Разработка и исследование приборов контроля охранной сигнализации на основе емкостного преобразователя с разветвлением токов в измерительной цепи

Приборы на основе емкостных измерительных преобразователей неэлектрических величин в настоящее время широко используются для контроля процентного состава отдельных компонент смесей, линейных размеров и перемещений различного рода объектов. Основное преимущество таких приборов — их относительная простота, малые габариты и низкая стоимость в сочетании с высокими метрологическими характеристиками. Тем не менее, несмотря на перечисленные преимущества, область применения приборов контроля на основе емкостных 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 преобразователи используются в приборах охранной сигнализации, т.к. непостоянство свойств контролируемой среды приводит к появлению большого количества ложных срабатываний. Поэтому расширение области применения и улучшение технико-экономических показателей емкостных приборов контроля за счет применения принципиально новых подходов к выделению информационной составляющей регистрируемых сигналов в составляющих их основу емкостных преобразователях является актуальнейшей проблемой современного приборостроения.

Поэтому целью работы является улучшение надежности и функциональных характеристик приборов контроля на основе емкостных преобразователей путем разработки новых принципов выделения информационной составляющей регистрируемых сигналов, нахождения оптимальных схемотехнических решений, а также совершенствования методов обработки сигналов.

Диссертационная работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете в центре «Медицина и электроника». Основные результаты работы отражены в 9 публикациях. В результате проведенных исследований в 1998 году был разработан опытный образец емкостного преобразователя, позволяющий выявить приближение к поверхности рабочего электрода объектов на расстояние около 5 см, при полном устранении температурного дрейфа выходного напряжения. А в 1999 году было установлено 11 таких приборов в различных учреждениях Алтайского края, причем многие емкостные приборы контроля до сих пор успешно работают.

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

Первая глава носит обзорный характер. В ней описаны и проанализированы схемотехнические методы построения емкостных преобразователей, работающих на синусоидальном и прямоугольном напряжении питания для приборов бесконтактного контроля с заземленным электродом. Детально обоснованы основные проблемы, возникающие при использовании емкостных приборов контроля в системах охранной сигнализации. По проведенному анализу произведен выбор направлений исследования, которые обеспечивают решение сформулированных задач и позволяют улучшить надежность и функциональные возможности емкостных приборов контроля приближения.

Во второй главе приведены результаты исследований возможности использования схемы измерительного преобразователя с ответвлением тока на рабочую емкость. Рассмотрена методика построения емкостного преобразователя на основе компенсированной КС цепочки, который использует для работы переходный процесс. Предложен алгоритм построения его 7 математической модели. На основе полученной математической модели исследована временная область максимальной чувствительности и термостабильности емкостного преобразователя. Произведена многокритериальная оптимизация параметров элементов, составляющих прибор контроля данного типа. Приведены результаты исследований нового метода выделения информационной составляющей переходного процесса в схеме емкостного преобразователя, основанного на использовании зависимости выходного напряжения схемы от времени задержки распространения сигнала для компенсационной ЯС цепочки. Исследованы основные метрологические характеристики емкостных преобразователей, построенных по предложенным принципам. Приведено краткое описание разработанного комплекса программного обеспечения.

В третьей главе рассмотрены основные аппаратные и программные методы повышения надежности емкостных приборов контроля приближения, предназначенных для использования в системах охранной сигнализации. Исследованы причины взаимного влияния емкостных приборов, электроды которых расположены в непосредственной близости друг от друга. Предложены методы эффективного решения данной проблемы.

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.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность своему научному руководителю Якунину Алексею Григорьевичу, студенту кафедры «Автоматизированный электропривод и электротехнология» АлтГТУ Чумакову Ивану Александровичу, а 8 также бывшему студенту той же кафедры Чернову Константину Анатольевичу, совместно с которыми был выполнен весь объем работ по проектированию и наладке систем охранной сигнализации, в состав которых входят емкостные приборы контроля приближения (ЕПКП).

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РЕШЕНИЯ.

Выводы.

1. При невозможности использования объемных оптических приборов, идеальным средством превентивного оповещения о приближении к контролируемому объекту служит емкостной прибор.

2. Применение ЕПКП в комплексах с многоуровневой системой защиты охраняемых объектов повышает надежность всего комплекса.

3. Понижение энергопотребление до 5 мВт и расширение температурного диапазона ЕПКП позволяет его использовать в энергонезависимых распределенных системах охранной сигнализации при любой топологии сети.

4. Разработанные устройства были внедрены на различных объектах Алтайского края и подтвердили высокую эффективность предложенных в работе технических решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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

2. 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.

3.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 усилителясинхронизированная входным сигналом интегрирующая цепочка для исключения срабатываний от кратковременного воздействия;

117 цепочка контроля целостности соединения рабочего электрода с прибором (для микропроцессорных систем — цепочка проверки работоспособности прибора).

4.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.

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