CC BY
74
мое ходовыми системами и рабочими органами машинно-тракторного агрегата, что обеспечивает сохранение ее естественной структуры и повышение урожайности возделываемых культур.
Библиографический список
1. Анилович В.Я., Водолажченко Ю.Т. Конструирование и расчет сельскохозяйственных тракторов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1976. 456 с.
2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 576 с.
3. Иофинов С.А., Лышко Г.П. Эксплуатация машинно-тракторного парка. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Колос, 1984. 351 с.
4. Карпов Н.Ф. Обоснование рациональных параметров и режимов работы почвообра-
батывающего посевного комплекса: Автореф. дис. канд. техн. наук. Барнаул, 2004. 18 с.
5. Красовских В.С., Красовских Е.В., Си-ногейкин Д.В. Оценка технико-экономических показателей тяговых агрегатов // Вестник АГАУ. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2003. № 1. С. 4-8.
6. Красовских В.С. Повышение эффективности функционирования тяговых агрегатов за счет оптимизации параметров и эксплуатационных режимов работы в степных и лесостепных районах Западной Сибири: Автореф. дис. докт. техн. наук. СПб.; Пушкин, 1991. 37 с.
7. Красовских В.С. Основы расчета параметров и режимов работы машинно-тракторных агрегатов: Учебное пособие. Новосибирск, 1982. 55 с.
8. Кутьков Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства. М.: Колос, 2004. 504 с.
УДК 654.924 А.В. ГАЛКОВ,
А.Г. ЯКУНИН
К ВОПРОСУ О РАЗРАБОТКЕ АДАПТИВНЫХ ОХРАННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ
В настоящее время все большее число людей приходит к выводу, что усилий только государственных правоохранительных органов для решения такой проблемы, как охрана и обеспечение безопасности собственности, явно недостаточно. Многие частные лица для защиты своей собственности прибегают к охранным сигнализациям, не говоря уже об организациях, подавляющее большинство которых используют охранные системы.
Проблема проектирования и разработки надежных и недорогих систем охранной сигнализации стоит как никогда остро. Работы в этом направлении с переменным успехом ведутся как отечественными, так и зарубежными специалистами, и в настоящее время на рынке присутствует множество предложений охранных систем, основанных на различных физических принципах обнаружения нарушителя, которые подробно описаны в литературе [1, 2].
Основным критерием построения любой охранной системы является вероятность достоверного обнаружения несанкционированного доступа на охраняемый объект. Основной проблемой, возникающей при этом, является возможность ложных срабатываний, обусловленная зависимостью функционирования системы от внешних факторов, которые условно подразделяются на климатические, техногенные и биологические. Уменьшение вероятности ложных срабатываний вызывает усложнение охранной системы, что ведет к увеличению её стоимости и уменьшению надежности, в смысле увеличения вероятности выхода охранной системы из строя. Кроме того, уменьшение вероятности ложных срабатываний обычно вызывает уменьшение вероятности достоверного обнаружения нарушителя.
Известно, что к общим признакам для большинства систем сигнализации относятся:
а) наличие анализатора сигнала, который выделяет представительный параметр, несущий информацию об изменении внешних характеристик, (детектирует его), сравнивает выделенный параметр с пороговым значением или эталоном, и, в случае превышения порога, формирует сигнал тревоги;
б) наличие чувствительного элемента (датчика), обнаруживающего изменение того или иного физического параметра и преобразующего это изменение в электрический сигнал (или изменение сигнала).
Ключевым элементом в любой системе сигнализации является датчик. В настоящее время широкое распространение получили контактные, инфракрасные, емкостные, оптические, акустические, комбинированные датчики. Реже используются системы с радиоволновыми, тензометри-ческими, индуктивными датчиками. Охранные системы, основанные на том или ином физическом принципе, имеют свои достоинства и недостатки, но в большинстве своём они достаточно дорогостоящие, сложные в изготовлении, настройке и эксплуатации.
