Общие сведения о современных емкостных средствах

Общие сведения о
современных
емкостных средствах
обнаружения (ЕСО)
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ
Физические принципы действия
емкостных средств обнаружения
(ЕСО). Чувствительные элементы и
первичные преобразователи ЕСО.
 Помехи, воздействующие на ЕСО.
 Методы выделения сигналов и
ослабления помех в ЕСО.

Учебный вопрос №1
 Физические
принципы действия
емкостных средств обнаружения
(ЕСО). Чувствительные элементы и
первичные преобразователи ЕСО.
Физические принципы действия
емкостных средств обнаружения (ЕСО).

Работа емкостных средств
обнаружения основана на
преобразовании в электрический сигнал
изменения емкости чувствительного
элемента, возникающего при
воздействии на него объекта
обнаружения.
Структурная схема емкостного средства обнаружения
1
2
66
3
4
5
БОС
В общем случае средство обнаружения емкостного типа состоит из
чувствительного элемента (1) и блока обработки сигналов (БОС),
который в свою очередь содержит: первичный преобразователь (2),
один или несколько промежуточных преобразователей (3,4) и
передающий преобразователь (исполнительное устройство) (5).
Первичный преобразователь и чувствительный элемент питаются от
генератора переменного тока (6).





Чувствительный элемент имеет определенную
электрическую емкость относительно земли, а также
емкость между отдельными компонентами и
представляет собой конденсатор с “воздушным”
диэлектриком между обкладками.
Контролируемой емкостью является емкость “
изолированная обкладка - земля”, или емкость между
обкладками.
Эта емкость изменяется под воздействием нарушителя.
Первичный преобразователь преобразует
контролируемое изменение емкости чувствительного
элемента в первичный электрический сигнал, который
затем подвергается дальнейшей обработке в БОС.
В блоке обработки сигналов осуществляется выделение
полезных сигналов, подавление помех и преобразование
полезных сигналов в вид удобный для передачи их по
линии связи на устройства отображения и
документирования информации.
Чувствительные элементы и первичные
преобразователи ЕСО
В качестве чувствительных элементов ЕСО
(антенных устройств) используются:
 специально сооружаемые в виде заборов или
козырьков ограждения, представляющие собой
полотно из металлической сетки или проводов,
подвешенных с помощью изоляторов к опорам;
 электропроводящие поверхности
непосредственно охраняемых предметов (сейфов,
приборов, установок и т.д.), электрические
изолированные от земли;
 специальные металлические проводники,
располагаемые (обычно укрытые) вблизи или на
поверхности охраняемого предмета.
Все антенные устройства ЕСО конструктивно делятся по длине на
две равные части (два фланга). Каждый фланг должен быть
хорошо изолирован от земли, но электрически соединяется с
входом устройства обработки сигналов, поэтому УОС всегда
располагается посредине антенного (АУ) устройства.
СЕКЦИИ ЕМКОСТНОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ
Пластмассовые
кронштейны
Стальной провод




Во всех случаях для выполнения задачи обнаружения
нарушителя, вторгающегося в запретную зону, или
режимное помещение объекта чувствительные
элементы (АУ) емкостных средств образуют зоны
обнаружения.
Зона обнаружения ЕСО образуется за счет создания
вокруг изолированных проводников и металлических
элементов АУ объемного электрического поля.
Поскольку чувствительный элемент является
своеобразным конденсатором, то между его проводами,
а также между проводами и землей существует
электрическое поле.
нарушитель, попадающий в пространство между
электродами изменяет электрическое поле (его
структуру), что в конечном счете вызывает изменение
электрической емкости ЧЭ.
Преобразователем изменения емкости ЧЭ в первичный
электрический сигнал является мостовой
трансформаторный преобразователь (МТП).
Этот преобразователь предусматривает подключение к
плечам двух одинаковых флангов ЧЭ.
Подход нарушителя к одному из них равнозначен
внесению емкости ... в плечо моста, что нарушает его
баланс, так как изменяется величина тока I1 или I2 в плечах
моста. В результате на выходе первичного
преобразователя возникает первичный сигнал.

В отличие от нарушителя природно-климатические
факторы действуют одинаково на оба плеча ЧЭ поэтому
изменения токов в плечах моста происходят синхронно,
баланс моста не нарушается и Э.Д.С на выходе моста не
возникает. Таким образом, неинформативные изменения
проводимостей вызванные природными факторами не
приводят к возникновению помех, что является важным
достоинством мостового трансформаторного
преобразователя. Необходимо только обеспечить
симметричность флангов антенных устройств по всем
конструктивным размерам при их сооружении.

