ИЗВЕЩАТЕЛЬ В.И. ЯЦКОВА С ЁМКОСТНЫМ И ЛУЧЕВЫМ СРЕДСТВАМИ ОБНАРУЖЕНИЯ
YATSKOV DETECTOR WITH CAPACITIVE AND BEAM DETECTION MEANS

Изобретение относится к техническим средствам охраны и предназначено для охраны протяженных участков местности, периметров объектов и их сооружений. Извещатель В.И. Яцкова (далее извещатель) предназначен для круглосуточной непрерывной работы с емкостным и с лучевым (лазерным, инфракрасным) средствами обнаружения (СО), которые при необходимости могут использоваться раздельно или в составе с другими СО. Известно, что емкостные СО, в сравнении с другими, имеют преимущества по многим параметрам [1], но при высокой чувствительности их достоверность обнаружения снижается, по причинам воздействия внешней среды, действующей на чувствительный элемент (ЧЭ). Совместная работа емкостного и лучевого СО, позволяет, с высокой чувствительностью извещателя, получить вероятность достоверного обнаружения не менее 98%.
Извещатель с емкостным СО относится к техническим средствам охраны, в которых чувствительным узлом является генератор частоты с включенным емкостным ЧЭ (в качестве датчика) в его частотозадающую цепь, влияющим на частоту генератора.
Близкими по технической сущности являются устройства тревожной сигнализации описанные в патентах RU 2379759 С2 МПК G08B 13/26 (первый вариант) и RU 2437156 С1 МПК G08B 13/26, RU 2491646 С1 МПК G08B 13/26, которые имеют большинство одинаковых функциональных устройств, для преобразования цифровым способом сигнала емкостного ЧЭ в сигналы извещения.
В устройстве тревожного извещения по патенту RU 2437156 С1 МПК G08B 13/26 и в извещателе В.И. Яцкова по патенту RU 2491646 С1 МПК G08B 13/26, переключение распределителей осуществляется импульсами второго генератора низкой частоты с высокой стабильностью (хронизирующим устройством Т) на заданный интервал времени (фиг. 1). Измерение емкости (Сх) ЧЭ выполняется путем подсчета количества импульсов генератора частотой F, в заданном временном интервале t импульса на втором выходе распределителей, образуя числовую частотную последовательность с преобразованием ее, суммирующим и вычитающим счетчиками, в числовой код. Преобразование измеряемой емкости ЧЭ выполняется по схеме: емкость - частота - число - код. При таком способе измерения емкости ЧЭ, при формировании сигналов извещения, можно получить высокую чувствительность извещателя при малых емкостях ЧЭ, так как генератором формируется высокая частота F и большое количество импульсов в частотной последовательности. Однако, с увеличением емкости ЧЭ значительно увеличивается время переключения распределителей и время циклов сравнения частотных последовательностей, уменьшается частота F генератора и количество импульсов частотной последовательности в интервале t. Это уменьшает чувствительность, точность измерения и вероятность обнаружения нарушителя. Повышение чувствительности, путем увеличения интервала t (периода частотной последовательности), ограничивается временем перезаписи измеряемой емкости ЧЭ и уменьшением реакции извещателя на изменяющиеся условия окружающей среды, например, на напор дождевых осадков, влияющих на быстрое изменение диэлектрической проницаемости атмосферы, уменьшается и достоверность информации.
Устройство по патенту RU 2379759 С2 МПК G08B 13/26 (первый вариант), отличается от остальных устройств способом преобразования емкости чувствительного элемента в числовой код (фиг. 2). При этом способе, переключение распределителей осуществляется импульсами частотной последовательности, формируемой первым генератором, зависимой от емкости ЧЭ. Формирование периода Т частотной последовательности осуществляют по периоду импульса частоты F этого генератора на втором выходе распределителей. Сформированный импульс периода Т преобразуют в числовой код по схеме период импульса частоты - число - код. При преобразовании, частотную последовательность в этом периоде, формируют высокочастотным генератором G со стабильной частотой и измеряют емкость ЧЭ подсчетом количества импульсов в частотной последовательности суммирующим и вычитающим счетчиками. Устройство, построенное на данном способе преобразования и измерения емкости ЧЭ, имеет большое преимущество перед остальными аналогами.
Во-первых, в нем осуществляется автоматическое поддержание чувствительности в широком диапазоне емкостей ЧЭ, т.к. с изменением емкости ЧЭ осуществляется пропорциональное изменение количества импульсов в числовой последовательности и порог чувствительности, при различных емкостях ЧЭ, является постоянной величиной и может устанавливаться заранее.
Во-вторых, осуществляется высокая скорость переключения распределителей импульсами первого генератора с частотой F, зависимой от емкости ЧЭ. Высокая скорость переключения распределителей сокращает время цикла частотной последовательности и позволяет устанавливать необходимую скорость к изменениям окружающей среды, например, к скорости напора дождевых осадков. Возможна многократная перепроверка сигналов тревожного извещения, в короткий промежуток времени, что повышает достоверность формируемых сигналов.
В-третьих, формирование частотной последовательности осуществляется при помощи высокочастотного генератора со стабильной частотой, и при высоких частотах генератора можно получить желаемую чувствительность и точность измерения при больших емкостях ЧЭ. Однако, при малых емкостях ЧЭ частота первого генератора возрастает, интервал Т импульса на выходе распределителя уменьшается и период частотной последовательности становится малым, число импульсов частотной последовательности уменьшается и вместе с этим уменьшается точность измерения и чувствительность. Для поддержания точности измерения и чувствительности при малых емкостях ЧЭ, требуется генератор с повышенной частотой, что приводит к формированию избыточного количества импульсов при больших емкостях ЧЭ, к увеличению объема записи суммирующего и вычитающего счетчиков, к увеличению элементной комплектации и к повышенному потреблению электрической энергии.
