Разработка и исследование адаптивных приборов охраны на основе емкостных преобразователей с разветвлением токов в измерительной цепи

По мере развития общества и ростом благосостояния вопросы охраны собственности приобретают все большее значение. Усилий только государственных правоохранительных органов для решения задач охраны и обеспечения безопасности часто оказывается недостаточно.

В связи с этим многие организации и частные лица для защиты собственности и собственной безопасности создают и используют разного рода системы безопасности — от охранных сигнализаций до соответствующих служб [58].

Одной из особенностей охранных систем является необходимость в их постоянном обновлении. Длительная эксплуатация охранных систем позволяет детально ознакомиться с их характеристиками, достоинствами и недостатками и, соответственно, разработать методы их преодоления. Новые охранные системы часто являются эффективными именно по этой причине. В связи с этим разработка новых охранных систем с удовлетворительными техническими характеристиками является востребованной.

В охранных системах используются разные физические принципы и датчики. Емкостные измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрический сигнал широко используются для контроля линейных размеров и перемещений различного рода объектов, процентного состава отдельных компонент смесей, и т. д.

Основным преимуществом емкостных приборов является их относительная простота, малые габариты и низкая стоимость в сочетании с высокими метрологическими характеристиками.

Область применения приборов контроля на основе емкостных измерительных преобразователей достаточно ограничена. Так, например, они почти не применяются в химических и запыленных производствах, так как изменяют свои характеристики при наличии пыли и под воздействием агрессивных сред. Редко емкостные измерительные преобразователи используются в приборах охранной сигнализации, т.к. непостоянство свойств контролируемой среды приводит к появлению большого количества ложных срабатываний.

На протяжении несколько последних лет в лаборатории «Медицинская кибернетика» Алтайского Государственного Технического Университета им. И. И. Ползунова проводятся работы по совершенствованию проборов охраны на основе емкостных преобразователей, построенных по схеме разветвления токов в измерительной цепи. Использование в преобразователе времени переходного процесса для установления информативных параметров сигнала позволило значительно уменьшить влияние активной составляющей тока рабочей емкости, возникающей при флуктуациях внешних условий (влажности, температуры, запыленности). Кроме того, использование в емкостном преобразователе дифференциально-мостового метода измерения позволило уменьшить влияние температуры на поведение измерительных схем [1,2].

Несмотря на вышеперечисленные методы повышения надёжности, влияние внешних факторов на функционирование приборов охраны на основе емкостных преобразователей с разветвлением токов в измерительной цепи остается значительным. Это резко ограничивает область применения данных устройств.

Одним из перспективных направлений повышения надежности приборов охраны на основе емкостных преобразователях с разветвлением токов в измерительной цепи является разработка устройств, реализующих адаптивные алгоритмы коррекции значения рабочей емкости. Это необходимо для адекватной реакции приборов охраны на изменение климатических условий, что повысит их надёжность. Кроме того, важным направлением исследований в целях повышения надежности приборов охраны является разработка метода дифференцирования изменений значений рабочей емкости и реализация его на базе современных однокристальных микроконтроллеров. Всё это, совместно с разработкой оптимальных схемотехнических решений, позволит значительно расширить возможности приборов охраны на основе емкостных преобразователей с разветвлением токов в измерительной цепи, позволит использовать их в более сложных погодно-климатических условиях, со значительно меньшим уровнем ложных срабатываний.

Целью работы является улучшение надежности и функциональных характеристик приборов контроля на основе емкостных измерительных преобразователей за счет повышения адаптивности системы к изменению внешних условий, разработки новых принципов выделения информационной составляющей регистрируемых сигналов, нахождения оптимальных схемотехнических решений, а также совершенствования методов обработки сигналов.

Адаптивность приборов охраны на основе емкостных преобразователей к изменяющимся условиям окружающей среды позволяет в значительной степени избавиться от отмеченной выше зависимости.

Поэтому разработка адаптивных приборов охраны на основе емкостных преобразователей, обладающих низкой чувствительностью к изменению внешних условий, является актуальной, позволит расширить области применения подобных приборов, улучшит технико-экономические показатели емкостных приборов контроля за счет применения принципиально новых подходов к выделению информационной составляющей регистрируемых сигналов в составляющих их основу емкостных преобразователях.

Диссертационная работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова. Основные результаты работы отражены в 14 публикациях [78.90]. В результате проведенных исследований в 2005 году был разработан опытный образец прибора охраны на основе адаптивного емкостного преобразователя, позволяющий выявить приближение к поверхности рабочего электрода объектов на расстояние от 10 до 50 см, при практически полном устранении влияния погодно-климатических факторов на его функционирование. В 2006 году было установлено 5 таких приборов в различных организациях г. Барнаула, установленные охранные устройства успешно функционируют и допускают дальнейшее совершенствование параметров.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Первая глава носит преимущественно обзорный характер. В ней описаны и проанализированы схемотехнические методы построения емкостных преобразователей, работающих на синусоидальном и прямоугольном напряжении питания для приборов охраны бесконтактного контроля с заземленным электродом. Детально обоснованы основные проблемы, возникающие при использовании емкостных преобразователей в приборах охраны. Произведен обзор существующих приборов охраны на основе емкостных преобразователей, описаны их функциональные возможности, достоинства и недостатки. Произведен выбор направлений исследования, которые обеспечивают решение сформулированных задач и позволяют улучшить надежность и функциональные возможности приборов охраны емкостного типа.

Во второй главе приводится последовательное построение модели взаимодействия объекта контроля с адаптивным емкостным измерительным преобразователем, которая позволяет учесть связь между конструктивными, погодными, схемотехническими факторами и параметрами сигнала. Предложенная математическая модель описывает характер изменения емкости в зависимости от геометрических размеров рабочего электрода и объекта контроля, а также учитывает влияние внешних погодно-климатических факторов.