Одним из перспективных решений является разработка охранной системы на основе емкостного способа обнаружения нарушителя. Датчики емкостного типа являются упреждающими и способны обнаружить нарушителя уже на расстоянии 3050 см от охраняемого объекта, т.е. до проникновения его в охраняемую зону, что невозможно, например, при использовании контактных датчиков. В качестве рабочего электрода может выступать любое металлическое тело произвольной геометрической формы: решетка, стекло с функцией охраны, сейф, дверь или штора-ставня. Таким образом может быть достигнута скрытая установка охранной системы, что представляет определенные трудности при использовании систем, основанных на других физических принципах. Сложность использования охранных систем на основе емкостных датчиков заключается в зави-
симости электрической емкости от геометрической формы и размера рабочего электрода [3], от условий окружающей среды: влажности, температуры, запыленности, задымленности. Кроме того, паразитные токи утечки могут существенно влиять на надежность работы системы. Устранение или сведение к минимуму вышеперечисленных недостатков при проектировании адаптивных систем охранной сигнализации на основе емкостных датчиков является важнейшей задачей приборостроения.
Существует огромное количество принципов преобразования емкости в удобные для измерения и регистрации электрические величины, например, в частоту, напряжение или ток, и не меньшее количество детекторов сигналов, основанных на данных принципах. Однако особый интерес при проектировании охранной системы на основе емкостного преобразователя является измерение емкости рабочего электрода во время переходного процесса [4]. Данный процесс считается недопустимым для проведения точных измерений из-за большой экспоненциальной зависимости выходных характеристик емкостных преобразователей в самом начале переходного процесса, приводящей к увеличению погрешности до 10-15% [5]. При использовании емкостных приборов в системах охранной сигнализации точность измерения не является основной метрологической характеристикой, т.к. в данном случае необходимо оценивать только величину изменения рабочей емкости. Использование в емкостном преобразователе охранной сигнализации для измерения информативных параметров переходного процесса позволяет значительно уменьшить влияние паразитной активной составляющей тока рабочего электрода, что повышает надежность охранной системы, построенной с использованием преобразователя, работающего по данному принципу.
Предложенная схема [4] осуществляет и некоторую температурную коррекцию за счет использования компенсационномостового метода измерения. Однако при флуктуациях, как влажности, так и запыленности, а также при значительных изме-
нениях температуры изменяется емкость рабочего электрода охранной системы, что может вызвать её ложное срабатывание либо несрабатывание в случае несанкционированного доступа. Так как любые изменения в окружающей среде вызывают изменения емкости рабочего электрода, то
для решения этой проблемы необходима автоматическая емкостная коррекция. На рисунке 1 приведена структурная схема охранной системы с разветвлением токов в измерительной цепи с цепью емкостной коррекции, состоящая из интегратора и варикапа.
Генератор прямоугольного сигнала
Рабочий
электрод
Рис. Ї. Адаптивная емкостная охранная система
При приближении посторонних лиц к рабочему электроду изменяется пространственная картина распределения электромагнитного поля, что ведет к изменению емкости рабочего электрода. Изменение емкости рабочего электрода ведет к появлению напряжения на входе входного усилителя, после чего это напряжение записывается в устройство выборки-хранения. Если уровень напряжения выше порогового, то на исполнительное устройство, в качестве которого могут выступать звуковые, световые сигнализаторы либо другие устройства, подается сигнал о срабатывании сигнализации. После чего при использовании, например, в качестве исполнительного устройства сирены раздается звуковой сигнал. Однако емкость рабочего электрода меняется и при изменении параметров окружающей среды, т.к. при этом изменяется диэлектрическая проницаемость воздуха. При отсутствии цепи емкостной коррекции может произойти ложное срабатывание охранной системы. Кроме того, при незначительных изменениях параметров окружающей среды срабатывание сигнализации не
происходит, но изменяется порог срабатывания системы. В связи с этим становится возможна выдача тревожного сигнала в штатной ситуации, когда посторонние не проникают в охраняемую зону. Всё это уменьшает надежность системы и делает невозможным её использование без цепи емкостной коррекции, особенно в сложных климатических условиях.
При использовании цепи емкостной коррекции изменение емкости рабочего электрода также вызывает изменение напряжения на выходе устройства выборки-хранения. Медленное изменение емкости рабочего электрода обычно происходит при изменении состояния погодных условий. В этом случае напряжение на выходе устройства выборки-хранения изменяется постепенно и поступает на электрически изменяемую емкость через интегратор, который обеспечивает необходимую задержку корректировки емкости. Использование интегратора необходимо для обеспечения включения сигнализации при резких изменениях емкости рабочего электрода.
