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

Прикосновение человека – и не только нарушителя – к АС емкостного СО является обычным событием. При этом накопленный на теле электростатический заряд мгновенно поступает внутрь электронной схемы прибора. Кроме того, АС часто имеют большую длину или подсоединяются к БО длинными проводами. Емкостные СО в большей степени, чем СО других типов, необходимо защищать от статических разрядов и различного типа наводок. АС внутреннего СО необходимо хотя бы покрыть лаком или пластиком для изоляции проводящих поверхностей. Внешние СО подвергаются более суровым воздействиям стихии и фауны и требуют более серьезной защиты. Между АС и БО должна быть установлена стандартная трехступенчатая схема грозозащиты. Без нее редкое емкостное СО выдержит более года работы.

Средние показатели уличного варианта емкостного СО составляют: длина участка – 200…500 м; напряже- ниепитания–20…30 В;потребляемыйток–20…100 мА; диапазон рабочих температур – от минус 50°C до плюс 50°C;времянаработкиналожнуютревогу–200…2000 часов; погонная стоимость – около 150…200 руб./м или 5…7 $/м. Средние показатели комнатного варианта емкостного СО составляют: емкость охраняемых предметов – до 2000…5000 пФ; чувствительность – до 0,2 м; напряжение питания – 10…30 В; потребляемый ток – 15…80 мА; диапазон рабочих температур – от минус 10…50°C до плюс 50°C; стоимость – 6…30 тыс.руб. или 200…1000 $ (на 10…20 предметов).

Основные достоинства емкостных СО:

—высокая помехоустойчивость; отсутствие ложных срабатываний при воздействии дождя, снега, ветра;

—равномерная чувствительность вдоль антенной системы; отсутствие мертвых зон;

—возможность регулировки ширины ЗО в пределах от касания до десятков сантиметров;

—произвольная конфигурация помещений или форма ограждения; проводники антенной системы легко соединяют любые охраняемые предметы или отслеживают повороты и перепады высоты забора;

—простота и универсальность в выборе ЧЭ; возможность последовательного подсоединения нескольких охраняемых предметов ко входу одного БО, что удешевляет систему охраны;

—непритязательность к окружающей обстановке; на работу СО, установленного на заборе, не влияет наличие ворот, калиток, канав, трубопроводов;

—возможность организации автоматического контроля работоспособности;

—простота настройки, обслуживания и ремонта;

—безопасность для человека в случае приближения или касания ЧЭ.

Основные недостатки (или особенности) емкостных СО:

—необходимость жесткой фиксации АС; она не должна смещаться более чем на несколько миллиметров (или сантиметров – в зависимости от размеров и конструкции ЧЭ);

—необходимость качественного заземления с сопротивлением растекания не выше 5…10 Ом;

—необходимость надежного электрического соединения токоведущих элементов; при этом следует помнить, что сварка надежнее пайки, пайка надежнее клеммника или соединения под винт, надежность скрутки близка к нулю;

—необходимость очистки пространства вокруг АС от растительности и посторонних предметов;

—возможность срабатывания от крупных животных или стай птиц.

Если есть емкостные СО, то должны быть и индуктивные. И они действительно существуют, даже несмотря на то, что магнитная проницаемость тела человека почти не отличается от магнитной проницаемости воздуха и большинства окружающих предметов. Антенная система индуктивного СО имеет вид петли из непрерывного провода, например, натянутого между опорами ограждения (рис. 2.18.1). При смещении, раздвижении, обрыве или перекусывании проводов петли ее индуктивность меняется, что фиксируется электронным блоком обработки. В качестве ЧЭ может использоваться обычный изолированный провод (типа полевки), закрепляемый на полотне забора. Но также возможно натянуть между столбами прочную стальную или колючую проволоку, обеспечивая непрерывность петли.

Тогда сам чувствительный элемент будет выполнять роль ограждения. Индуктивные СО имеют ограниченную зону обнаружения и реагируют даже не на касание, а лишь на деформацию ЧЭ.

