Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

FПРУЖ = S × pПРЕД, где S – площадь клапана. В случае превышения pПРЕД давление заставляет клапан закрыться. После снятия давления пружина открывает клапан и СО возвращается в нормальный режим работы. Между объемами шлангов следует предусмотреть тонкое перепускное отверстие (или трубку), необходимое для выравнивания давлений в случае их медленных изменений, неизбежных при намокании или проседании почвы. В конструкции датчика должны быть средства удаления воздуха и поддержания начального избыточного давления жидкости.

Рис. 2.3.2 Гидравлический клапан

Высокая стоимость промышленных датчиков давления (от одной – двух тысяч рублей) заставляет задуматься об их самостоятельном изготовлении. Конструкция ЧЭ не содержит сложных или особо точных элементов, поэтому при невысоких требованиях к погрешности измерения (10…20%) его можно изготовить из подручных материалов. Основу конструкции составляют два круглых трубных фланца (рис. 2.3.3). К одному из них должна быть приварена или припаяна (в крайнем случае, приклеена) мембрана. Мембрана представляет собой тонкий металлический диск. Она воспринимает давление жидкости, поэтому соединение должно быть надежным, а сам фланец – жестким. Второй фланец прикручивается к первому винтами через резиновую прокладку, которая обеспечивает герметичность соединения. В одном из фланцев (с мембраной) имеется отверстие для вывода проводов от измерительного элемента. Шланги надеваются на трубные части фланцев.

Рис. 2.3.3 Датчик давления

Под действием давления мембрана изгибается. Величина изгиба может быть измерена одним из трех способов: микроперемещений, емкостным или с помощью тензорезисторов. Первый заключается в измерении малых смещений центра мембраны. Он весьма трудоемок, так как требует механической передачи смещения от мембраны сквозь фланец наружу, где и производятся измерения. Емкостной способ состоит в измерении емкости между мембраной и неподвижным

электродом, размещаемым параллельно мембране. Ее изгиб меняет емкость конденсатора. Способ работает эффективно, если решить ряд чисто технических вопросов, к которым относятся: электрическая изоляция мембраны при сохранении жесткости ее крепления, борьба с электролизом жидкости на обкладках конденсатора (мембране и неподвижном электроде), поляризация и электрохимическое разрушение обкладок.

Наиболее простое и надежное решение – измерение изгиба мембраны с помощью тензорезисторов. Оно дешево и не требует сложных механических операций при изготовлении ЧЭ. Тензорезисторы наклеиваются на одну из сторон мембраны и измеряют ее относительное удлинение в местах наклеивания. Естественно, после наклеивания их необходимо защитить от контакта с жидкостью, покрыв лаком или эластичной пленкой. В промышленности пространство между защитной полимерной пленкой и мембраной заполняется тонким слоем нейтрального силиконового геля.

Связь между давлением жидкости p и относительным удлинением εR(r) в радиальном (вдоль радиуса) направлении на расстоянии r от центра круглой мембраны определяется соотношением: εR(r) = (3/8)(1- μ2)(R/h)2(p/E)(1–3(r/R)2), где μ и E – коэффициент Пуассона и модуль упругости материала мембраны, R и h – радиус и толщина мембраны (рис. 2.3.4). Данное соотношение позволяет рассчитывать значения размеров R и h мембраны и определять относительное удлинение ε = Δl/l в точке наклеивания тензорезистора.

Рис. 2.3.4 Изгиб мембраны

Относительное удлинение мембраны в тангенциальном (вдоль окружности, перпендикулярно к радиусу) направлении равно εT(r) = (3/8)(1-μ2)(R/h)2(p/E)(1-(r/ R)2). Оно отличается от радиального εR(r) и также может быть использовано для измерения давления p, хотя предпочтение обычно отдается именно радиальному.

