CC BY
37
Закінчені розробки
УДК 654.9:621.372:681.5
МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ ДАЛЬНОСТІ ДО ОБ’ЄКТА СИГНАЛІЗАЦІЙНИМ ЗАСОБОМ ОХОРОНИ НА ОСНОВІ ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЄМНОСТІ ЧУТЛИВОГО
ЕЛЕМЕНТУ
Добровольський А. Б.
Національна академія Державної прикордонної служби України імені Богдана хмельницького, Хмельницький, Україна, [email protected]
METHOD OF OBJECT RANGING BY SIGNALLING SECURITY MEANS BASED ON MEASUREMENT OF ELECTRICAL CAPACITY OF SENSING ELEMENT
Dobrovolskyi A. B.
National Academy of State Border Service of Ukraine named after Bohdan Khmelnytsky, Khmelnytsky, Ukraine, [email protected]
Вступ
Аналіз досліджень у галузі сигналізаційних засобів охорони обривного типу, які розглянуті у роботах [1-3], дозволили виділити науково-технічні рішення, які розв'язують завдання щодо реалізації визначення дальності до об’єкта (під об’єктом розуміється порушник). Реалізація такої функціональної можливості, як визначення приблизної відстані до місця обриву чутливого елементу, в сигналізаційних засобах охорони буде позитивно впливати на процес виявлення об’єкту та його подальшого затримання. Так за умови впровадження зазначеної функціональної можливості інформаційна здатність сигналізаційних засобів охорони обривного типу буде зростати [4].
Однак при вирішенні зазначеного завдання, з урахуванням результату аналізу робіт [1-3], доцільно дослідити варіант щодо можливості визначати дальність до об’єкту за допомогою вимірювання електричної ємності чутливого елементу (мікрокабелю) сигналізаційного засобу охорони. Запропонований варіант потребує експериментальних досліджень в області вимірювання електричної ємності чутливого елементу (мікрокабелю) сигналізаційного засобу охорони обривного типу, що і обумовило сутність мети роботи.
Результати дослідження
В таких сигналізаційних засобах охорони обривного типу як «Краб-1», «Кувшинка-П» існує можливість визначати приблизну довжину чутливого елементу. Дана функціональна можливість реалізована на основі методу імпульсної рефлектометрії. Сутність цього методу полягає в тому, що одножильний мідний провід (ПЕЛ, ПЕВ) та поверхня землі утворюють хви-
Вісник Національного технічного університету України «КПІ»
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2014. — №57 149
Закінчені розробки
леводну лінію, яка розімкнена на дальньому кінці. В початковий момент подачі імпульсів вздовж хвилеводної лінії починає поширюватись електромагнітна хвиля. Коли хвиля досягає розімкненого кінця лінії, то вона відбивається і в протифазі повертається в зворотньому напрямі. В момент приходу відбитої хвилі завершується подача імпульсу струму в лінію. Таким чином тривалість імпульсу пропорційна подвійній довжині проводу:
t =
2L
V
(1)
де L — довжина проводу;
Vc — швидкість поширення електромагнітної хвилі в хвилеводній лінії.
При зміні довжини проводу змінюється тривалість імпульсів та середня напруга на виході фільтру нижніх частот, що є детектором тривалості імпульсів. Рівень середньої складової напруги поступає на вимірювач дальності, яким може бути, наприклад, вольтметр зі шкалою, що зазначена в одиницях довжини проводу. Більш детально даний метод зазначено в роботі [1].
Проте даний метод володіє рядом суттєвих недоліків:
- максимальна протяжність чутливого елементу може бути не більше 500 м, так як в процесі поширення електромагнітної хвилі в хвилеводній лінії відбувається її затухання в основному в землі;
- для роботи сигналізаційного засобу необхідно заземлення в ґрунт, який в силу своїх властивостей може обмежити довжину проводу, що контролюється, наприклад, тип ґрунту - сухий або кам’янистий;
- при використанні методу імпульсної рефлектометрії сигналізаційний засіб охорони є активним, що в свою чергу призводить до зменшення тривалості його роботи при використанні автономного джерела електроживлення.
