Датчик регистрации преодоления заграждений

Датчик регистрации преодоления заграждений содержит закрепленные на заграждении блок обработки и от 1 до 4-х кабельных чувствительных элементов к нему подключенных, причем чувствительные элементы изготовлены на основе трибоэлектрического малогабаритного кабеля коаксиального типа, имеющего двойной экран и центральный проводник, разделенные друг от друга подвижными слоями диэлектриков, образующих заряды при деформации кабеля, а на противоположном от блока обработки конце кабеля чувствительных элементов расположен резистор и конденсатор, замыкающие центральный проводник и внутренний экран кабеля чувствительного элемента, при этом внешние экраны чувствительных элементов соединены с металлическим корпусом блока обработки, а его корпус заземляется.

Датчик относится к вибрационным средствам охраны периметра. Аналогами заявляемой полезной модели являются устройства по следующим документам:

US 4090180, МКИ 340/161, МКИ G08B 13/22, опубл. 1978 г.

RU 2263968, G08B 13/02, опубл. 2005 г.

RU 2053562, МКИ G08B 13/02, опубл. 1996 г.

RU 2262744, G08B 13/22, опубл. 2005 г.

RU 2306611, G08B 13/16, опубл. 2007 г.

RU 2004109408, G08B 13/02, опубл. 2005 г.

RU 102038,опубл. 2011 г.

RU 2010123450, опубл. 2011 г.

RU 37857, опубл. 2004 г.

RU 59677, опубл. 2006 г.

RU 2106016, опубл.1998 г.

Техническим результатом полезной модели является снижение энергопотребления при обеспечении возможности дальнейшего совершенствования алгоритма обработки сигналов применительно к различным типам заграждений и условиям эксплуатации.

Предлагаемый датчик регистрирует деформацию кабельного чувствительного элемента (ЧЭ) закрепленного на полотне или козырьке инженерного заграждения. ЧЭ изготовлены на основе кабеля трибоэлектрического малогабаритного КТМ 2.0/3.8 (ТУ 16.К18-066-2002). Датчик (изделие) состоит из блока обработки (БО) и кабельных ЧЭ. К БО могут подключаться от одного до четырех ЧЭ. БО и ЧЭ закреплены на заграждении. Максимальная протяженность рубежа охраны для одного изделия, составляет 1000 м (2 участка по 500 м). Кабель ЧЭ - коаксиального типа имеет двойной экран и центральный проводник. Внутренний экран и центральный провод кабеля разделены подвижными слоями диэлектриков образующих заряды при деформации кабеля ЧЭ. В результате в кабеле ЧЭ (между центральным проводником и внутренним экраном) возникает электрический сигнал регистрируемый изделием. На противоположном от БО конце, ЧЭ имеет резистор и конденсатор, замыкающие центральный проводник и внутренний экран кабеля ЧЭ. Резистор служит для постепенного разряда образующихся зарядов, а конденсатор уменьшает (замыкает) высокочастотные шумы и помехи. Кабель ЧЭ имеет внешний экран для дополнительной защиты от помех и отекания статического заряда. Внешние экраны ЧЭ соединены с металлическим корпусом БО. Корпус БО заземляется. Изделие имеет гальваническую развязку всех внешних сигнальных цепей и цепей питания. Изделие имеет схемы грозовой защиты всех внешних цепей.

Изделие имеет исполнительные устройства - реле правого и левого участков для отображения «тревог» по участкам на систему сбора и обработки информации (ССОИ) с контактными входами и/или осуществляет обмен данными с ССОИ по интерфейсу стандарта EIA RS-485 по двухпроводной линии.

Изделие формирует сигнал «Тревога» при следующих ситуациях:

- преодоление инженерного заграждения через верх без применения специальных средств;

- преодоление инженерного заграждения через верх с помощью подручных средств;

- преодоление инженерного заграждения путем разрушения полотна заграждения;

- преодоление инженерного заграждения путем подкопа под заграждение;

- демонтаж ЧЭ;

- подача сигнала дистанционного контроля (ДК);

- неисправность ЧЭ;

- вскрытие блока обработки;

- пропадание напряжения питания.

БО изделия имеет четыре независимых канала обработки сигналов ЧЭ. Два ЧЭ закреплены на правом участке от БО, а два других ЧЭ на левом. Использование двух ЧЭ на участке заграждения на разной высоте позволяет повысить обнаружительную способность изделия и возможность размещения одного ЧЭ на полотне заграждения, а другого на козырьке. Наличие четырех каналов обеспечивает охрану двух участков одним изделием, что уменьшает энергопотребление на протяженных участках и общую стоимость.