Целью изобретения является устранение недостатков, упомянутых в перечисленных аналогах, из которых наиболее близким по технической сущности и по достижению положительного эффекта, является устройство первого варианта по патенту RU 2379759 С2 МПК G08B 13/26 (фиг. 2), которое выбрано за прототип.
Технический результат, достигается применением нового способа преобразования (фиг. 3) измеряемой емкости ЧЭ в числовой код и вводом в извещатель дополнительных устройств, реализующих способ и расширяющих функциональные возможности извещателя.
Новый способ преобразования (фиг. 3) отличается от прототипа проведением дополнительной операции, формируемой промежуточной схемой: «период импульса частоты - временной интервал». Из схемы видно, что временной интервал (n Т) образуется числом n периодов Т.
На фиг. 1. Способ преобразования измеряемой емкости ЧЭ в числовой код по схеме: емкость - частота - число - код.
На фиг. 2. Способ преобразования емкости ЧЭ в числовой код по схеме: емкость - частота - период импульса частоты - число - код.
На фиг. 3. Способ преобразования емкости ЧЭ в числовой код с дополнительным промежуточным преобразованием по схеме: емкость - частота - период импульса частоты - временной интервал - число - код.
На фиг. 4. Функциональная схема извещателя В.И. Яцкова: а) с емкостным средством обнаружения, б) с лучевым средством обнаружения.
На фиг. 5. Графики, поясняющие формирование чувствительности извещателей в зависимости от емкости ЧЭ, где: F - частота генератора (кГц), зависимая от емкости ЧЭ, С nF - емкость ЧЭ в нано Фарадах, С pF - приращение емкости в пико Фарадах к емкости ЧЭ в нано Фарадах, (характеризует чувствительность извещателя).
Кривая линия с номером 1 - показывает зависимость частоты генератора от емкости ЧЭ.
Кривая линия с номером 2, полученная по схеме способа преобразования фиг. 1, показывает зависимость чувствительности извещателей от величины емкости ЧЭ.
Лини с номерами 3,4, 5, полученные по схеме способа преобразования фиг. 3, показывают зависимость чувствительности предлагаемого изобретения от емкости ЧЭ, с установленными различными начальными порогами нечувствительности задатчиком числа с числами 6, 8 и 12, соответственно с начальными емкостями чувствительности 22 пФ, 33 пФ и 51 пФ. Линии показывают устойчивость мало меняющейся чувствительности извещателя в широком диапазоне емкостей ЧЭ, в сравнении с кривой линией чувствительности - 2, полученной по способу преобразования фиг. 1.
На фиг. 6. Функциональная схема ретранслятора лазерного луча.
На фиг. 7. Фрагмент заграждения с емкостным и лучевым (лазерным) средствами обнаружения, поясняющий поворот луча на необходимый угол.
На фиг. 8 Фрагмент варианта двухсторонней установки лучевого (лазерного) средства обнаружения, вдоль емкостного ЧЭ проволочного ограждения. Фрагмент принципа решения для определения направления перелаза нарушителя через ограждение. Два луча проходят по верху заграждения и три принимаемых луча проходят в нижней его части.
На фрагментах лучевого ограждения, направление передачи информации первым лучом показано пунктирной линией с одинарной стрелкой, направление передачи информации вторым лучом - пунктирной линией со сдвоенной стрелкой. Передача информации по проводам показана сплошными линиями с соответствующей стрелкой.
Извещатель с емкостным средством обнаружения (фиг. 4, а) содержит блок 1 защиты от электрических разрядов с входами a, b, для подключения чувствительного элемента 2 с емкостью Сх, первый генератор 3 с частотой F, зависимой от Сх, первый 4 и второй 5 распределители импульсов, суммирующий счетчик импульсов 6, задатчик числа 7, вычитающий счетчик импульсов 8, дешифратор 9, определитель сигналов нарушения 10, счетчик 11 циклов сравнения частотных последовательностей, первый 12 и второй 13 элементы 11, второй генератор 14, с высокочастотной стабильной частотой G, первое исполнительное устройство 15, первый 16 и второй 17 элементы ИЛИ. Для подключения выхода датчика дождя, элемент 16 ИЛИ имеет вход а.
Для автоматического поддержания заданной чувствительности извещателя, при использовании ЧЭ в широком диапазоне емкостей, измерение емкости (Сх) ЧЭ, осуществляют по схеме нового способа преобразования (фиг. 3), который реализуется введением в извещатель третьего элемента И 18, формирователя 19 временного интервала импульса nT (интервала импульса частотной последовательности), третьего 20 и четвертого 21 элементов ИЛИ. Процесс способа преобразования описан в разделе работы извещателя.
Для обеспечения надежного и достоверного формирования сигнала тревожного извещения, определитель сигналов нарушения 10 содержит счетчик 22 импульсов, элемент И 23, триггер 24 и элемент ИЛИ 25.
Для получения информации о работе извещателя с фиксированием начала перезаписи цикла частотной последовательности, в него введено второе исполнительное устройство 26, соединенное входом со вторым выходом распределителя 4.