Рис. 2.18.1 ЧЭ индуктивного СО

Индуктивное СО существует не только в линейном, но и в точечном варианте исполнения, – когда петля провода имеет небольшие размеры. Она может закрывать люк, форточку или вентиляционное отверстие. Индуктивные СО эффективно используются и на улице, и внутри помещений. Методы измерения индуктивности в большинстве своем аналогичны рассмотренным ранее методам измерения емкости.

Оценим значения полезных и помеховых сигналов индуктивного СО. Величина индуктивности отдельной двухпроводной прямоугольной петли провода длиной l и шириной a (рис. 2.18.2) может быть найдена непосредственным интегрированием выражения для потока магнитной индукции через контур. Если l>>a, то основной вклад в индукцию B поля внутри петли дают ее горизонтальные участки, поэтому B = μ0I / (2πy) + μ0I / (2π(a-y)), где μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π×10– 7 Гн/м = 1,26×10–6 Гн/м = 1,26 мкГн/м, I – ток, протекающий по петле. Первое слагаемое представляет собой вклад от нижнего провода, второе – от верхнего. Если провод имеет круговое сечение диаметром d (d<<a), то непосредственно из определения индуктивности L получаем выражение:

Рис. 2.18.2 К оценке индуктивности

Сверху и снизу от пары проводов, образующих данную отдельную петлю, находятся другие такие же петли (показаны на рис. 2.18.2 пунктиром). Одако их влияние на индуктивность одной петли L несущественно. Действительно, аналогично предыдущему можно получить оценку вклада от проводов, расположенных на расстоянии 2a и 3a. Он составит ΔL23 = μ0l / (2π) × ln(3/4), то есть на порядок меньше значения L, так как ln(3/4)/2 = -0,14, а ln(2a/d) > 3 (при a/d > 10). Вклад следующей петли от проводов, расположенных на расстоянии 4a и 5a будет равен ΔL45 = μ0l / (2π) × ln(15/16), что меньше еще на порядок, поскольку ln(15/16)/2 = - 0,03. Таким образом, полная индуктивность одной секции ограждения, состоящей из N проводов (или N/2 двухпроводных петель) оценивается выражением LСЕК = μ0lNln(2a/d) / (2π).

Определим величину полезного изменения индуктивности ΔLСЕК. Если один из проводов петли смещается на длине lСМЕЩ почти до полного соприкосновения проводов (рис. 2.18.3), то величина изменения составит ΔLСЕК = -μ0lСМЕЩln(2a/d) / π. При сближении проводов индуктивность уменьшается, но она будет увели-

чиваться при сдвиге в противоположном направлении. Относительное изменение индуктивности ΔLСЕК/LСЕК = -2lСМЕЩ/lN. Ему можно придать более общий вид, умножив числитель и знаменатель на ширину петли a. Тогда оценка максимального полезного относительного изменения индуктивности будет выглядеть следующим образом ΔLСЕК/LСЕК = 2alСМЕЩ/alN = ΔS/S, где S – площадь охраняемой поверхности, ΔS – площадь проделанного отверстия. Если считать, что для пролаза человека необходимо отверстие размером 0,5×0,3 м, то минимальное значение ΔS составит ΔS = 0,15 м2. Отсюда следует, что при охране площадей порядка S = 1 м2 обеспечиваются высокие отношения ΔLСЕК/LСЕК около 10%. Принимая минимально допустимое отношение ΔLСЕК/LСЕК = 0,01, получим оценку максимального значения площади одной секции индуктивного СО, S = ΔS(LСЕК/ΔLСЕК) = 15 м2.