Схема обработки сигналов, исполнительные устройства (реле и обмен по интерфейсу RS-485), схема сопряжения (протокол UART) с внешним пультом настройки (ПН), схема питания с импульсным DC-DC преобразователем, схема приема сигнала ДК, схема контроля вскрытия блока, схемы грозовой защиты входных цепей размещены на плате обработки в БО. С ПН проводятся все настройки изделия (выбирается тип заграждения для каждого ЧЭ, пороги для различных способов преодоления заграждения - независимо по каждому каналу, производится контроль параметров изделия) на периметре. После выключения ПН (и отсоединения от БО) все параметры настройки сохраняются в энергонезависимой памяти изделия. При использовании ССОИ с протоколом обмена с изделием по интерфейсу RS-485 из программной оболочки (промышленный ПК на рабочем месте оператора) можно контролировать и изменять все параметры настроек изделия.

Аналоговая часть схемы БО имеет четыре одинаковых канала, каждый из которых состоит из входного буферного каскада, фильтра подавляющего частоту 50 Гц (защищает канал обработки от наводок промышленной сети), полосового фильтра с полосой пропускания от 1 Гц до 30 Гц и усилителя сигнала. Сигналы каждого из четырех каналов после предварительной аналоговой обработки поступают на входы АЦП. Выход АЦП по SPI шине подключен к цифровому сигнальному процессору (DSP). Отсчеты сигналов, полученные с АЦП, следуют с частотой, кратной частоте промышленной сети, чем обеспечивается очень медленное изменение уровней сигналов при наложении сильной помехи (когда аналоговый фильтр не полностью подавляет 50 Гц) от близко расположенных силовых кабелей или электрооборудования (скорость набега-расхождения фазы сигнала сетевой наводки по отношению к периоду выборок АЦП определяется стабильностью кварцевого генератора DSP). В отсутствии сильной помехи с частотой промышленной сети (или кратной ей) медленного изменения уровня полезного сигнала не происходит. Медленное изменение уровней учитывается в дальнейшей обработке сигналов, кроме того частота 50 Гц не попадает в полосу частот при дальнейшей обработке сигналов и не проникает в БО по другим цепям имеющим гальваническую развязку. Отсчеты сигналов каждого канала фильтруются двумя полосовыми КИХ фильтрами высокого порядка, условно Н-фильтром и В-фильтром (полосы пропускания фильтров зависят от выбранных типов заграждений для каждого ЧЭ). Далее вычисляется простое скользящее среднее значение для полученных сигналов. Сигналы, полученные после Н-фильтров, сравниваются со своими усредненными величинами и содержат признаки характерные при упругой деформации заграждения (при преодолении инженерного заграждения через верх). Анализируется величина превышения уровня порога относительно среднего значения, скорость нарастания сигнала, длительность превышения порогового уровня и количество превышений за заданный алгоритмом временной интервал.

При порывах ветра происходит деформация полотна заграждения. Полотно крепится к опорам и разные участки полотна на протяженном периметре деформируются с разной амплитудой и фазой, но частоты колебаний совпадают с резонансными для каждого типа заграждения. Алгоритм обработки учитывает эту особенность.

Существенным отличием данного алгоритма является анализ скорости нарастания сигнала. Собственные колебания заграждения дают сигнал, представляющий собой сумму сигналов с разными амплитудами и фазами. Часть таких сигналов попадает в полосу Н-фильтров, но синфазного сложения таких сигналов не происходит, поэтому скорость нарастания их существенно меньше скорости нарастания сигналов при воздействии на заграждение при преодолении перелазом (например, 3-х метрового заграждения).

Сигналы, полученные после В-фильтров, сравниваются со своими усредненными величинами и содержат признаки характерные при перекусах полотна заграждения (при преодолении инженерного заграждения путем разрушения). Перекус полотна приводит к мгновенной локальной деформации участка полотна заграждения. Частота вибрации полотна оказывается выше, чем при упругой деформации. Анализируется величина превышения уровня порога относительно среднего значения, скорость нарастания сигнала, длительность превышения порогового уровня и количество превышений за заданный алгоритмом временной интервал. Параметры усреднения, пороги, скорость нарастания сигнала, длительность превышения порога и количество превышений за заданный алгоритмом временной интервал зависят от выбранного в настройках изделия типа заграждения для каждого ЧЭ.

Температурные изменения, ветровые нагрузки и другие внешние факторы приводят к локальным взаимным перемещениям элементов заграждения друг относительно друга (места крепления полотна к опорам, места соединения участков полотна, птицы, удар камнем и т.д.). При этом возникают вибрации полотна заграждения либо одиночные, но достаточно большой интенсивности, либо постоянные (при ветровых воздействиях), но дающие сумму сигналов с разными амплитудами и фазами (суммарный сигнал, попадающий в полосу В-фильтра, отличается от сигнала при разрушении полотна заграждения по скорости нарастания). Одиночные сигналы большой интенсивности также отсеиваются предложенным алгоритмом и, как правило, имеют недостаточную скорость нарастания.

