ЕМКОСТНОЕ СРЕДСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ
CAPACITIVE DETECTION MEANS

Предлагаемое изобретение относится к техническим средствам охраны периметров объектов, в частности, к емкостным средствам обнаружения для охраны протяженных периметров территорий, обеспечивающих защиту объектов от незаконного проникновения, вызванного приближением или вторжением нарушителя.
Известно техническое решение «Устройство тревожного извещения и чувствительный элемент» (патент РФ №2437156, опубликовано 20.12.2011 Бюл. №35), в котором описано устройство, содержащее емкостный чувствительный элемент (ЧЭ), соединенный со схемой устройства тревожного извещения. Обработку сигнала емкостного чувствительного элемента осуществляют цифровым методом. Чувствительный элемент состоит из токопроводящего материала, выполненного, например, из сетки или решетки, из обычной или из «колючей» проволоки или из листов металла, например, изготовленной двери и навешенной на петли. Токопроводящий материал служит в качестве одной из обкладок конденсатора чувствительного элемента и закреплен на кожухе, установленном на изоляторах, закрепленных на стержне, являющемся основой опоры. Кожух в верхней части имеет заглушку или козырек, защищающий изоляторы от воздействия внешней среды (дождя, снега, и т.д.). В случае заземления конструкции, образованной соединением стержня с заграждением из «колючей» проволоки, выполняющей роль второй обкладки конденсатора чувствительного элемента, обеспечивается защита устройства от грозовых разрядов и от электромагнитных помех. Однако, в случае охраны протяженных периметров горизонтальный ЧЭ работает как снегозадерживающая преграда, на которой откладывается снег, а впоследствии, может образоваться и ледяная корка. Такое воздействие снежного покрова и ледяной корки высотой более допустимой эксплуатационной документацией на ЧЭ ведет к снижению стойкости и живучести устройства к метеоосадкам со снегом.
Известны серийно выпускаемые АО «ФЦНИВТ «СНПО «Элерон», г. Москва, сигнализационные емкостные заграждения, предназначенные для использования совместно с емкостными приборами Радиан-15 МП ЦКДИ.469453.010, Радиан-16 ЦКДИ.425511.018, «Ромб-12МП» ФАБИ.425121.005, вырабатывающие сигнал срабатывания при изменении емкости ЧЭ, вызванном приближением или вторжением нарушителя. В качестве ЧЭ в полноростовых сигнализационных заграждениях (СЗ) типа «Ярус-01» ЦКДИ.425711.004 и козырьковых СЗ типа «Ярус», «Ярус-AKJI» ЦКДИ.425711.008 может применяться стальная проволока, провод, колючая проволока, плоская спираль из режущей ленты, которые располагаются и закрепляются через переходники (изоляторы) или пластиковые стойки на металлическом бетонном или кирпичном заборе. (см. сайт http://www.eleron.ru/production/perimeter, 06.02.2018).
Недостатком вышеперечисленных устройств и изделий также является низкая стойкость и живучесть к воздействию на СЗ и ЧЭ нагрузки от снежного покрова с высотой более допускаемой эксплуатационной документацией. Действительно, образование высоких снежных наносов и твердых покровов из отложений снега во время метелей и снегопадов высотой более допускаемой эксплуатационной документацией и последующее, при потеплении, их таяние вызывает неисправности СЗ и ЧЭ, такие как обрыв проводов, колючей проволоки, режущей ленты АКЛ, ломку изоляторов, изгиб элементов конструкции. Такие неисправности СЗ и ЧЭ вызывают как ложные срабатывания устройств и приборов, так и отсутствие сигналов тревоги при их преодолении нарушителем. А после таяния и исчезновения снежных покровов, для обеспечения технических характеристик по обнаружению нарушителя и наработке на ложные срабатывания устройствами и приборами, СЗ и ЧЭ требуют существенного дорогостоящего ремонта и проведения регулировочных работ, сравнимых иногда по стоимости с монтажом нового заграждения.
Ближайшим аналогом изобретения (прототипом) является изобретение «Устройство для охранной сигнализации емкостного типа» (патент РФ №2334276, опубликована 20.09.2008 Бюл. №26), предназначенное для охраны периметров объектов, использующее СЗ в качестве механической преграды и одновременно в качестве ЧЭ при подключении к нему прибора, реагирующего на изменение электрической емкости. Прибор содержит генератор синусоидального напряжения, фазовращатель, измерительный мостовой трансформатор, усилитель, регулятор чувствительности, сумматор, интегратор, пороговое устройство, формирователь выходного сигнала и для реактивного и активного каналов - синхронные детекторы, усилители постоянного тока, фильтры верхних и нижних частот, выделитель модуля соответственно. СЗ состоит из стоек, к которым прикреплена колючая проволока, сетка, решетка или другая металлоконструкция. Стойки крепятся на цокольной части основного ограждения при помощи изоляторов, т.е ЧЭ расположены над основным заграждением. Данное устройство выдает сигнал срабатывания при попытке преодоления СЗ, в том числе с использованием и без использования подручных средств (лестниц, подставок), с касанием ЧЭ руками (в перчатках, рукавицах), а также при замыкании ЧЭ на землю.