Впоратися з таким недоліком, як необхідність заземлення, можна при використанні в сигналізаційних засобах касет з мікрокабелем, а альтернативою до методу імпульсної рефлектометрії може бути запропонований варіант визначення довжини мікрокабелю на основі вимірювання його електричної ємності.
Так касети з мікрокабелем використовуються в наступних сигналізаційних засобах обривного типу — «Хмель-1», «Лиана-1», «Трос». Мікро-кабель являє собою дві ізольовані жили діаметром 0,05мм. Принцип роботи сигналізаційних засобів охорони, що використовують касети з мікрока-белем, полягає в контролі цілісності мікрокабелю шляхом реєстрації зміни його опору. Електричне коло, яке контролюється утворюється в результаті оплавлення кінця мікрокабелю. Зазначені прилади не мають функції визначення відстані до місця обриву чутливого елементу.
Вимірювання відстані до місця обриву мікрокабелю за допомогою ви-
150
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2014. — №57
Закінчені розробки
мірювання електричної ємності може звестись до послідуючої методики, а її сутність полягає в виконанні такої послідовності дій:
- вимірювання величини електричної ємності контрольної довжини обірваного мікрокабелю та обчислення величини погонної електричної ємності, як зазначено в формулі (2)
C
С = к
Спог J Тк
(2)
де Ск — електрична ємність контрольної довжини мікрокабелю;
Тк — контрольна довжина мікрокабелю.
- здійснення постійного контролю величин початкового та кінцевого значення напруг в мікрокабелі;
- вимірювання часу заряду електричної ємності мікрокабелю;
- розрахунок залишкової електричної ємності мікрокабелю за формулою (3):
С =---------
Сзал с
t
R • ln
Л ’
1 - и
U0 J
(3)
де R — опір мікрокабелю через який відбувається заряд електричної ємності залишку мікрокабелю;
U — початкове значення напруги в мікрокабелі;
U 0 — кінцеве значення напруги в мікрокабелі;
t — час заряду електричної ємності залишку мікрокабелю від U0 до U.
- визначення відстані до місця обриву за формулою (4):
C
т = w зал тзал
С
пог
(4)
Однак дану методику вимірювання відстані до місця обриву при вико-
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2014. — №57
151
Закінчені розробки
ристанні касет з мікрокабелем неможливо використати. Пов’язано це з тим, що погонна ємність буде сталою величиною тільки для ділянки обірваного мікрокабелю без касети (Хоб), як це показано на рис. 1, а.
Відповідно можливим є тільки знаходження відстані Хоб :
^об
г С - С
соб Ср Сзал
С
пог
С
пог
(5)
Погонну ємність не можна використовувати для знаходження довжин залишку мікрокабелю (Хзал) та розмотаного мікрокабелю (Ьр), так як на
ємність залишку мікрокабелю (Сзал) та ємність розмотаного мікрокабелю (Ср) впливає міжвиткова ємність самої касети з мікрокабелем (Ск).
Щоб знайти довжину Хзал можливим варіантом є повторне здійснення
обриву мікрокабелю безпосередньо перед касетою, як це показано на рис. 1, б. Таким чином, відстань до попереднього місця обриву мікрокабелю дорівнює:
^об
Г" — Г"
^ р ^ об
С
(6)
пог
]
Рис. 2 Варіант розгортання мікрока-белю для визначення напрямку руху об’єкту
Однак подібний спосіб недоцільно використовувати, так як це призводить до більш швидкого використання мікро-кабелю, що міститься в касеті, але ще крім цього він не дає можливості реалізації тактичної переваги при застосуванні засобів подібного типу — визначення напрямку руху об’єкту в разі блокування ділянки місцевості, як це показано на рис. 2. При реєстрації двох обривів D2 та D1 — об’єкт рухається знизу вверх, а при реєстрації лише одного обриву ]1 — об’єкт рухається з верху до низу.