Резкое изменение емкости характерно для приближения к рабочему электроду посторонних лиц. В этом случае напряжение на выходе устройства выборки-хранения будет превышать пороговое, что вызовет генерацию сигнала тревоги до корректировки, т.к. напряжение с выхода устройства выборки-хранения поступает на электрически изменяемую емкость с некоторой задержкой, обеспечиваемую интегратором. Корректировка емкости также происходит, однако, после поступления сигнала тревоги на исполнительное устройство.
Таким образом, использование блока автоматической коррекции с оптимальным значением времени задержки позволяет охранной системе отрабатывать обычно нескоротечные процессы изменения таких параметров окружающей среды, как температура и влажность без подачи сигнала тревоги, что повышает надежность охранной системы.
Как известно, емкость измерительного электрода зависит от его формы, размеров и присутствия рядом других тел. В результате, при установке охранной сигнализации, основанной на емкостном принципе обнаружения нарушителя, обычно необходима ручная подстройка как при установке системы, так и при изменении расположения находящихся поблизости тел. Однако при использовании цепи автоматической емкостной коррекции необходимость в ручной корректировке отпадает, что делает охранную систему более простой при установке и эксплуатации.
Для предотвращения вывода охранной системы из строя злоумышленниками, а также для расширения её функциональных возможностей необходимо предусмотреть адекватную реакцию охранной системы на заземление рабочего электрода и на обрыв провода, соединяющего рабочий электрод с измерительной цепью. Использование дополнительного блока сравнения (рис. 2), включенного в схему после устройства выборки-хранения, позволяет решить эту задачу.
Рис. 2. Дополнительный блок сравнения
При закорачивании рабочего электрода на землю емкость электрода становится существенно больше емкости электрода в дежурном режиме и в режиме тревоги. Следовательно, и напряжение на выходе устройства выборки-хранения будет выше, что при использовании блока сравнения вызовет сигнал тревоги и сигнал о нештатной ситуации. При обрыве провода, соединяющего рабочий электрод с измерительной цепью, его емкость принимает значение, существенно меньше значения емкости электрода в дежурном режиме, что вызывает уменьшение напряжения на выходе устройства выборки-хранения и, при использовании дополнительного блока сравнения, подачу сигналов тревоги и о возникновении нештатной ситуации.
Таким образом, использование цепи емкостной коррекции и дополнительного блока сравнения при проектировании емкостных охранных систем позволяет создать полностью адаптивную систему с широкими функциональными возможностями и повышенной тактической надежностью. Использование адаптивных механизмов при создании охранных систем на основе емкостных датчиков с разветвлением токов в измерительной цепи позволяет избежать необходимости ручной настройки охранной системы на рабочий электрод, ручной корректировки при изменении расположения стационарных предметов вблизи рабочего электрода, позволяет использовать емкостные охранные системы в сложных климатических условиях с высокой вероятностью обнаружения нарушителя совместно с низ-
кой частотой ложных срабатываний. Все это в сочетании с приемлемой стоимостью, сравнительной простотой и высокой отказоустойчивостью охранных систем на основе емкостных датчиков, позволяет использовать их для надежной охраны практически любых объектов.
Библиографический список
1. Синилов В.Г. Системы охранной, охранно-пожарной и пожарной сигнализации. М.: Профобриздат, 2004. 352 с.
2. Виглеб Г. Датчики / Пер. с нем. М.: Мир, 1989. 196 с.
3. Галков А.В. Математическое моделирование охранной системы на основе ёмкостного датчика // Научно-исследовательская деятельность студентов - первый шаг в науку. 9 апр. 2004 г.: Тез. докл. Набережные Челны, 2004. С. 200-203.
4. Авцинов В.Б., Якунин А.Г. Емкостной преобразователь / Пат. 2168729 (Россия). Опубл. 06.10.2001.
5. Прокунцев А.Ф., Колесников В.И. Переходные процессы в цифровых мостах переменного тока. М.: Энергия, 1978. 112 с.