В третьей главе рассмотрены основные вопросы, возникающие при проектировании охранной системы на базе емкостного датчика. Определен минимальный набор функциональных блоков аналоговой части устройства, приведена методика выбора основных элементов принципиальной схемы. При разработке модуля выделения информационного сигнала рассмотрены вопросы оптимального выбора глубины и динамических характеристик цепи обратной связи, выполнены оценки необходимых пределов изменения пороговых уровней. Рассмотрены основные направления расширения функциональных возможностей системы. Обоснована необходимость определения границ адаптации системы с выработкой предупреждающего сигнала, показаны возможности микропроцессорной обработки сигнала для повышения надежности выделения полезного сигнала и снижения вероятности ложных срабатываний. Приводится разработанный алгоритм дифференцирования изменения значения емкости рабочего электрода, его программная реализация на однокристальном микроконтроллере.

В четвертой главе приводятся результаты испытаний емкостных преобразователей, работающих по предложенным в работе принципам, а также описаны разработанные системы охранной сигнализации, которые используют емкостные приборы как средство превентивного контроля доступа к объектам. Было выполнено экспериментальное исследование факторов, влияющих на функционирование емкостных систем. Основными факторами являлись:

— погодные условия (температура, влажность, обмерзание).

— геометрические характеристики электродов.

— динамика движения объекта контроля.

— соединительные линии между датчиком и схемой обработки сигналов.

— электромагнитные помехи.

По заданному набору статистических результатов измерений параметров системы было проведено сравнение разных алгоритмов выделения информационного сигнала с точки зрения вероятности достоверного обнаружения информации и ложных срабатываний. Использование настраиваемых микропроцессорных алгоритмов позволяет снизить вероятность ложных срабатываний до двух раз при сохранении высокой вероятности достоверного обнаружения. Приводятся результаты настройки и испытания прибора охраны, описывается его технические характеристики и его практическое применения.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность своему научному руководителю Якунину Алексею Григорьевичу, совместно с которым был выполнен весь объем работ по разработке, проектированию и наладке приборов охраны на основе адаптивных емкостных преобразователей с разветвлением токов в измерительной цепи.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Выполнено математическое моделирование охранной системы на основе ёмкостного датчика. Дана математическая модель емкостного преобразователя и объекта контроля.

2. Проведены расчеты и оценки электрической емкости для ожидаемых конфигураций охранных систем на основе емкостных датчиков для тел различной геометрической формы.

3. Сформулированы методы повышения надежности емкостных охранных систем. Предложены и практически опробованы способы увеличения вероятности достоверного обнаружения нарушителя в емкостных приборах охраны. Разработанная методика оптимизации емкостных измерительных преобразователей, основанная на предложенной математической модели, позволяет быстро проектировать приборы контроля с учетом конкретных условий их работы и функционального назначения.

4. Выполнено математическое моделирование влияния погодно-климатических условий и характеристик объекта контроля на изменение емкости рабочего электрода охранной системы.

5. Предложен метод определения различий в динамики изменения полной емкости объекта контроля в приборах охранной сигнализации.

6. Разработан прибор охраны на базе адаптивного емкостного преобразователя. Предложенные методы построения емкостных измерительных преобразователей дают реальное улучшение надежности, чувствительности и других технико-экономических характеристик разработанных на их основе приборов контроля. На основе проведенных исследований были разработаны и внедрены на различных объектах емкостные приборы контроля приближения, что подтвердило высокую эффективность предложенных в работе технических решений.

7. Предложенные методы построения емкостных преобразователей дают реальное улучшение надежности, чувствительности и других технико-экономических характеристик разработанных на их основе приборов контроля.

8. Разработанная методика оптимизации емкостных преобразователей, основанная на предложенной математической модели, позволяет быстро проектировать приборы контроля с учетом конкретных условий их работы и функционального назначения. Так, емкостной преобразователь, построенный по разработанной методике, обеспечивает чувствительность 100 мВ/пФ и имеет порог чувствительности 0.1 пФ в диапазоне значений измеряемой емкости от 50 до 500 пФ, температур — от -40 до 45 °C, паразитного шунтирующего сопротивления — от 5 кОм до бесконечности. При этом ток потребления составляет 0.35 мА при напряжении питания 5 В.

9. Наряду с традиционными способами повышения надежности и увеличения функциональных возможностей емкостных приборов контроля приближения для систем охранной сигнализации (гальваническая развязка входных цепей измерительного преобразователя по постоянному току и их защита от высоковольтного разряда, и перенапряженияприменение фильтров и т. д.) дополнительно предложены следующие технические решения:

— устройство подавления постоянной составляющей в тракте прохождения сигнала, построенное на основе управляемого источника тока, заряжаемого емкость в обратной связи дифференциального усилителя;

— синхронизированная входным сигналом интегрирующая цепочка для исключения срабатываний от кратковременного воздействияцепочка контроля целостности соединения рабочего электрода с прибором (для микропроцессорных систем — цепочка проверки работоспособности прибора).

10. В результате проведенных исследований взаимовлияния построенных на основе предложенных принципов емкостных преобразователей, рабочие электроды которых расположены в непосредственной близости друг от друга, было выявлено, что наиболее эффективным средством улучшения надежности их работы является синфазная синхронизация всех устройств по сети с соответствующей заменой генераторов прямоугольного сигнала в емкостном преобразователе схемой обострения импульсов.

11. На основе проведенных исследований были разработаны и внедрены на различных объектах емкостные приборы контроля приближения, что подтвердило высокую эффективность предложенных в работе технических решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.