Щоб реалізувати в сигналізаційному засобі охорони обривного типу такі функції, як визначення дальності до об’єкту та його напрямок необхідно застосовувати інший спосіб знаходження електричних ємностей мікрока-белю. Таким способом може бути обробка експериментальних даних електричної ємності касети мікрокабелю при його розмотуванні та у разі його обриву.
Так за результатами експерименту вимірювалась електрична ємність касети мікрокабелю «Трос» [5] цифровим мультиметром M890G, як показано на рис. 3.
152
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2014. — №57
Закінчені розробки
Загальна довжина мікрокабелю касети «Трос» становить 2000 м. За результатами експерименту встановлено, що при розмотуванні мікрокабелю з касети електрична ємність поступово зменшується, хоча загальна довжина мікрокабелю не змінюється. В таблиці 1 зазначені експериментальні дані, що стосуються касети «Трос», а саме — значення електричної ємності при розмотуванні мікрокабелю на всю довжину в 2000 м та значення електричної ємності самої касети, коли певна довжина мікрокабелю обривалася (через 100 м).
Таблиця. 1
Експериментальні дані електричної ємності
касети «Трос» з розмотанимта обірваним мікрокабелем
Електрична ємність, нФ Довжина мікрокабелю, м
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
При розмотуванні мікрокабелю з повної касети на всю довжину 275 273, 4 272, 9 271, 5 270, 4 268, 2 267 264, 4 262, 5 259, 8 257,2
При обриві мікрокабелю з повної касети 275 264, 5 253, 8 243, 1 232, 2 221, 2 210, 1 198, 7 187 174, 9 163,1
Електрична ємність, нФ Довжина мікрокабелю, м
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
При розмотуванні мікро-кабелю з повної касети на всю довжину 253, 1 250 245, 1 241, 2 234, 1 231, 8 225, 3 221, 1 214, 4 209
При обриві мікрокабелю з повної касети 150, 9 136, 5 120, 8 103, 9 89,4 62,6 5 46,6 28,8 10,4 5 0
За експериментальними даними знайдені регресійні рівняння поліномів для двох зазначених випадків. Коефіцієнти рівнянь та ступені поліномів знайдені за допомогою програми MathCAD. Лістинг програми MathCAD для цих регресійних поліномів показано на рис. 4. Де n - ступінь поліному. L1, C1 — довжина та електрична ємність розмотаного мікрокабелю, L2, C2 — довжина та електрична ємність обірваного мікрокабедю. В векторах результатів v1 та v2 перші три рядки є службовими, а інші вказують на значення коефіцієнтів поліному.
Рис. 3 Вимірювання електричної ємності мікрокабелю касети «Трос» цифровим мультиметром M890G
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2014. — №57
153
Закінчені розробки
Рис. 4. Лістинг програми MathCAD для двох регресійних поліномів
Так значення електричної ємності при розгортанні повної касети на всю довжину буде відповідати регресійному поліному, що має такий вид:
Ср (Lp )=-1.494 • 10'5ЬІ -2.902 • • L+274.144, (7)
де Lp — довжина розмотаного мікрокабелю з касети.
Значення електричної ємності при обриві мікрокабелю з повної касети описується наступним поліномом:
Osle ) =-2.865 • 10-5і2, -0.081L„+271.604, (8)
де L^ — довжина обірваного мікрокабелю з касети.
Вигляд функцій (7) та (8) показано на рис. 5.
С. НФ 275
235.714'
196.429
157.143
117.85?