С целью устранения ложного извещения от электрических разрядов и от электромагнитных помех, воздействующих на извещатель через ЧЭ, блок 1 защиты снабжен вторым выходом, соединенным со вторым входом первого элемента ИЛИ 16.
С целью определения злоумышленника, пытающего использовать защиту от электрических разрядов и нарушить работу извещателя высоковольтными электрическими разрядниками через вход для подключения ЧЭ, в извещатель введена интегральная цепь 27, соединенная входом с вторым выходом блока 1 защиты и выходом - со вторым входом первого исполнительного устройства 15.
Для получения информации о состоянии подключенного чувствительного элемента, в извещатель введены второй дешифратор 28, сопряженный информационными входами с выходами суммирующего счетчика 6 импульсов, третий 29 и четвертый 30 исполнительные устройства, соединенные входами с соответствующими выходами второго дешифратора.
Исполнительные устройства имеют выходы для подключения линий связи к приемнику 31 извещений.
Для дистанционной и местной проверки работоспособности извещателя, в него введены элемент ИЛИ 32, с входами a1, b1, для подключения внешних цепей управления, и исполнительное реле 33, соединенное входом с выходом элемента ИЛИ 32 и выходом - с входами, для подключения конденсатора 34 к чувствительному элементу 2.
Извещатель с емкостным средством обнаружения (фиг. 4а) работает следующим образом.
Первый генератор 3, связанный частотозадающей цепью с чувствительным элементом 2, через элементы защиты от электрических разрядов блока 1, формирует частоту, зависимую от величины емкости ЧЭ (фиг. 5, график-1). Осуществляется первое преобразование емкости (Сх) ЧЭ в частоту F генератора 3 (фиг. 3). С выхода генератора 3 импульсы частоты поступают на вход С первого распределителя 4 импульсов, на второй вход элемента И 18 и на вход F счета импульсов формирователя 19. Второй распределитель 5 импульсов, включается в работу только с разрешения первого распределителя 4, а формирователь 19, включается в работу только с поступлением сигналов разрешения в виде логической единицы на его входы С1 и С2 со вторых выходов распределителей 4, 5, поэтому в работу включается только первый распределитель 4. Первым импульсом он переключается в первое положение. С его первого выхода сигнал поступает на вход W суммирующего счетчика 6. Происходит перезапись числа установленного порога нечувствительности в задатчике 7 в триггеры суммирующего счетчика, через сопряженные с выходом задатчика 7 информационные входы Q1---Qn. Эта информация сохраняется до начала счета. Вторым импульсом, распределитель 4 переключается и с его второго выхода сигнал логической единицы поступает на вход исполнительного устройства 26, фиксирующего начало перезаписи цикла частотной последовательности, и на вход С1, формирователя 19, дающему разрешение на подсчет заданного количества n импульсов частоты F первого генератора 3, поступающих на вход F. Путем подсчета импульсов n, формирователь 19 преобразует интервалы импульса Т, частоты F, в импульс с интервалом nT. Осуществляется второе преобразование емкости (Сх) ЧЭ из частоты F генератора 3 с интервалами импульсов Т в импульсы с интервалом nT (фиг. 3). Больший временной интервал nT импульса, дает возможность получить большую серию импульсов частотной последовательности при малой емкости ЧЭ, что увеличивает точность измерения и чувствительность извещателя при применении генератора 14 с меньшей частотой, сокращает потребление электрической энергии и позволяет оптимизировать объем ячеек памяти суммирующего и вычитающего счетчиков в широком диапазоне емкостей ЧЭ. Импульс (логической единицы) с интервалом nT поступает с первого выхода формирователя 19 на вторые входы логического элемента ИЛИ 20 и логического элемента И 12. Сформированный на выходе элемента ИЛИ 20 сигнал логической единицы поступает на вход V распределителя 4 и запрещает ему дальнейшее переключение, и он останавливается. С началом поступления логической единицы на второй вход элемента И 12, с генератора 14 начинают поступать импульсы стабильной частоты через вход С в суммирующий счетчик 6. Считываемые импульсы суммируются с числом задатчика 7, которое задается необходимым порогом нечувствительности к помехам. На фиг. 5 графики 3,4,5 соответствуют числам 6, 8, 12 задатчика 7. Счет импульсов счетчиком 6 и остановка переключения распределителя 4 происходит до момента, пока формирователь 19 не сосчитает заданное количество n импульсов, т.е. до момента образования временного интервала nT, в котором генератором 14 формируется числовая последовательность с числом фиксированных импульсов задатчика 7.
Этим числом импульсов, измеряется емкость ЧЭ суммирующим счетчиком 6. По окончанию считывания формирователем 19 заданного количества импульсов n, на первом его выходе появится сигнал логического нуля, которым логический элемент И 12 закроет счет импульсов суммирующему счетчику 6. На его выходах в двоечном коде фиксируется число, принимаемое за эталон, при измерении и сравнении чисел импульсов частотных последовательностей последующих циклов, вычитающим счетчиком 8. На входах и на выходе элемента ИЛИ 20 будут логические нули, что дает разрешение для последующего переключения первому распределителю 4. Распределитель 4 переключится, и на его третьем выходе появится сигнал логической единицы, который, через первый вход элемента ИЛИ 21, поступит на вход R формирователя 19 и установит его в исходное состояние.