Рис. 2.18.3 Смещение провода петли

Основное помеховое воздействие на улице – ветер, вызывающий смещение проводов, в помещении – их колебания или вибрация. Дифференцируя выражение для индуктивности секции LСЕК = μ0lNln(2a/d) / (2π) по a (то есть предполагая одновременное и одинаковое смещение всех проводов петли друг относительно друга на величину Δa), получим оценку изменения индуктивности в результате воздействия помехи ΔLПОМ = μ0lNΔa / (2πa).

Оценим ожидаемые значения индуктивностей. Расстояние между проводами находится в пределах a = 0,1…0,12 м, так как меньшие значения увеличивают расход провода, а большие – позволяют нарушителю пролезть незамеченным, найдя место провисания проводов. Длина секции ограждения l = 2…5 м, число нитей N = 16…22 перекрывает высоту около двух метров, а площадь секции составляет S = 4…10 м2. Диаметр провода примерно равен d = 2 мм, более тонкий не обеспечивает прочности, более толстый – утяжеляет и удорожает конструкцию. Тогда индуктивность одной секции ограждения LСЕК = μ0lNln(2a/d) / (2π) = 30…100 мкГн. Полезное относительное изменение индуктивности ΔLСЕК/LСЕК = ΔS/S = 0,015…0,04, а его абсолютная величина ΔLСЕК = 1…1,5 мкГн. Помеховое изменение при Δa = 0,001 м (что соответствует смещению крайнего провода во время сильного ветра на NΔa = 0, 02 м) может достигать ΔLПОМ = μ0lNΔa / (2πa) = 0,2 мкГн. Погонное сопротивление провода находится в пределах σ = 0,01…0,1 Ом/м (медь, алюминий, сталь и т.п.), поэтому активное сопротивление секции оценивается величиной R = lNσ = 0,3…10 Ом.

Стальной провод обладает высоким значением относительной магнитной проницаемости μ, которое может достигать μ = 500…1000, а следовательно – дополнительной внутренней индуктивностью провода, которая пропорциональна его длине LПРОВ = μ0μlNζ(f)/

(8π). Внутренняя индуктивность добавляется к внешней, а выражение для индуктивности секции из стального провода приобретает вид LСЕК = μ0lN/(2π) × (ln(2a/d) + μζ(f)/4), где f – частота, на которой проводятся измерения, ζ(f) – безразмерная функция, которая имеет сложный вид. Она зависит от магнитной проницаемости, проводимости, диаметра провода и частоты; на низких частотах она равна ζ(0) = 1, на высоких – ζ(∞) = 0. При этом величина μ, входящая в выражение для LСЕК, также зависит от f. Первое слагаемое в скобках ln(2a/d) = 4…5, второе на низких частотах – μζ(0)/4 = 125…250. Начальное значение индуктивности секции из стального провода может в несколько десятков раз превышать значение индуктивности для медного или алюминиевого провода. При этом относительное полезное изменение индуктивности ΔLСЕК / LСЕК остается на прежнем уровне. На высоких частотах величина индуктивности не зависит от материала провода. Некоторое предсталение о том, какие частоты считать низкими, а какие – высокими, дает таблица 2.18.1, в которой приведены расчетные значения функции ζ(f) в зависимости от частоты f для провода диаметром d = 2 мм из мягкой стали (удельное сопротивление ρ = 15×10–8 Ом×м, μ = 700, влияние частоты на μ не учитывалось). Электрические и магнитные свойства различных сортов стали меняются в широких пределах и не отличаются стабильностью, тем не менее на частотах до десятков килогерц магнитную проницаемость материала провода необходимо учитывать.

Индуктивность петли невелика, даже если ее площадь составляет десятки квадратных метров. Чтобы измерить индуктивность L порядка 10…100 мкГн, желательно подать на нее переменное напряжение частотой f не менее 10…100 кГц. Тогда индуктивная составляющая импеданса Z = 2πfL > 6 Ом не потеряется на фоне активной составляющей.