Недостатком устройства, использующего такие СЗ и ЧЭ, является низкая стойкость и живучесть к воздействию метеоосадков со снегом и снежного покрова высотой более допускаемой эксплуатационной документацией. Например, образование высоких снежных наносов из отложений снега на СЗ и ЧЭ во время метелей и снегопадов, образование твердых покровов из снега и последующее, при потеплении, их таяние, вызывает неисправности СЗ и ЧЭ, такие как обрыв проводов, колючей проволоки, режущей ленты АКЛ, ломку изоляторов, изгиб элементов конструкции. Такие неисправности СЗ и ЧЭ вызывают как ложные срабатывания устройства, так и отсутствие сигналов тревоги при преодолении их нарушителем и, для восстановления его работоспособности, требуют выполнения ремонтных работ и пуско-наладочных работ, сравнимых иногда по стоимости с монтажом нового заграждения. Таким образом, рассмотренные воздействия на ЧЭ и СЗ ведут к снижению устойчивости и живучести устройств к воздействию метеоосадков со снегом.
Задачей изобретения является создание средства обнаружения с емкостным ЧЭ, которое сможет решить проблему повышения устойчивости и живучести к воздействию метеоосадков со снегом.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения емкостного средства обнаружения, является повышение устойчивости и живучести к воздействию атмосферных осадков со снегом за счет конструктивного решения чувствительного элемента, и использования, по меньшей мере, двух групп ЧЭ, образующих соответственно две обкладки конденсатора, емкость которого измеряется и контролируется схемой средства обнаружения, и дополнительным преимуществом является повышение эксплуатационной надежности.
Технический результат достигается созданием емкостного средства обнаружения, содержащего, по меньшей мере, два чувствительных элемента емкостного типа, соединенные со схемой средства обнаружения, изоляторы, в котором каждый чувствительный элемент выполнен из проводящего материала в виде стержня, установленного на изоляторе, закрепленном на опоре заграждения, при этом каждый изолятор закрыт кожухом, а чувствительные элементы соединены со схемой средства обнаружения с помощью двух электрических шин, при этом, по меньшей мере, два чувствительных элемента образуют соответственно две обкладки конденсатора, подключенные соответственно к первой и второй электрическим шинам.
Кроме того, схема средства обнаружения выполнена с возможностью контроля изменения емкости указанного конденсатора. Стержень может быть выполнен в виде штыря, в виде полого стержня, или выполнен из трубы, имеющей конусообразную верхнюю часть, из трубы с конусообразной верхней частью и цилиндрической нижней частью, закрывающими изолятор. Чувствительные элементы могут быть установлены преимущественно вертикально на изоляторах с интервалом от 1 до 10 м.
Кроме того, схема средства обнаружения содержит генератор синусоидального напряжения, формирователь опорных напряжений, усилитель мощности, один выход которого соединен с первой электрической шиной, а вход соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, при этом другой выход генератора синусоидального напряжения соединен с входом формирователя опорных напряжений, усилитель, вход которого соединен со второй электрической шиной, а выход с входом полосового фильтра, выход которого подключен к входам синхронных детекторов реактивного канала и активного канала, соответственно, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами формирователя опорных напряжений, при этом выходы синхронных детекторов реактивного канала и активного канала подключены к первому и второму портам микроконтроллера, причем третий порт микроконтроллера соединен с блоком регулировок пороговых значений и режимов, а четвертый порт соединен с блоком связи с системой сбора и обработки информации.
К пятому порту микроконтроллера может быть подключен блок балансировки и контроля, выход которого подключен к входу усилителя. Усилитель мощности и усилитель могут быть подключены к очагу заземления. Опоры могут быть подключены к очагу заземления. - Средство обнаружения может содержать вторичный источник питания.
Технический результат по варианту два достигается созданием емкостного средства обнаружения содержащего, по меньшей мере, два чувствительных элемента емкостного типа, соединенные со схемой средства обнаружения, изоляторы, в котором каждый чувствительный элемент выполнен из проводящего материала в виде кожуха с конусообразной верхней частью и цилиндрической нижней частью, закрывающими изолятор, причем каждый изолятор закреплен на опоре, а чувствительные элементы соединены со схемой средства обнаружения с помощью двух электрических шин, при этом, по меньшей мере, два чувствительных элемента образуют соответственно две обкладки конденсатора, подключенные соответственно к первой и второй электрическим шинам. Кроме того, схема средства обнаружения может быть выполнена с возможностью контроля изменения емкости указанного конденсатора, а чувствительные элементы могут быть установлены преимущественно вертикально на изоляторах с интервалом от 1 до 10 м.