Формирователь 19 на первом выходе, формирует временной интервал импульса логической единицы с размером nT, связанный пропорциональной зависимостью с емкостью ЧЭ. Чем больше будет емкость ЧЭ, тем больший интервал импульсов Т и nT на выходе формирователя 19 и большее число импульсов в частотной последовательности и, наоборот, при уменьшении емкости ЧЭ. Такая пропорциональная зависимость логической единицы на выходе формирователя 19 приводит к пропорциональной зависимости количества импульсов в частотной последовательности, формируемой генератором 14, и к автоматической стабильности установленной чувствительности извещателя, для широкого диапазона емкостей ЧЭ (см. графики 3, 4, 5, отличающиеся от графика 2, фиг. 5).
При переключении распределителя 4 с третьего положения в четвертое, заканчивается преобразование емкости ЧЭ. На выходе суммирующего счетчика 6 устанавливается числовой код. С четвертого выхода сигнал логической единицы поступает на первый вход элемента ИЛИ 20 и на первый вход элемента И 18. Выходом логической единицы элемента ИЛИ 20, через вход V, блокируется дальнейшее переключение первого распределителя 4, а с появлением логической единицы на первом входе элемента И 18 дается разрешение для прохождения импульсов с выхода первого генератора 3 на вход С второго распределителя 5, для его переключения. При переключении, с его первого выхода поступает сигнал на вход W разрешения на перезапись чисел вычитающему счетчику 8 с выходов суммирующего счетчика 6. При следующем переключении распределителя, с его второго выхода сигнал логической единицы поступает на вход С2 формирователя 19, дающему разрешение на подсчет заданного количества импульсов n частоты генератора 3, поступающих на вход F формирователя 19. Одновременно с второго выхода формирователя 19 сигнал логической единицы поступает на вход V второго распределителя 5, блокируя его дальнейшее переключение, и на второй вход элемента И 13, разрешающего вычитающему счетчику 8 счет импульсов частотной последовательности, поступающих с генератора 14 по первому входу элемента И 13. Во время счета импульсов частотной последовательности происходит вычитание чисел импульсов переписанных из суммирующего счетчика, которое заканчивается при подсчете количества импульсов формирователем 19 до заданного значения, при котором, на втором выходе формирователя, на втором входе и выходе элемента И 13 появятся сигналы логического нуля и счет импульсов вычитающему счетчику 8 остановится. Сигнал логического нуля, поступивший со второго выхода формирователя 19 на вход V второго распределителя, дает ему разрешение для последующего переключения. При переключении, на его третьем выходе формируется импульс логической единицы, служащий в качестве контрольного сигнала. К этому времени на дешифраторе 9 фиксируется полученная разность чисел импульсов суммирующего и вычитающего счетчиков. Одновременно контрольный сигнал поступает на вход С счетчика 11, фиксируя первый цикл сравнения частотной последовательности, на второй вход определителя 10 и на второй вход элемента ИЛИ 21, который, сигналом логической единицы на выходе, возвращает формирователь 19 в исходное состояние.
При сравнении чисел импульсов суммирующего и вычитающего счетчиков возможны случаи, когда в вычитающем счетчике остается число равное заданному числу порога нечувствительности в задатчике 7, или это число окажется с разницей в пределах заданного числа порога нечувствительности, что будет соответствовать незначительному воздействию на чувствительный элемент. Например, при изменении погодных условий в интервале времени формирования и сравнения частотных последовательностей. В этих случаях, при контрольном сигнале, предупредительного сигнала о нарушении в дешифраторе 9 не формируется и на его выходе должен быть сигнал логического нуля, который поступает по первому входу определителя 10 на первые входы элемента И 23 и триггера 24. Элемент И 23 запрещает выходом логического ноля переключение счетчика 22. Поступивший контрольный сигнал логической единицы на второй вход определителя 10 переключает триггер 24, так как на его первом входе с выхода дешифратора поступает логический ноль. Сформированная на выходе триггера логическая единица поступает на первый вход элемента ИЛИ 25, который сигналом логической единицы на выходе сбрасывает в исходное состояние счетчик 22 и удерживает сброс до момента, пока на выходе дешифратора 9 не появится логическая единица
При следующем переключении распределителя 5, с его четвертого выхода сигнал логической единицы поступает через первый вход элемента ИЛИ 17 на вход R сброса, и распределитель возвращается в исходное состояние. С выхода его исходного состояния сигнал поступает на вход R сброса вычитающего счетчика 8 и возвращает его в исходное состояние. С этого момента алгоритм измерения и сравнения числа импульсов, следующих частотных последовательностей, повторяется до заполнения заданного значения импульсами счетчика 11. Интервал формирования времени сравнения частотных последовательностей имеет большое значение и устанавливается соответствующим выбором выхода счетчика И, с учетом количества перепроверок, формируемых контрольными сигналами, поступающими с третьего выхода распределителя 5 и предупредительных сигналов о нарушении, поступающих с дешифратора 9. Чем меньше этот интервал, тем быстрее будет осуществляться перезапись данных окружающей среды и меньшая зависимость, например, от напора дождевых осадков. Для пропорциональной зависимости перезаписи данных от интенсивности дождя, к входу а, элемента 16 ИЛИ, подключают выход датчика дождя. Чем выше интенсивность дождя, тем чаще на входе а, с выхода датчика дождя, посылается сигнал для сброса и перезаписи данных извещателя.
При заполнении счетчика 11 с его выхода сигнал логической единицы поступает через первый вход элемента ИЛИ 16, на входы R сброса распределителя 4 и через входы элементов ИЛИ 17, 21, 25 соответственно на входы сброса распределителя 5, формирователя 19 и счетчика 22. Выходными сигналами исходного состояния распределителей 4,5 в исходное состояние приводятся счетчики 6,8,11 и вместе с этим - извещатель.