Влияние земли на индуктивность секции в основном несущественно. Если приблизить землю (или другую проводящую поверхность) к отдельной двухпроводной петле на расстояние h, то индуктивность петли уменьшится на величину ΔLЗЕМ = -μ0l / (2π) × ln(1 + a2/4h2). Сравнивая сомножители ln(2a/d) = 4…5 и ln(1 + a2/4h2)/2, можно сказать, что при условии h>2a наличие земли уменьшает индуктивность нижней петли менее, чем на одну сотую, а всей секции – менее, чем на одну тысячную и будет на порядок меньше полезного изменения. Если проводящая поверхность, например, крона крупного дерева во время дождя, располагается параллельно полотну забора, то ее колебания под действием ветра будут менять индуктивность в тех же пределах ΔLЗЕМ = -μ0l / (2π) × ln(1 + a2/4h2), где величина h будет представлять собой расстояние до проводящей поверхности листьев. В данной ситуации смещение кроны дерева воздействует одновременно на все петли секции, а относительное изменение индуктивности в пределах 0,001 обеспечивается при выполнении усло-

вия ln(1 + a2/4h2) / 2ln(2a/d) = a2/32h2 < 0,001 или h>6a = 0,6 м. Установив секцию ограждения на кирпичный или бетонный цоколь высотой не менее 20 см, а также отдалив ЧЭ от крупных подвижных проводящих или намокающих предметов, идущих вдоль плоскости полотна ограждения, более чем на 0,6 м, можно не беспокоиться о помехах, вызываемых колебаниями или перемещениями, связанными с изменением расстояния h.

Очевидно, что в случае с землей или кроной деревьев речь идет не о добавке к индуктивности, как таковой, а о возможности ее быстрого появления или исчезновения. Стабильная добавка не страшна, даже когда она сравнима по величине с индуктивностью секции. Проблема связана с тем, что параметры земли и окружающих предметов меняются со временем. После начала дождя, выпадения росы или таяния снега сухие предметы намокают, а проводящие поверхности меняют свое положение, приближаясь к полотну забора.

Полотно забора – не единственное место, где может быть полезно индуктивное СО. Любой проем, люк, шахта без особых затрат оборудуется проволочной сеткой, способной реагировать на ее незначительные смещения. Индуктивное СО с чувствительным элементом в виде готового листа пластика с наклееной или запрессованной петлей провода может защитить дверь от пролома или участок стены от разрушения. Провод легко вмонтировать в имеющиеся вентиляционные решетки или канализационные люки. Здесь индуктивное СО особенно эффективно в связи с большим отношением ΔS/S. Еще одно интересное применение – оперативная охрана мест временного размещения груза при его перевозке. Багаж туристов после их выхода из автобуса перед устройством в гостинице складывается в холле и накрывается сеткой индуктивного СО, сигнализирующей о любой попытке снять или изменить ее положение. Для предварительных оценок индуктивности ЧЭ, имеющего вид петли произвольной формы, будет полезна формула L = μ0lКОНТ(ln(4S/dlКОНТ) – ϕ) / 2π, где lКОНТ – периметр контура, S – его площадь, d – диаметр провода, ϕ – форм-фактор, определяемый формой контура и не зависящий от его размеров, его значение в среднем можно принять равным ϕ = 0,15.

Не надо напоминать о том, что блок обработки (БО) индуктивного СО контролирует не только изменение индуктивности ΔL, но и целостность самого провода, то есть активирует сигнал тревоги в случае обрыва ЧЭ. Более того, БО может фиксировать еще и уменьшение активного сопротивления R на величину ΔR сверх определенного уровня, свидетельствующее о замыкании проводов петли. Очевидно, что замыкание двух соседних проводов (рис. 2.18.1) приводит к уменьшению сопротивления на величину до ΔR = 2R/N. Грех не воспользоваться информацией, которая сама плывет к нам в руки. Возникает естественный вопрос, а нужно ли вообще контролировать величину индуктивности?