7S.57L-
39 Ш
Чч — J
Ч ■V. X
Ч V. Ч ■ч "Л
\
\ Ов&ІІ-оа )
Ч \ \ Ч
\ ч
300
600
900
1200
1500
1800
2100
L. м
Рис. 5 Вигляд регресійних поліномів за експериментальними даними
154
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2014. — №57
Закінчені розробки
З рівняння (7) можна визначити довжину розмотаного мікрокабелю з повної касети:
L=33467.20.016-5.9 • І0-4 • Ср -97.12, (9)
де Ср — електрична ємність повної касети з розмотаним мікрокабелем.
У разі використання повної касети з мікрокабелем відстань до обриву (відстань до порушника) можна знайти за допомогою виразів (5) та (9):
^ал _ L А)б • (10)
Однак, визначати дальність до порушника за виразом (10) є недоцільним, так як кожен раз при блокуванні ділянки повинна розгортатися повна (нова) касета з мікрокабелем.
Рис. 6 Залежності електричних ємностей від довжини мікрокабелю: 1 — для повної розмотаної касети; 2 — неповної розмотаної касети; 3 — повної касети з обірваним
мікрокабелем
Тому необхідною умовою щодо розробки методу визначення дальності до об’єкту (обриву мікрокабеля) є реалізація можливості використання неповної касети з мікрокабелем. Для цього треба здійснити ряд наступних дій, пояснення яких показано на рис. 6, що в свою чергу становить сутність розробленого методу:
1. Виміряти електричну ємність неповної не розмотаної касети (Сн).
2. Визначити довжину мікрокабелю в неповній не розмотаній касеті з виразу (8):
Вісник Національного технічного університету України «КПІ»
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2014. — №57 155
Закінчені розробки
4 = 176.1-70037 _ 113 -10"4 • сн -1433 6, (11)
де Сн — електрична ємність неповної не розмотаної касети.
3. Визначити за формулою (7) електричну ємність повної касети розмо-
і
таної на довжину 2000 - Lk (Сн).
4. Визначити АС = Сн - Сн.
5. Виміряти електричну ємність розмотаної неповної касети (С р).
6. Виміряти електричну ємність розмотаної неповної касети після обри-
і
ву мікрокабелю порушником на довжині Lk (С об).
7. Визначити прогнозовану ємність повної розмотаної касети після об-
і
риву мікрокабелю порушником на довжині Lk:
С 'об = Соб +АС. (12)
8. Визначити з виразу (9) довжину мікрокабелю повної розмотаної касети після обриву:
4 = 33467.4/0.016 - 5.9 • 10-4 • С0б - 97.12. (13)
9. Визначити довжину мікрокабелю для неповної розмотаної касети після його обриву з урахуванням виразів (11), (13):
С - —
Lзал = Lk-Lk - . (14)
—пог
Висновки
Розроблено метод визначення дальності до об’єкту на основі вимірювання електричної ємності чутливого елементу сигналізаційного засобу охорони обривного типу. Новизна методу полягає у визначенні значень електричної ємності на основі регресійного аналізу за експериментальними даними. Даний метод у порівнянні з методом імпульсної рефлектометри відрізняється тим, що знято обмеження щодо визначення меж дальності до об’єкту, а також напрямку його руху. Використання методу дозволило підвищити ефективність контролю чутливого елементу шляхом визначення дальності до об’єкту.
Перелік посилань
1. Пат. 1826788 Российская Федерация, МПК G08B 13/12. Сигнальное устройство / Ю.Н. Круглов, Л.Е. Лебедев, Н.Н. Токарев, А.В. Филипов, Е.Е. Шарамонов ; Научно-иследовательский и конструкторский институт радиоэлектронной техники. - № 4887358/24 ; заявл. 26.10.1990 ; опубл. 10.08.1996.
2. Пат. 2485596 Российская Федерация, МПК G08B 13/12, G08B 25/00, G08B 29/00. Способ определения направления движения нарушителя обрывными средствами / Удот С. А.; Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Калининградский пограничный институт Федеральной
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» 156 Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2014. — №57
Закінчені розробки
службы безопасности Российской Федерации». - № 2011127033 ; заявл. 30.06.2011; опубл. 20.06.2013, бюл. № 17.