Также технический результат достигается созданием схемы средства обнаружения, содержащей генератор синусоидального напряжения, усилитель, синхронный детектор, фильтр в которую дополнительно введены формирователь опорных напряжений, усилитель мощности, один выход которого соединен с первой электрической шиной, а вход соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, при этом другой выход генератора синусоидального напряжения соединен с входом формирователя опорных напряжений, вход усилителя соединен со второй электрической шиной, а выход с входом полосового фильтра, выход которого подключен к входам синхронных детекторов реактивного канала и активного канала, соответственно, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами формирователя опорных напряжений, при этом выходы синхронных детекторов реактивного канала и активного канала подключены к первому и второму портам микроконтроллера, причем третий порт микроконтроллера соединен с блоком регулировок пороговых значений и режимов, а четвертый порт соединен с блоком связи с системой сбора и обработки информации.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 показана структурная схема средства обнаружения.
На Фиг. 2 схематично показан ЧЭ, выполненный из проводящего материала в виде стержня, установленного на изоляторе, закрепленном на опоре заграждения.
На Фиг. 3 схематично показан ЧЭ с конусообразной верхней и цилиндрической нижней частью, закрепленный на изоляторе, установленном на опоре.
Емкостное средство обнаружения (Фиг. 1, 2, 3) содержит чувствительные элементы емкостного типа в виде стержня (1), соединенные со схемой средства обнаружения (5), изоляторы (2), каждый чувствительный элемент (1) выполнен из проводящего материала, в виде стержня (1), установленного на отдельном изоляторе (2), закрепленном на опоре заграждения (3), при этом каждый изолятор (2) закрыт кожухом (4), обеспечивающим защиту изолятора, а чувствительные элементы соединены со схемой средства обнаружения (5) с помощью двух электрических шин (6, 7), при этом, по меньшей мере, два чувствительных элемента (1) образуют соответственно две обкладки конденсатора, подключенные соответственно к первой (6) и второй (7) электрическим шинам, причем контроль изменения емкости указанного конденсатора осуществляют схемой средства обнаружения (5).
Схема средства обнаружения (5) содержит генератор синусоидального напряжения (8), формирователь опорных напряжений (9), усилитель мощности (10), один выход которого соединен с первой (6) электрической шиной, а вход соединен с выходом генератора синусоидального напряжения (8), при этом другой выход генератора синусоидального напряжения (8) соединен с входом формирователя опорных напряжений (9), усилитель (11), вход которого соединен с приемной электрической шиной (7), а выход с входом полосового фильтра (12), выход которого подключен к входам синхронных детекторов реактивного канала (13) и активного канала (14), вторые входы которых соединены с соответственными выходами формирователя опорных напряжений (9), при этом выходы синхронных детекторов реактивного канала (13) и активного канала (14) подключены к первому и второму портам микроконтроллера (15), причем третий порт микроконтроллера (15) соединен с блоком регулировок пороговых значений и режимов (16), а четвертый соединен с блоком связи (17) с системой сбора и обработки информации. Схема средства обнаружения выполнена с возможностью контроля изменения емкости указанного конденсатора. Микроконтроллер выполняет усиление, оцифровку, фильтрацию верхних и нижних частот, с определенными характеристиками, и последующую обработку в соответствии с алгоритмом обнаружения сигналов от нарушителя по заданной в его памяти программе. Схема средства обнаружения питается от блока питания (18), формирующего необходимые напряжения для составных частей прибора. В данной схеме может быть использован вторичный источник питания (на схеме не указан). Усилитель мощности (10), усилитель (11), опоры (3) могут быть подключены к очагу заземления (19). К порту 5 микроконтроллера (15) может быть подключен вход блока балансировки и контроля (на чертеже не указан), выход которого подключен к входу усилителя (11), для обеспечения рабочих режимов и контроля работой средства обнаружения.
Чувствительные элементы (1), включенные в электрические цепи средства обнаружения и схема средства обнаружения, в совокупности, обеспечивают измерение емкости с сохранением заданного разрешения, достигая тем самым повышения устойчивости и живучести средства обнаружения к воздействию атмосферных осадков. Чувствительные элементы (1) могут быть выполнены в виде штыря с кожухом или в виде полого стержня, выполнены из трубы, имеющей конусообразную верхнюю часть, или выполнены из трубы с конусообразной верхней частью и цилиндрической нижней частью, закрывающей изолятор.