Полезно знать соотношения для механических напряжений, действующих в мембране вдоль радиуса σR(r) = (3/8)(1-μ)(R/h)2(1-((3+μ)/(1+μ))(r/R)2)p и вдоль окружностиσT(r)=(3/8)(1-μ)(R/h)2(1-((3μ+1)/(μ+1))(r/ R)2)p. Они позволяют проверить мембрану на прочность, сравнивая максимальные значения напряжений с допустимыми. Представляет интерес и величина прогиба мембраны (смещения z(r) в напралении, перпендикулярном к плоскости мембраны) z(r) = (3/16)(1- μ2)(R/h)4(p/E)(1-(r/R)2)2h (рис. 2.3.4).

Измерение деформации круглой плоской мембраны может производиться с помощью специальных тензорезисторов мембранного типа (рис. 2.3.5). Они имеют сравнительно крупные размеры и наклеиваются на центр мембраны. По своему внутреннему устройству они делятся на полумостовые (рис. 2.3.5а) и мостовые (рис. 2.3.5б).

Рис. 2.3.5 Мембранные тензорезисторы

Центральная часть полумостового тензорезистора (между контактами 1 и 2) измеряет окружное удлинение, а периферийная (между контактами 1 и 3) – радиальное. Под действием давления p центральная часть мембраны испытывает растяжение, а периферийная – сжатие. Точные соотношения между давлением p и результирующими удлинениями можно получить для конкретных размеров мембраны и тензорезистора, используя приведенные выше выражения для εR(r) и εT(r). На контакты 2 и 3 подается напряжение питания моста. Оно подается также на другой аналогичный полумост (или на резисторный делитель напряжения из двух постоянных резисторов). С контактов 1 двух полумостов, образующих диагональ моста, снимается выходной сигнал.

Мостовой мембранный тензорезистор (рис. 2.3.5б) состоит из двух полумостов и представляет собой законченную измерительную цепь. На контакты 1 и 3 (после соединения контактов 3 и 4) подается напряжение питания моста. Сигнал снимается с контактов 2 и 5, представляющих собой диагональ моста. Контакты 3 и 4 разъединены, так как между ними, а также между ними и контактом 5 могут устанавливаться дополнительные подборные постоянные резисторы для точной балансировки моста. Балансировка заключается в получении начального нулевого сигнала в диагонали. В одной половине моста (от контакта 1 к контакту 3) сначала идет тензорезистор с окружной чувствительностью, а затем – с радиальной, а в другой (1-4) – наоборот. Это повышает чувствительность моста в два раза.

Параметры некоторых мембранных тензорезисторов приведены в таблице 2.3.3. Как и для подавляющего большинства константановых тензорезисторов, диапазон измеряемых деформаций составляет от –3000 до +3000 мкм/м (или от –0,003 до +0,003), тензочувствительность KT = 1,9…2,2, масса – менее 0,3 г, максимальный ток питания – 20 мА.

Таблица 2.3.3 Мембранные тензорезисторы

Размещение нескольких резисторов на одной подложке мембранного типа фиксированного размера (рис. 2.3.5) упрощает изготовление датчика, но сковывает сво-

боду выбора способа измерения и его чувствительности. Размер мембраны должен соответствовать размерам мембранного тензорезистора. Поэтому иногда бывает проще использовать обычные линейные тензорезисторы, наклеивая их в определенные заранее выбранные точки мембраны. Анализируя зависимость εR(r), можно заметить, что относительное растяжение в центре εR(0) совпадает по величине с относительным сжатием в точке, удаленной от центра на r0 = (2/3)1/2R = 0,816R, то есть εR(0) = -εR(0,816R). Наклеив на мембрану два тензорезистора в радиальном направлении, один – в центре, другой – на расстоянии 0,816R от центра, отается подсоединить их в схему измерительного моста (рис. 2.3.6). Выражение для относительного удлинения преобразуется в этом случае к виду εT(r) = (3/8)(1-μ2)(R/h)2(p/E). Чувствительность моста повышается в два раза и составляет 1/2, благодаря тому, что в результате действия давления p сопротивление R1 уменьшается настолько же, насколько увеличивается R2 (то есть ΔR1 / R1 = -ΔR2 / R2). Чувствительность моста при постоянных R3 и R4 равна ΔU / U = 0,5 × ΔR2 / R2 = 0,5 × KT × εR(0) = εR(0). Необходимо иметь в виду, что на расстояниях r1 = (1/3)1/2R = 0,577R от центра мембраны радиальное удлинение отсутствует εR(0,577R) = 0; сюда не следует наклеивать измерительные тензорезисторы, но можно наклеивать опорные, служащие для термокомпенсации.