Разрушение полотна сетчатого заграждения предусматривает последовательность перекусов (перепилов) с отгибкой части полотна. Наличие серии характерных сигналов при разрушении заграждения позволяет однозначно определить характер воздействия.

Однако при неосторожных перекусах полотна невозможно избежать упругого воздействия на заграждение. При интенсивном упругом воздействии на полотно неизбежно происходит «дребезг» из-за взаимного перемещения элементов заграждения друг относительно друга. Поэтому тревога выдается изделием как в случаях «сложных», так и «простых» воздействий.

Цифровой сигнальный процессор анализирует отличие собственных резонансных колебаний полотна заграждения (от ветровых воздействий и одиночных ударов) от колебаний и вибраций при преодолении заграждения путем фильтрации сигналов полосовыми КИХ фильтрами высокого порядка, сравнением полученных значений с вычисленными средними значениями, сравнением с заданными скоростью нарастания сигнала, длительностью превышения порогового уровня и количеством превышений за заданный алгоритмом временной интервал.

Температурные изменения сказываются на жесткости кабеля ЧЭ и натяжении полотна заграждения. При понижении температуры кабель ЧЭ становится менее упругим и уровень сигнала уменьшается. Для температурной корректировки чувствительности ЧЭ алгоритмом предусмотрена программная подстройка усиления сигнала. Датчик температуры встроен в АЦП.

Использование DSP процессора высокой производительности на небольшой тактовой частоте и отсутствие других микросхем для обработки сигналов позволило получить малое энергопотребление изделия.

Использование DSP процессора высокой производительности позволяет проводить дальнейшее совершенствование алгоритма применительно к различным типам заграждений, чувствительных элементов и условий эксплуатации.

1. Датчик регистрации преодоления заграждений, содержащий закрепленные на заграждении блок обработки и от 1 до 4-х кабельных чувствительных элементов к нему подключенных, причем чувствительные элементы изготовлены на основе трибоэлектрического малогабаритного кабеля коаксиального типа, имееющего двойной экран и центральный проводник, разделенные друг от друга подвижными слоями диэлектриков, образующих заряды при деформации кабеля, а на противоположном от блока обработки конце кабеля чувствительных элементов расположен резистор и конденсатор, замыкающие центральный проводник и внутренний экран кабеля чувствительного элемента, при этом внешние экраны чувствительных элементов соединены с металлическим корпусом блока обработки, а его корпус заземляется.

2. Датчик регистрации преодоления заграждений по п.1, отличающийся тем, что кабель чувствительных элементов имеет внешний экран для дополнительной защиты от помех и отекания статического заряда.

3. Датчик регистрации преодоления заграждений по п.1, отличающийся тем, что он имеет гальваническую развязку всех внешних сигнальных цепей и цепей питания, при этом датчик имеет схемы грозовой защиты всех внешних цепей.

4. Датчик регистрации преодоления заграждений по п.1, отличающийся тем, что он имеет исполнительные устройства - реле правого и левого участков для отображения «тревог» по участкам на систему сбора и обработки информации с контактными входами и/или осуществляет обмен данными с системой сбора и обработки информации по интерфейсу стандарта EIA RS - 485 по двухпроводной линии.

5. Датчик регистрации преодоления заграждений по п.1, отличающийся тем, что блок обработки изделия имеет четыре независимых канала обработки сигналов чувствительных элементов.

6. Датчик регистрации преодоления заграждений по п.1, отличающийся тем, что схема обработки сигналов, исполнительные устройства, схема сопряжения с внешним пультом настройки, схема питания с импульсным DC-DC преобразователем, схема приема сигнала дистанционного контроля, схема контроля вскрытия блока, схемы грозовой защиты входных цепей размещены на плате обработки в блоке обработки.

7. Датчик регистрации преодоления заграждений по п.1, отличающийся тем, что аналоговая часть схемы блока обработки имеет четыре одинаковых канала, каждый из которых состоит из входного буферного каскада, фильтра подавляющего частоту 50 Гц, полосового фильтра с полосой пропускания от 1 Гц до 30 Гц и усилителя сигнала.

8. Датчик регистрации преодоления заграждений по п.1, отличающийся тем, что выход АЦП по SPI-шине подключен к цифровому сигнальному процессору.

9. Датчик регистрации преодоления заграждений по п.1, отличающийся тем, что включает цифровой сигнальный процессор, обладающий возможностью анализа отличия собственных резонансных колебаний полотна заграждения от колебаний и вибраций при преодолении заграждения путем фильтрации сигналов полосовыми КИХ фильтрами высокого порядка, сравнения полученных значений с вычисленными средними значениями, а также сравнения с заданными скоростью нарастания сигнала, длительностью превышения порогового уровня и количеством превышений за заданный алгоритмом временной интервал.