Нужно. Потому что, во-первых, величина ΔR зависит от места замыкания и может быть незаметной на фоне малых значений R, особенно с учетом сопротивления самого контакта. Во-вторых, величина ΔL пропорциональна площади отверстия. Порог срабатывания может быть настроен на объект определенного размера. Нарушителю не поможет установка проволочных перемычек перед перекусыванием проводов.

Способ установки провода «змейкой» (рис. 2.18.1) отличается простотой и обеспечивает быстрый монтаж. Но он не является единственным, и уж тем более

– самым лучшим по всем возможным параметрам. Спиральный вариант установки петли (рис. 2.18.4) дает максимальное значение начальной индуктивности L и наибольшую чувствительность в центральной части ограждения, так как здесь векторы инукции магнитного поля всех токов суммируются. Правда по этой же причине секция провода имеет неравномерную по высоте чувствительность.

Рис. 2.18.4 Спиральная петля

Бифилярный встречный вариант размещения провода (рис. 2.18.5) обеспечивает повышенную скорость монтажа, так как провода устанавливаются сразу парой. Бифилярный согласный способ установки (рис. 2.18.6) дает почти такую же скорость. Провода вновь закрепляются парой, а затем устанавливается перемычка, соединяющая конец одного провода с началом второго. На это теряется некоторое время, однако выгода оказывается весьма существенной. При замыкании двух соседних проводов (любых!) активное сопротивление петли уменьшается почти ровно вдвое. Чувствительность по данному показателю оказывается максимально возможной и равномерной по всему полотну забора. Если перемычку заменить стабильной индуктивностью, то и изменение ΔL при замыкании двух соседних проводов будет не меньше. Установка на

месте перемычки другого пассивного элемента (резистора, конденсатора) еще более расширяет возможности петли и индуктивного СО в целом. Количество различных способов монтажа петли провода не ограничивается приведенными четырьмя. Их гораздо больше, и выбор конкретного способа во многом зависит от поставленной задачи.

Рис. 2.18.6 Бифилярная согласная петля

Способы измерения индуктивности полностью аналогичны способам измерения емкости (п. 2.17). В диапазоне ΔLСЕК / LСЕК = 0,001…0,01 наиболее подходят мостовые методы. Индуктивные мосты несколько отличаются от емкостных, поскольку изготовление и применение переменных (или подборных) индуктивностей вызывает значительные сложности. В случае малой добротности Q измеряемой индуктивности Lx, то есть при выполнении условия Q = ωLx/Rx < 30, где ω – круговая частота сигнала генератора, Rx – активная составляющая индуктивности, мост уравновешивается параллельно соединенными резистором R3 и конденсатором C3 (рис. 2.18.7а). Условия равновесия моста определяются из очевидного соотношения (jωLx + Rx) / R1 = R2 × (1/R3 + jωC3). Они преобразуются к виду Lx = C3R1R2, Rx = R1R2/R3. Условия равновесия не зависят от частоты генератора.

Рис. 2.18.7 Мостовая схема измерения индуктивности

В случае большой добротности Q > 30 мост уравновешивается последовательно соединенными резистором R3 и конденсатором C3 (рис. 2.18.7б). Условия равновесия в данном случае определяются из соотношения (jωLx + Rx) / R1 = R2 / (R3 + 1/(jωC3)) и принимают вид Lx = R1R2C3 / (1 + (ωR3C3)2), Rx = ω2C32R1R2R3 / (1 + (ωR3C3)2). Они зависят от частоты ω, поэтому в данном случае должны предъявляться повышенные требования к синусоидальности генерируемого сигнала и к стабильности его частоты.

В лабораторной практике равновесие устанавливается подбором значений R1, R2, R3. На частотах f = ω/2π = 100…1000 Гц удается достигнуть абсолютной погрешности измерений до 0,1 мкГн и относительной

– до 0,001…0,0001. Индуктивное СО может быть реализовано аналогично схеме емкостного СО (рис. 2.17.14) с небольшими изменениями.