Рис. 2.3.6 Размещение тензорезисторов на мембране

Проведем расчет размеров мембраны и параметров усилителя для ПДД. Чтобы не работать на пределе возможностей и принимая во внимание необходимый трехкратный запас для динамической нагрузки, следует установить для максимального измеряемого давления pmax = 10 кПа соответствующее относительное изменение длины тензорезистора R1 или R2 (рис. 2.3.6) εmax = 0,001. Для определения значений R и h воспользуемся соотношением εR(0) = (3/8)(1-μ2)(R/h)2(p/E), выбрав в качестве материала мембраны латунь. Коэффициент Пуассона μ = 0,36, а модуль упругости E = 0,95×1011 Па, так что 0,001 = 0,375(1–0,362)(R/ h)2(104/0,95×1011), откуда R/h = 171. Выбрав толщину мембраны h = 0,2 мм, получаем для ее радиуса R = 34,2 мм. Центр одного тензорезистора располагается в центре мембраны, центр другого – на расстоянии 0,816R = 28 мм от центра мембраны, база каждого тензорезистора – не более 3…4 мм. При этом максимальное напряжение σmax = (3/8)(1-μ)(R/h)22p = 0,375×(1– 0,36)×1712×2×104 = 140 МПа, что не превосходит предел прочности латуни (320…600 МПа) и укладывается в границы допускаемых напряжений.

нимальному порогу чувствительности, для которого достигается максимальная вероятность обнаружения, но и максимальная же частота ложных тревог. Порог «3» обеспечивает наивысшую помехоустойчивость, но и наименьшую чувствительность. Показания «1» и «2» соответствуют промежуточным уровням. Элементы DD1.2, VT1, C7, R29…R31 обеспечивают включение индикатора HG1 только на время установки порога кнопкой SB1. В осталное время индикатор выключен для уменьшения энергопотребления.

Нельзя допустить, чтобы диаметр шланга был слишком большим; на его заполнение уйдет много жидкости, а наличие в грунте крупного включения исказит результаты измерения. Но нельзя допустить и утановки слишком тонкого шланга; малый объем выдавленной жидкости не сможет сдвинуть мембрану. Оценим минимальную величину диаметра шланга. Зная зависимость смещения точек мембраны от координат z(r) = (3/16)(1-μ2)(R4/h3)(p/E)(1-(r/R)2)2, легко определить объем жидкости, необходимый для данного смещения:

Оценим объем жидкости VШЛ, выдавливаемой из шланга при наступании на него, для случая, когда его площадь сечения уменьшается вдвое. Тогда VШЛ = (π(RШЛ)2/2)lСТ, где RШЛ – радиус шланга, lСТ = 0,1 м – средняя ширина стопы человека. Половинная площадь сечения соответствует критической точке, после прохождения которой шланг теряет эластичность и может схлопнуться. Чтобы не доводить оборудование до необратимых последствий, следует выполнять условие VМЕМ(pmax) << VШЛ или

R > (1,25(1−μ2 )pmax )1/2 R3

ШЛ h3ElCT

При невыполнении данного условия датчик давления превратится в датчик объема жидкости, выдавленной из шланга. Для описанной ранее мембраны (μ = 0,36; pmax = 10000 Па; h = 0,0002 м; E = 0,95×1011 Па; R = 0,034 м) получим RШЛ > 0,0149 м, то есть минимальный диаметр шланга – 30 мм. Чтобы воспользоваться шлангом меньшего диаметра, необходимо уменьшить радиус мембраны R или увеличить ее толщину h. Стенки шланга не должны быть жестким, иначе он просто не будет воспринимать давление со стороны грунта. Поливочный шланг с армированными или гофрированными стенками имеет повышенную жесткость против повреждения при случайном наступании на него. Он не обладает эластичностью в поперечном сечении и не может использоваться в качестве ЧЭ ПДД. Мягкий податливый шланг не слишком удобен для полива огорода, но он наиболее подходит для ПДД.