Если разность чисел суммирующего и вычитающего счетчиков выходит за пределы числа установленного порога нечувствительности, тогда на выходах дешифратора 9 сформируется предупредительный сигнал о нарушении в виде логической единицы. Это может быть в случаях приближения нарушителя к емкостному чувствительному элементу, или при записи сигнала помехи.
Задача определителя 10 сигналов нарушения, распознать, на основании каких причин сформировался этот сигнал, от помехи при сравнении записи, или от нарушителя. Если помеха присутствовала при сравнении эталонного числа, тогда при циклах сравнения на выходе дешифратора не должно быть повторяющейся логической единицы, так как сигнал случайной помехи не может быть величиной с одинаковыми параметрами в разных промежутках времени. В этом случае, определитель 10 формирует сигнал сброса принятых импульсов помехи. Это происходит следующим образом. Логическая единица с выхода дешифратора 9 поступает через первый вход определителя 10 на объединенные первые входы элемента И 23 и триггера 24 и переключает выход триггера с логической единицы на логический ноль. На входах элемента ИЛИ 25 появятся два логических нуля, что формирует на его выходе также логический ноль и защищает счетчик 22 от сброса. Две логические единицы, поступившие одновременно по первому и по второму входам определителя 10 на входы элемента И 23 формируют на его выходе сигнал логической единицы, который поступает на вход V счетчика 22 и переключает его в первое положение.
Если при последующих сравнениях чисел импульсов частотных последовательностей, каждый раз при контрольном сигнале, на выходе дешифратора будет появляться логическая единица, то это будет означать, что емкость ЧЭ увеличивается не от случайной помехи, а от постоянного увеличения емкости ЧЭ. От этого число принятых импульсов вычитающим счетчиком увеличилось, и разность сравниваемых чисел частотных последовательностей превышает заданный порог нечувствительности. Это возможно в случае приближения нарушителя к ЧЭ. Поступивший от дешифратора 9 сигнал логической единицы, на первый вход триггера, опережает поступление контрольного сигнала поступающего на его второй вход и запаздывает на отключение, которое происходит от сброса вычитающего счетчика при сбросе второго распределителя 5, что не позволяет переключиться триггеру для сброса счетчика 22 в исходное состояние. Поступающие сигналы (логические единицы) на входы элемента И 23, сигналом на его выходе, при каждом контрольном импульсе, переключает счетчик 22 до выхода заданного подсчета сигналов нарушения, при котором счетчик устанавливается на самоблокировку и выдает сигнал тревожного извещения на вход исполнительного устройства 15. Количество переключений счетчика 22 подтверждает достоверность наличия сигнала нарушения.
Если в периоде формирования сигнала тревоги, при контрольном сигнале, на выходе дешифратора 9 хотя бы один раз появится сигнал логического нуля, то счетчик 22 будет возвращен в исходное состояние, так как триггер 24 переключится контрольным сигналом и выдаст сигнал логической единицы через элемент ИЛИ 25 на его вход сброса. Сигнала тревоги не будет, и поступающие предупредительные сигналы о нарушении были следствием помех.
Если на вход извещателя при его работе со стороны ЧЭ поступит электрический разряд, то ввиду его повышенного потенциала, на втором выходе блока 1 защиты, сформируется электрический сигнал, который поступит на второй вход элемента ИЛИ 16. Сигналом выхода элемент ИЛИ 16 осуществит сброс извещателя в исходное состояние вышеописанным образом и защитит прибор от формирования ложной тревоги.
Злоумышленник для преодоления емкостного заграждения может воспользоваться высоковольтным разрядником. Для этого ему потребуется более двух секунд, тогда как разряд молнии не более 1,4 сек. Поэтому злоумышленник вынужденно должен подавать в ЧЭ серию электрических разрядов. При поступлении серии разрядов на ЧЭ извещателя, со второго выхода блока 1 защиты будут поступать сформированные импульсы на вход интегральной цепи 27 и на второй вход первого элемента ИЛИ 16. С выхода элемента ИЛИ 16 сформированный сигнал сбросит извещатель в исходное состояние, а на выходе интегральной цепи 27, по истечению двух секунд, сформируется сигнал, который поступит на второй вход исполнительного устройства 15 и оно выдаст сигнал тревоги, связанной с нарушителем. При грозовых разрядах сигнал тревоги не выдается.
Второй дешифратор 28, сопряженный входами с выходами суммирующего счетчика, определяет, при записи эталонного числа суммирующего счетчика, состояние емкости ЧЭ.
В случае получения эталонного числа меньше заданного значения, что будет соответствовать меньшей установленной емкости ЧЭ, на первом выходе второго дешифратора 28 сформируется сигнал, который поступит на вход третьего исполнительного устройства 29, извещающего об обрыве ЧЭ.
В случае получения эталонного числа больше заданного значения, (что будет соответствовать о недопустимой большой емкости ЧЭ, или о замыкании ЧЭ на заземленный провод) на втором выходе дешифратора 28 сформируется сигнал, который поступит на вход четвертого исполнительного устройства 30, извещающего о недопустимой большой емкости ЧЭ. Сигналы извещения исполнительных устройств 29 и 30 будут непрерывно сигнализировать до момента устранения нарушений. Сигналы извещения исполнительных устройств 29 и 30, можно объединить в один сигнал тревоги, соединив их с исполнительным устройством 15, (на схеме соединения показаны пунктирными линиями). В этом случае сигналы неисправности ЧЭ можно распознавать от сигналов нарушителя по продолжительности извещения.