Основные достоинства индуктивных СО:

—невосприимчивость к многим помеховым факторам, таким как дождь, снег, туман, наличие травы или снежного покрова, поскольку они не влияют на величину индуктивности датчика; отсутствие ложных срабатываний при воздействии вибрации и колебаний ЧЭ, не сопровождающихся изменением его формы и размеров; узкая зона чувствительности;

—срабатывание при любой скорости раздвижения нитей проволочной петли; для активации сигнала тревоги важна величина абсолютного изменения индуктивности и не имеет значения, за какой интервал времени оно произошло;

—почти полное отсутствие влияния земли; индуктивные СО не требуют качественного заземления;

—постоянный автоматический контроль целостности проводного ЧЭ;

—возможность охраны больших площадей поверхности; по сравнению с электрообрывными СО индуктивные СО срабатывают и при отсутствии повреждения ЧЭ, а также при попытке установки проволочной перемычки;

—возможность использования индуктивных СО в качестве противоподкопных датчиков при за-

глублении петли изолированного провода в грунт; по сравнению с другими противоподкопными СО обеспечивается больший срок службы, так как провод индуктивного СО прочнее и менее восприимчив к влаге, повреждениям изоляции и т.п.;

—простота и дешевизна ЧЭ и электронного блока обработки;

—высокая скорость монтажа, необходимость минимальной регулировки устройства и, как следствие, низкая стоимость установки СО;

—почти полное отсутствие необходимых работ по

поддержанию работоспособности; простота ремонта ЧЭ в случае повреждения.

Основные недостатки индуктивных СО:

—ограниченность ЗО; срабатывание только при непосредственном воздействии на ЧЭ;

—необходимость фиксации малых изменений индуктивности;

—возможность ложного срабатывания от разветвленных деревьев во время дождя с ветром;

—необходимость оборудования протяженных проводных линий устройствами грозозащиты, особенно при размещении СО на улице;

—повышенные требования к тщательности монтажа; необходимость жесткого крепления проводной петли без провисания; неизолированный провод крепится через изоляторы; заданная последовательность подсоединения отдельных нитей не должна быть нарушена; ошибочное подсоединение, допущенное во время монтажа, с трудом обнаруживается визуально.

Проводно-волновое СО состоит из предающего блока (ПРД), двухпроводной линии и приемного блока (ПРМ), совмещенного с блоком обработки (БО). Линия подсоединяется с одной стороны к передатчику электромагнитного излучения, а с другой – к приемнику (рис. 2.19.1). ЗО формируется вокруг проводов данной линии. СО работает на частотах диапазона УКВ порядка 100 МГц. Провода линии располагаются параллельно на расстоянии a = 0,4…1,8 м друг от друга и образуют так называемую открытую антенну. Длина проводов может достигать 200…250 м.

Рис. 2.19.1 Проводно-волновое СО

Оба провода, формирующие ЗО, однотипны, но не равнозначны. Один из них, обычно размещаемый вверху и называемый горячим или верхним проводом (ВП),

соединяет выход передатчика со входом приемника, другой провод, размещаемый внизу и называемый холодным или нижним проводом (НП), выполняет роль общего. В случае приближения к антенне человека (или другого массивного проводящего объекта) меняются параметры принимаемого излучения, что фиксируется блоком обработки.

Проводно-волновое СО называется также провод- но-радиоволновым, проводноволновым, радиоволновым проводным или просто радиоволновым извещателем или датчиком. Это сравнительно новый тип СО, находящийся в стадии интенсивного развития. Про- водно-волновые СО могут быть как линейными, так и точечными. Линейные являются преимущественно внешними и применяются для охраны протяженных рубежей. Точечные используются в основном внутри помещений для обнаружения приближения человека к отдельным охраняемым предметам.

Протяженные проводно-волновые СО используются в двух конструктивных вариантах – козырьковом и