ПДД идеально вписывается в охрану короткого участка, например, садовой дорожки или пятачка перед калиткой. Можно считать удачным совпадением то, что ПДД особенно эффективно работает в тот пери-

од времени, когда мы отдыхаем на даче. На первый взгляд кажется трудоемким изготовление всех этих мембран, работа с фланцами, клеем, тосолом. В принципе конструкцию для охраны дачной тропинки можно существенно упростить за счет некотой потери изящества и долговечности СО.

Свой первый ПДД я сделал из обычной клизмы. Он проработал на даче не один год и показал высокую надежность. Правильнее назвать его точечным датчиком давления. Изготовление подобного датчика занимает не более одного дня.

Прежде всего приобретем в аптеке мягкую спринцовку (резиновую грушу) стоимостью около 30 рублей. На носик спринцовки надеваем кембрик длиной около 3 м с внутренним диаметром не менее 6…8 мм, затем герметизируем место соединения термоусадочной трубкой. Кембрик можно заменить любым гибким шлангом или трубкой такого же диаметра. Из трубки меньшего диаметра будет сложно удалить воздушные пузыри. Расположив всю конструкцию вертикально (грушей вниз), опускаем открытый конец трубки в емкость со слегка подсоленной водой (1 грамм соли на литр воды). Надавливая на грушу и отпуская ее, а затем слегка потряхивая трубку, можно быстро заполнить будущую гидравлическую систему водой и освободить ее от воздуха. Затем надеваем на открытый конец кембрика тонкую жесткую прозрачную стеклянную (или пластмассовую) трубку и также заполняем ее водой, предварительно загерметизировав место соединения. Внутренний диаметр прозрачной трубки – не более 2…3 мм, а длина – не менее 100 мм; это может быть, скажем, отработанный стержень от гелевой ручки.

Закопаем грушу на глубину 0,2…0,3 м под серединой дорожки на расстоянии 0,3…0,4 м от калитки с ее внешней стороны. Гибкий кембрик расположим вертикально и прикрепим к забору (с внутренней стороны). Теперь груша – это ЧЭ, а прозрачная трубка – средство наблюдения за давлением (рис. 2.3.8). Сверху все сооружение довершает раструб (воронка или подходящий по размерам платиковый флакон с вырезанным дном). Он необходим для того, чтобы излишки жидкости не выливались из верхней трубки при значительном повышении ее уровня.

Рис. 2.3.8 ЧЭ простейшего ПДД

Пройдя по дорожке туда-сюда, воочию наблюдаем импульсы давления по периодическому (в такт с шагами) подъему уровня жидкости в прозрачной трубке и возврату его к исходному уровню после ухода человека. Добавляя и отбирая воду, установим начальный уровень жидкости (без воздействия силы F) по нижнему краю тонкой трубки.

Будем вставать в различные точки на дорожку вокруг места установки груши и отмечать величину подъема жидкости h относительно начального уровня. Максимальное значение h соответствует наступанию на грунт непосредственно над грушей. Скорее всего, оно превысит 100…150 мм и излишки воды заполнят воронку на время воздействия силы. Минимальное значение составит примерно hmin = 50…70 мм при наступании на край дорожки.

Остается сделать два шага к превращению ЧЭ в СО. Первый – преобразование изменения уровня жидкости h в электрический сигнал, второй – формирование сигнала срабатывания в случае превышения электрическим сигналом заданного порога.

На первом шаге возьмем две тонкие (диаметром 0,5…1 мм) проволочки из титана, нержавеющей стали или латуни. Длина каждой из них должна несколько превышать длину тонкой трубки. Вставим проволоч- ки-электроды с помощью распорок сверху в тонкую трубку так, чтобы они заняли диаметрально противоположные точки внутри сечения трубки, а нижний край проволочек был выше начального уровня жидкости на hmin / 2 = 25…35 мм.