Для местной проверки работоспособности извещателя подают на вход al, и для дистанционной проверки на вход Ы элемента ИЛИ 32 сигнал управления. С его выхода сигнал поступает на вход реле 33, которое выходными контактами подключает конденсатор 34 (с емкостью эквивалентной емкости предполагаемого нарушителя) к ЧЭ, увеличивая его емкость, что вызывает работу извещателя в тревожном режиме. С выходов исполнительных устройств сигналы извещения передаются к приемнику 31.
Предлагаемое изобретение позволяет установить любой порог чувствительности (с желаемой нечувствительностью к окружающей среде). Следует заметить, что некоторые разработчики выдают за высокое качество приборов своей продукции, с чувствительностью от 1 пФ и стремятся скрыть недостатки кривой зависимости от емкости ЧЭ показанной на графике 2, фиг. 5. Проблем в получении высокой чувствительности не существует. Существуют проблемы в надежности и достоверности полученных извещений при резко меняющихся условиях окружающей среды.
Извещатель позволяет получить дополнительную информацию о состоянии охранной системы, высокую скорость перепроверки состояния к окружающей среде, высокую скорость регистрации сигналов тревожного извещения с многократной их перепроверкой. Автоматическое поддержание чувствительности, для широкого диапазона емкостей ЧЭ, упрощает проектирование заграждений, т.к. у проектировщика не возникает потребности привязывать площадь заграждения, связанную с емкостью ЧЭ, с симметрией флангов ЧЭ и с их зависимостью от частотных колебаний. Упрощается эксплуатация всего средства охраны, т.к. не требуется перенастройка чувствительности извещателя под емкость ЧЭ и под условия окружающей среды.
Лучевое средство обнаружения
Извещатель с емкостным средством обнаружения (СО), может дополняться лучевым СО, например, лазерным, что позволяет при высокой чувствительности, обеспечить повышенную вероятность достоверного обнаружения нарушителя.
Для периметровых систем охраны применяются двухпозиционные лучевые средства. Из одной позиции передатчик посылает луч в другую позицию, где этот луч принимается приемником и преобразуется в сигнал извещения или тревоги. Например, инфракрасный активный линейный однолучевой извещатель СПЭК-8, промышленного производства, предназначенный для блокировки участка периметра охраняемого объекта, состоит из блока излучателя, формирующего поток ИК энергии (ИК луч) и блока фотоприемника, принимающего этот поток. Для увеличения помехоустойчивости извещателя к внешним воздействиям и фоновым засветкам, извещатель работает на 4-х частотах, а в блоке фотоприемника имеет микропроцессорную систему для одновременной обработки 4-х частот [1]. Вероятность и качество обнаружения приходится возмещать значительным усложнением аппаратуры. Поскольку луч имеет зашифрованную от помех частотную модуляцию, то для дешифрации луча требуется его синхронизация с частотой дешифратора, что усложняет устройство и требует кабель связи между передатчиком и приемником.
Все лучевые линейные средства применяются там, где обеспечивается прямая видимость между передатчиком и приемником. Как и любой световой поток, ИК луч нельзя направить вдоль кривой поверхности, а использование отражений луча приводит к резкому падению интенсивности лучевого потока, к снижению помехозащищенности при ухудшении метеоусловий и к потере работоспособности [1].
Существенными недостатками фотоприемников лучевых средств обнаружения является реакция на засветку от солнца, люминесцентных ламп, ламп накаливания или от засветки фар автомобиля. Если величина фоновой засветки достигает некоторого порога, фотоприемник может либо выдать сигнал ложного срабатывания, либо «зависнуть» (не реагировать на наличие или отсутствие лучевого потока вообще). В ясный солнечный день при наличии рядом стоящих белых зданий или поверхностей с хорошей отражающей способностью, например, мокрого асфальта, солнечный «зайчик» может вызвать ложное срабатывание.
Предлагаемое лучевое средство обнаружения с лазерным лучом, устраняет перечисленные недостатки, имеет малые габариты, малое потребление электрической энергии и позволяет менять направление луча в нужном направлении. Это достигается методом ретрансляции луча, что позволяет восстанавливать и усиливать его интенсивность, возвращать луч в исходный пункт излучения и синхронизировать импульсы модуляции без кабеля синхронизации.
Существенный недостаток фотоприемников лучевых средств обнаружения, реагирующих на фоновую засветку и вызывающих ложное срабатывание, устраняется предложенным способом помехозащищенности путем проведения двух операций.
Первая операция заключается в формировании неменяющегося потенциала на входе усилителя при меняющемся фоновом световом потоке. Реализации этой операции осуществляется при помощи двух однотипных фотоэлементов с длинной волны равной, или приближенно равной, электромагнитной волне излучателя, при этом, фотоэлементы устанавливают на общем основании в направлении приема луча, на расстоянии между ними исключающем одновременный прием ими луча излучателя. Фотоэлементы соединяют последовательно и подключают соответствующей полярностью к источнику питания, а точку их последовательного соединения к входу усилителя фиг. 6.
Вторая операция заключается в формировании неменяющегося потенциала на выходе усилителя при разности потенциалов на фотоэлементах, возникающей при колебаниях фоновой освещенности в допустимых пределах. Эту операцию реализуют при помощи порогового усилителя, например, компаратора с характеристикой типа «гистерезис», или триггера Шмитта.
