия солнечной радиации и механических воздействий и выполнена из полиэтилена. Между внешней оболочкой 6 и металлическим экраном 5 уложены дополнительные изолированные провода 8 (не менее двух) для использования их в качестве цепей интерфейса и электропитания.
При преодолении нарушителем рубежа охраны путем «перелаза» через физическое заграждение или при попытках его разрушения полотно физического заграждения будет испытывать вибрацию за счет механического воздействия на него нарушителя. Вибрация полотна физического заграждения передается в звено виброчувствительного элемента 1, в отрезке трибоэлектроческого кабеля которого формируется электрический сигнал за счет трибоэлектрического эффекта. Электрический сигнал поступает через разъемное соединение 10 на первый групповой вход/выход сигнального процессора 7 собственного звена. Сигнальный процессор 7, работающий по определенному алгоритму, осуществляет обработку сигнала с формированием тревожного сообщения с номером (адресом) собственного звена, которое через второй групповой вход/выход поступает в блочный разъем 12 для дальнейшей трансляции по «цепочке» звеньев или для передачи во внешнее устройство сбора и обработки информации. Сигнальный процессор 7 содержит измерительный преобразователь, анализатор полезного сигнала, исполнительное сигнализационное устройство и интерфейсный модуль.
Принцип обработки сигнала основан на измерении механических колебаний физического заграждения, выделении полезного сигнала в спектре частот, сравнении амплитудных составляющих выделенного полезного сигнала с заданными пороговыми уровнями, подсчете определенного количества импульсов превышения амплитуд полезного сигнала заданных пороговых уровней в течение заданного интервала времени и формировании тревожного сообщения с номером (адресом) звена.
На фиг. 4 проиллюстрирован принцип формирования протяженного виброчувствительного элемента, состоящего из «цепочки» виброчувствительных звеньев 1, с возможностью наращивания необходимой общей длины (n⋅L) путем стыковки друг с другом необходимого количества (n) однотипных аналогичных звеньев длиной L. Этот принцип позволяет сформировать гибкий протяженный виброчувствительный элемент необходимой длины с прокладкой цепей интерфейса и электропитания внутри отрезков трибоэлектрического кабеля. Каждое звено виброчувствительного элемента может быть настроено на определенный тип физического заграждения. Использование такого протяженного виброчувствительного элемента позволяет адаптироваться к неоднородностям физического заграждения, а также дает возможность функционирования при контроле протяженного комбинированного физического заграждения, состоящего из сегментов разнотипных физических заграждений (например, сетчатое полотно, бетонное заграждение, сетка «Рабица», решетчатое полотно и т.п.).
При преодолении нарушителем протяженного рубежа охраны на одном из его участков в соответствующем звене этого участка будет сформировано тревожное сообщение с номером (адресом) этого звена. Далее, эта информация будет передана по «цепочке» соединенных между собой звеньев до конечного звена, которое, в свою очередь, передаст эту информацию во внешнее устройство сбора и обработки информации для принятия службой охраны решения о задержании нарушителя.
Использование заявляемого звена при формировании протяженного виброчувствительного элемента позволяет обеспечить его ремонтопригодность путем замены отрезка трибоэлектрического кабеля или сигнального процессора без демонтажа звена и всего протяженного виброчувствительного элемента.