Вот теперь нам пригодится тот факт, что мы не забыли посолить воду. Проводимость обычной сырой воды невелика, но она повышается с ростом концентрации соли. Для концентрации 1 г/л она составляет около 0,001 1/(Ом×см). Сопротивление между проволочками при погружении их на 1 см в раствор соли будет не более R = (0,3 см) / (0,001×(1 см)×(0,2 см)) = 1,5 кОм. Проводимость растворов в сильной степени зависит от их концентрации и температуры, а полное сопротивление – еще и от состояния электродов. Поэтому в качестве порогового значения следует принять сопротивление, равное 3…4 кОм.

В результате мы приходим к следующей несложной схеме БО (рис. 2.3.9). В исходном дежурном состоянии сопротивление между электродами велико, сигнал на выходе DD1.2 – высокого уровня, транзистор VT1 закрыт, сигнальная цепь разомкнута. В случае подхода человека к калитке уровень воды в тонкой трубке повышается, сопротивление между электродами уменьшается, и конденсатор C1 начинает разряжаться через резистор R2. Если электроды будут замкнуты в течение времени, превышающего 0,7R2C1 = 0,3 с, сигнал

на выходе DD1.1 переходит в состояние высокого уровня. Конденсатор C1 служит для защиты от кратковременных импульсных помех. Сигнал высокого уровня на выходе DD1.1 быстро заряжает конденсатор C2 через цепь VD1, R4. После возврата сигнала на выходе DD1.1 в состояние низкого уровня конденсатор C2 разряжается через резистор R3. За счет этого импульс низкого уровня на выходе DD1.2 имеет длительность не менее 0,7C2R3 = 3 с. По данному сигналу открывается транзистор VT1, срабатывает реле K1 и его контактами 2 и 3 замыкается сигнальная линия. Используется реле типа РЭС49 паспорт РС4.569.421-01. Свободные входы микросхемы DD1 следует соединить с общим выводом.

Все элементы БО (рис. 2.3.9) размещаются на небольшой плате внутри коробки, находящейся на заборе рядом с тонкой трубкой ЧЭ. К БО подходит четырехпроводная линия. По двум проводам подается напряжение питания +10…15 В, по двум другим – снимается сигнал замыкания линии. Эти провода управляют включением небольшого звонка-пищалки, установленного на кухне садового домика. Там же располагается источник питания СО и звонка. Его звук предупреждает о появлении людей вблизи от калитки. Выглянув в окно, можно увидеть, кто это, и соответствующим образом подготовиться к приходу гостей.

Стабильной работе устройства будут способствовать дополнительные рекомендации:

—следует устанавливать уровень воды примерно на 1,5 м выше закопанной груши; в рабочем органе должно быть постоянное избыточное давление;

—надеть на грушу и подземную часть кембрика тонкую латунную сетку; она защитит нежную податливую оболочку от острых зубов хищных подземных жителей;

—капнуть сверху в тонкую прозрачную трубку несколько капель растительного масла; вода из датчика почти не будет испаряться в атмосферу;

—если имеется вероятность замерзания жидкости, заменить воду тосолом или водкой (надо-то всего стакан) с соответствующей корректировкой входной цепи БО;

—насыпать под грушу слой песка (дренаж). Когда вода покрывает электроды, через нее проте-

кает ток 1…4 мА, который вызывает электролиз воды. Факт электролиза неприятен не потерей воды – за год ее разложится не больше капли – и не разрушением электродов – нержавейка прослужит не один год, – а возможностью поляризации электродов. Появление на их поверхности потенциального барьера уменьшает проводимость ЧЭ. Вероятность поляризации с течени-

ем времени возрастает, так как открытая поверхность воды поглощает примеси и загрязнения из воздуха. Еще один неприятный фактор – нестабильность электропроводности растворов, в связи с чем дат-