Помехозащищенность фотоприемника от случайной или злоумышленной (прицельной) засветки осуществляется модуляцией луча, с заданными параметрами частоты и скважности импульсов, с проверкой их параметров схемой сравнения, в моменты приема и передачи луча. В данном случае частота модуляции не является постоянной и зависит от емкости ЧЭ, которая меняется от воздействия окружающей среды, в том числе и от злоумышленника и не может быть сканирована с целью злоупотребления. Параметры импульсов, меняющейся частоты модулированного луча, постоянно проходят селекцию синхронным сравнением в схеме, позволяющим получить надежную информацию о состоянии луча.
Лучевое средство обнаружения (фиг. 4, б) содержит исполнительное устройство 15, (в данном случае как датчик включения), генератор импульсов 3, блок формирования модуляции и анализа луча 35, формирователь сигнала извещения 36 и устройство передачи и приема луча 37. Блок формирования модуляции и анализа луча состоит из формирователя импульсов 38, соединенного первым входом F с выходом генератора импульсов 3, вторым входом R - с выходом датчика включения 15, и схемы сравнения импульсов 39, соединенной выходом с входом формирователя сигнала извещения 36 и сопряженной входами с выходами А, Б, С формирователя импульсов 38.
Устройство передачи и приема луча 37 содержит модули излучения луча 40 и модули приема луча 41, расположенные последовательно на позициях по линии луча обнаружения 42, с возможностью передачи сформированного луча модулем излучения 40, соединенного входом с выходом D формирователя импульсов 38, через комплект модулей ретрансляционных позиций 43, к позиции входа модуля 41 приема луча, соединенного выходом с входом К схемы сравнения 39. Комплект модулей ретрансляционных позиций 43 содержит модуль приема луча 41, соединенный выходом с входом модуля излучения луча 40, фиг. 4,6,7,8.
Луч и его направление передачи на чертежах схем показан пунктирной линией с одинарными стрелками. Входы F и R выделены для возможности подключения к ним собственных или сторонних аналогичных устройств.
Модули излучения луча и фотоприемники лучевого СО снабжены средствами юстировки для сопряжения с соответствующими лучами приемопередающих модулей. Устройства юстировки на чертежах не показаны, так как они могут иметь особенности при проектировании конкретного заграждения, а их принцип работы известен.
Модулированный луч является переносчиком информации и служит датчиком информации при влиянии на него внешней среды, по этой причине он именуется «лучом обнаружения». Для проверки сохраненной идентичности луча, в процессе передачи, принимаемые лучевые импульсы сравниваются в блоке 35 с переданными импульсами с выхода D, формирователя 38 и, в случае их не идентичности или не совпадения, преобразуются в сигнал извещения (тревоги) формирователем 36.
Для изменения направления луча с любым углом отклонения, используется расширенный ретрансляционный комплект, содержащий большее число фотоприемников луча и модулей излучения луча, для изменения направления луча без потери его идентичности с сохранением интенсивности при приеме (фиг. 7, 8). Принцип устройства и работы всех фотоприемников и излучателей луча одинаков и иллюстрируется функциональной схемой на фиг. 6, а. Последовательно соединенные фотоэлементы 44 и 45 подключены соответствующей полярностью к источнику питания, а точка их последовательного соединения подключена к входу триггера Шмитта 46 (или к компаратору с заданным порогом гистерезиса). В исходном состоянии на входе триггера существует уровень потенциала, при котором на его выходе находится потенциал логического нуля. При любом изменении фона светового потока, в области фотоэлементов, действующего одинаково на фотоэлементы, не приводит к изменению исходного потенциала на входе триггера, не изменяется исходное состояние сигнала и на выходе триггера, при перепадах напряжения на его входе, при меняющейся освещенности фотоэлементов в пределах его гистерезиса. Однако, при прицельном дополнительном освещении фотодиода 44, потенциал на входе триггера увеличивается выше допустимого порога гистерезиса триггера, и он переключается, на его выходе формируется логическая единица. При модуляции луча на входе фотоэлемента 44, на выходе триггера модулируются прямоугольные импульсы соответствующей частоты и скважности, которыми усилитель 47, соединенный входом к выходу триггера, усиленными сигналами на выходе, управляет излучателем луча 48. Модуль фотоприемника 41, выполненный по схеме фиг. 6,6, может использоваться для принятия двух независимых лучей одним пороговым усилителем 46, что целесообразно применять для многоярусных лучевых СО.
Для определения направления проникновения нарушителя через ограждение, лучевое СО снабжено вторым комплектом устройств передачи и приема луча. Для отличия второго комплекта в его позиционных обозначениях добавлена буква А. Второй комплект устройства передачи и приема луча 37А, второй схемой сравнения импульсов39А и вторым формирователем сигнала извещения 36А и т.д.
Лучевое СО с собственным генератором и датчиком включения, может использоваться как самостоятельное средство охраны.
Лучевое СО, совместно с емкостным СО, работает следующим образом. При отсутствии воздействия нарушителя на ЧЭ 2, емкостного средства обнаружения, на выходе исполнительного устройства 15 тревожного сигнала не формируется и на входе R формирователя импульсов 38 присутствует сигнал логического нуля. Блок 35 находится в исходном состоянии. Формирователь импульсов не выдает модуляции на выходе D на вход модулей 40 и 40А для излучения луча, и они выключены. Приемопередающие модули ретрансляционных комплектов 43 и 43А первого 42 и второго луча 42А сигналов модуляции не принимают и также выключены. В таком состоянии лучевое средство обнаружения потребляет электроэнергию в пределах питания микросхем.