3. Пат. 17485 Україна, МПК G08B 13/02. Сигналізаційний прилад обривного типу / Б.М. Міхєєв, М.І. Лисий, О.М. Шинкарук ; Національна академія державної прикордонної служби України ; опубл. 15.09. 2006, бюл. № 9.
4. Добровольський А.Б. Модель оцінки ефективності технічних засобів охорони кордону при врахуванні інформаційних характеристик // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету ім. Т. Шевченка. - 2012. -Вип. № 38. - с. 25-30.
5. Прибор «Трос». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Ш1ППК4ЭТ. 1990г.
Reference
1. Kruglov Y. N., Lebedev L. E., Tokarev N. N., Filipov A. V. and Sharamonov E. E. (1996) Signal'noe ustroistvo [Signalling device]. Patent RU 1826788.
2. Udot S. A. (2013) Sposob opredeleniya napravleniya dvizheniya narushitelya obryv-nymi sredstvami [Method of infractor’s direction measurement by break-away means]. Patent RU 2485596.
3. Mikheev B. M., Lysyi M. I. and Shynkaruk O. M. (2006) Syhnalizatsiinyi prylad obryvnoho typu [Signalling break-away device]. Patent UA 17485.
4. Dobrovolskyi A. B. [Model of assessment of the effectiveness of technical border protection means in view of information characteristics]. Herald of Taras Shevchenko National University of Kiev (SpecialMilitary science), No 38, pp. 25-30.
5. (1990) Pribor «Tros». Tekhnicheskoe opisanie i instruktsiya po ekspluatatsii [“Tros” device. Technical description and operation manual].
Добровольський А. Б. Метод визначення дальності до об’єкта сигналізаційним засобом охорони на основі вимірювання електричної ємності чутливого елементу.
Сутність новизни методу полягає в визначенні дальності до об’єкту на основі ре-гресійного аналізу експериментальних даних по вимірюванню електричної ємності мікрокабелю касети «Трос». Даний метод у порівнянні з методом імпульсної рефлектометри не має обмежень по дальності визначення об ’єкту. Використання методу дозволило підвищити ефективність контролю чутливого елементу шляхом визначення дальності до об ’єкту.
Ключові слова: мікрокабель, електрична ємність, дальність до об ’єкту.
Добровольский А. Б. Метод определения дальности до объекта сигнализационным средством охраны на основе измерения электрической ёмкости чувствительного элемента. Сущность новизны метода состоит в определении дальности до объекта на основе регрессионного анализа экспериментальных данных в результате измерения электрической ёмкости кассеты «Трос». Данный метод в сравнении с методом импульсной рефлектометрии не имеет ограничений по дальности определения объекта. Использование метода позволило повысить эффективность контроля чувствительного элемента путём определения дальности до объекта.
Ключевые слова: микрокабель, электрическая ёмкость, дальность до объекта.
Dobrovolskyi A. B. Method of object ranging by signaling security means based on measurement of electrical capacity of sensing element.
Introduction. Analysis of the researches in the field of signaling break-away protection
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2014. — №57
157
Закінчені розробки
means allowed to determine scientific and technical solutions which solve tasks concerning realization of object ranging. However, these scientific and technical solutions have several disadvantages, which are proposed to be solved with a new method based on measurement of electrical capacity of sensing element.
Research results. The essence of the method novelty is the object ranging based on regression analysis of experimental data in measurement of electrical capacity of the “Tros” microcable tape. This method has no restrictions as for object ranging in comparison with the method of impulse reflectometry.
Conclusions. Used method allowed to raise the efficiency of sensing element control by object ranging.
Keywords: microcable, electrical capacity, distance to the object.
158
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2014. — №57