Чувствительные элементы (1) (Фиг. 2), выполнены в виде соединенного с защитным кожухом (4) стержня (1), закрепленном на изоляторе (2), установленном на опоре (3). На Фиг. 3 показано выполнение чувствительного элемента (1) по варианту два, который выполнен в виде защитного кожуха, с конусообразной верхней частью (20) и цилиндрической нижней частью (21), закрывающего изолятор (2) и часть опоры (3) и защищающего изолятор от воздействия внешней среды (дождя, снега, пыли, солнечного излучения и т.д.).
Опоры (3) устанавливают в грунт в соответствии с СНиП (строительные нормы и правила) для соответствующей климатической зоны или на опоры заграждения, изготавливаются, например, из металлической трубы, швеллера. Также металлические опоры могут устанавливать на бетонные сваи заграждения и т.п. Опоры устанавливают на определенном расстоянии (от 1 до 10 м) друг от друга по линии охраняемого рубежа, путем заглубления (забивания) в грунт или закрепления на опорах заграждения. Опоры (3) соединены между собой и очагом заземления (19). Соответственно, чувствительные элементы (1) установлены преимущественно вертикально на изоляторах, закрепленных на опорах заграждения, с интервалом от 1 до 10 м.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
R
Напряжение с генератора синусоидального напряжения (8) поступает на усилитель мощности (10) и далее через первую электрическую шину на чувствительные элементы, представляющие собой одну из обкладок конденсатора, контролируемого емкостным средством обнаружения. При этом измеряемый сигнал с чувствительных элементов, являющихся другой обкладкой конденсатора, подключенной к второй электрической шине (7) поступает на вход усилителя (11), с выхода которого усиленный сигнал через полосовой фильтр (12), выделяющий сигнал рабочей частоты, поступает на синхронные детекторы реактивного (13) и активного (14) каналов, на другие входы синхронных детекторов СДс и СД поступают напряжения с формирователя опорных напряжений (9), имеющий фазовый сдвиг π/2. С выхода синхронного детектора реактивного сигнала (13), соответствующего емкостной составляющей и с выхода синхронного детектора активного сигнала (14) - соответствующего активной составляющей измеряемого конденсатора, сигналы поступают на микроконтроллер (15), в котором преобразуются с помощью аналого-цифровых преобразований в цифровой вид и далее обрабатываются по определенному алгоритму обнаружения сигналов от нарушителя. В случае обнаружения сигналов, соответствующих амплитудным, частотным, временным параметрам, вызываемым появлением нарушителя вблизи ЧЭ (1), микроконтроллер (15) выдает сигналы на блок связи (17) с ССОИ (системой сбора и обработки информации), который посылает сигнал срабатывания на ССОИ. Для обеспечения устойчивости величины контролируемой емкости, конструкция ЧЭ (Фиг. 2) выполнена из проводящего материала в виде стержня (1), соединенного с кожухом (4), установленного преимущественно вертикально на отдельном изоляторе (2), закрепленном на металлических опорах заграждения (3), или (см. Фиг. 3) чувствительного элемента в виде защитного кожуха с конусообразной верхней (20) частью и цилиндрической нижней (21) частью, закрывающих изолятор, при этом каждый изолятор защищен собственным кожухом (образованным чувствительным элементом), защищающим его от воздействия внешней среды, с учетом возможных механических нагрузок и неблагоприятных климатических факторов, таких как образование высоких снежных наносов во время метелей и снегопадов, и их таяния. Для обеспечения эффективного функционирования ЧЭ (1) реализована схема их подключения и коммутации для образования сигнального заграждения охраняемого периметра. Схемные решения, используемые в средстве обнаружения, позволяют автоматически обеспечивать сохранение непрерывного измерения емкости конденсатора, образованного указанными ЧЭ, и передавать сигналы срабатывания при пересечении нарушителем охраняемого рубежа. Образование высоких снежных покровов, их таяние не вызывают неисправностей предлагаемого емкостного средства обнаружения, повышая его устойчивость и живучесть, не требуют выполнения ремонтных работ по монтажу сигнализационного заграждения и ЧЭ, дополнительно повышая эксплуатационную надежность. Емкостное средство обнаружения для охранной сигнализации эффективно выполняет свои функции во время действия метелей, снегопадов, образования наносов снега, их таянии без выполнения ремонтных работ. Предлагаемое емкостное средство обнаружения может использоваться самостоятельно, а также совместно с другими охранными устройствами и системами с целью повышения степени устойчивости и живучести систем охраны периметров объектов. Таким образом, при промышленном применении указанного емкостного средства обнаружения достигается заявленный технический результат.