При воздействии нарушителя на ЧЭ 2, (фиг. 4, 7, 8) срабатывает емкостное средство обнаружения и с выхода исполнительного устройства 15 на вход R формирователя 38 поступает сигнал логической единицы и включает его в работу. На выходах формирователя 38 появляются непрерывные импульсы заданной частоты и скважности, которые поступают с выходов А, В, С формирователя 38 на входы схем 39 и 39А для сравнения импульсов модуляции. Одновременно с выхода D, формирователя 38 модулированные импульсы поступают на входы модулей излучения 40 и 40А, которые излучателями 48 (фиг. 6а) формируют модулированные лучи обнаружения 42 и 42А, с заданной частотой и скважностью. Модулированный луч поступает в область фотодиода 44 модуля приема луча 41 и 41 А, расположенных на позициях 43 и 43А ретрансляции луча, в которых срабатывает триггер 46 и через соединенный с выходом триггера усилитель 47, при помощи излучателя 48, ретранслирует усиленный модулированный луч в выбранном направлении для приема следующим модулем приема луча. При ретрансляции, автоматически включается каждый последующий модуль излучения, который восстанавливает усилителем интенсивность и физические свойства луча и транслирует его в другом или в обратном направлении с той же частотой и скважностью. Лучи излучения и лучи приема могут быть смещены по отношению к ЧЭ 2 на целесообразное расстояние, расширяя, таким образом, лучевую плоскость и зону охраны. Юстированные и прошедшие ретрансляцию лучи поступают в соответствующие оптические приемники модулей приема луча 41 и 41А, соответственно соединенные выходами с входами К и М схем сравнения 39 и 39А, для сравнения идентичности с импульсами, отправляемыми из выхода D формирователя 38. Если частота, скважность и синхронизация этих импульсов, входящих в схему сравнения, совпадают, значит, принимаемые импульсы находятся в норме. В случае несовпадения импульсов, или отсутствие одного из них, в одном из лучей обнаружения 42 (42А) - на выходе соответствующей схемы сравнения, соответствующего луча, формируется сигнал, для включения соответствующего формирователя 36 (36А) извещения о тревоге. Последовательность срабатывания формирователей извещения, соответствует последовательности нарушения соответствующего луча обнаружения и указывает на сторону, из которой нарушитель, перелез (проник) через заграждение.
В результате ретрансляции и преобразования луча в сигнал извещения (тревоги) возможны следующие случаи.
А. Сигнал тревоги не выдается в случаях:
а) при дистанционном контроле за работой системы охраны, если модулируемый луч не прерывается и его параметры при излучении и при приеме луча в схеме сравнения совпадают;
б) оптическое окно модуля приема луча искусственно ослеплено, без формирования сигнала тревоги емкостным средством обнаружения, например светом фары, солнечным «зайчиком», или нарушителем, без преодоления емкостного заграждения;
в) емкостное СО формирует сигнал тревоги, а лучевое СО формирует и принимает ретрансляционный луч (луч обнаружения) с заданными параметрами при его излучении;
г) емкостное СО выдало сигнал тревоги, (например, при посадке птиц на емкостной ЧЭ) оптическое окно приемника освещено сторонним источником света, а лучевое СО формирует и принимает ретрансляционный луч (луч обнаружения) с заданными параметрами при его излучении;
Б. Сигнал тревоги выдается при сработанном емкостном СО в случаях:
а) приемопередающие модули не транслируют луч по причинам неисправности, не юстированы или обесточены;
б) луч обнаружения прерывается нарушителем;
в) принятый луч обнаружения не идентичен сформированному излучаемому лучу.
На основании изложенного следует вывод, что сигнала извещения не выдается при всех помехах и нарушениях окружающей среды, кроме случая злоумышленного нарушения системы охраны, что соответствует требованиям получения высокой достоверности. В случае неисправности емкостного ЧЭ (его обрыв, замыкание на заземленный провод, превышение емкости выше заданного значения) емкостное СО, согласно описания его работы, будет находиться в сработанном состоянии до устранении неисправности, и лучевое СО автоматически включится в работу по охране периметра ЧЭ по пункту Б.
Двухстороннее расположение лучей вдоль емкостного ограждения, позволяет определять направление и время проникновения нарушителя через ограждение и подтверждать, что нарушение было не случайным.
Источники информации
1. Иванов И.В. Охрана периметров, М.; «Паритет Граф», 2000, с. 32-37.
2. Тутевич В.Н. Телемеханика. М.: Высшая школа, 1985, с.314 - 319.
3. Патенты:
- RU №2 379 759 С2, МПК G08B 13/26, 14.03.2007. (прототип);
- RU №2 437 156 С1 МПК G08B 13/26, 09.06.2010;
- RU №2 491 646 С1 МПК G08B 13/26, 03.05. 2012;
- RU №281 558 С 2, МПК G08B 13/ 26, 12.07. 2004.
- RU №2 277 263 С1 МПК G08B 13/ 26, 19.10. 2004.
- RU №2 025 781 C1 G08B 13/26;
- RU №2 126 173 МПК G08B 13/26;
- RU №2 012 925 МПК G08B 13/26, 10. 06. 1991.
Авторские свидетельства СССР:
- №372571, МКИ G08B 13/26,1969; №1299353 A1 G08B 13/26, 07.01.85.