Учебный вопрос №2
 Помехи,
ЕСО.
воздействующие на
Помехи
метеорологические
электрические
аппаратурные
Природно-климатические помехи
вызываются следующими факторами:
изменениями параметров окружающего
воздуха (влажности, давления и
температуры);

осадками (дождь, снег, иней);

ветром;

растительным покровом (трава,
деревья, кустарник и т.п.);

грозовыми разрядами.

Изменения параметров окружающего воздуха сопровождаются изменением
диэлектрической проницаемости воздуха. Диапазон этих изменений
сравнительно невелик и редко превышает 1,5 - 2 %.
Скорость таких изменений достаточно низкая. Поэтому спектр наводимых
помех лежит в пределах 10-5 - 10-2 Гц.
Как правило, эти факторы не вызывают ложных срабатываний. Тем не
менее, они могут послужить причиной снижения чувствительности ЕСО.
Воздействие осадков в виде дождя.
Сами по себе капли дождя ложных срабатываний не вызывают. Однако, в
начале возникновения дождя резко изменяются значения реактивной и активной
составляющих сопротивления чувствительного элемента. Например,
экспериментально установлено, что намокание до этого сухих деревянных опор
дает приращение емкости в несколько десятков пикофарад в течение
нескольких минут.
Скорость изменения лежит в пределах 1 - 2 пФ/с.
Ливень может привести к изменению емкости чувствительного элемента до
нескольких сотен пикофарад.
Скорость изменений лежит в этом случае в пределах до 10п ф/с, т.е. почти
на порядок выше, чем при обыкновенном дожде.
Поэтому начало дождя и особенно ливня в принципе могут быть причиной
ложных срабатываний. Частотный спектр помех от дождя лежит в пределах 10-1
- 10 Гц.
Воздействие снега.
Снегопад существенного влияния на чувствительный элемент не оказывает.
Частотный спектр помех при этом лежит в пределах 10-3 - 10-1 Гц.
Снежный покров зимой также не оказывает существенного влияния. Однако
весной (реже осенью) при плюсовых температурах происходят разломы наста.
Это вызывает колебания проводов линейной части. Еще сильнее возникает
помеха в том случае, когда нижние провода вырываются из снега, ранее
осевшего и натянувшего при этом нижние провода. Поэтому нужно
своевременно очищать нижнюю часть антенных устройств ЕСО от снега.
Воздействие ветра и растительного покрова.
Если расстояние между опорами антенного устройства не превышает 6 м,
то помех от ветра , как правило, не возникает. Это объясняется тем, что
провода чувствительного элемента под воздействием ветра колеблются с
частотой существенно более высокой, чем частотный спектр полезного
сигнала. Однако, при наличии растительности возможны помехи, вызванные ее
ветровыми колебаниями. Так, например, касание полотна веткой дерева и даже
одним листом дает мгновенное приращение от 15 пФ.
Ветки деревьев, колеблемые ветром, наводят помехи в частотном спектре
10-1 - 102 Гц.
Касание провода чувствительного элемента стеблем травы вызывает
приращение емкости от 7 до 30 пФ.
Поэтому наличие растительного покрова вблизи полотна чувствительного
элемента недопустимо.
Электрические помехи.
Наиболее мощными источниками электрических помех являются
следующие:
а) линии электропередач (ЛЭП), проходящие параллельно
запретной зоне, т.е. параллельно проводам ЧЭ и соединительным
линиям. Гармоники переменного тока лежат в пределах 102 - 105 Гц.
Коронирующие разряды вызывают помехи в пределах до 106 Гц;
б) контактные провода электрифицированных дорог. Спектр
наводок от проходящих локомотивов (электровозов) лежит в пределах
102 - 107 Гц;
в) сварочные агрегаты дают спектр наводок в пределах 105 106 Гц.
Все перечисленные источники наводят в основном импульсные
помехи, в моменты коммутации силовых цепей.
АППАРАТУРНЫЕ ПОМЕХИ
внутренние тепловые шумы;
 изменение напряжения питания;
 дрейф параметров
электрорадиоэлементов.

Учебный вопрос №3
 Методы
выделения сигналов и
ослабления помех в ЕСО.
методы повышения помехоустойчивости
методы оптимального
построения зоны обнаружения
Способы размещения
чувствительных элементов, их
включения с учетом конфигурации
и конструктивных особенностей
(конфигурационные методы).
методы оптимизации обработки
сигнала
в самом тракте сигнализатора
Схемные (радиотехнические) методы
борьбы с помехами, связанные со
способом оптимальной фильтрации
сигнала, селекции его
информативных признаков,
выделения и обнаружения сигнала.
методы оптимизации построения зоны
обнаружения сигнализаторов можно
условно разбить на две подгруппы:
 первая из них включает в себя
способы увеличения информативности
сигнала (увеличение его амплитуды,
длительности и придания ему характерных
особенностей);
 вторая – способы компенсации и
подавления помех (балансное включение
антенн и чувствительных элементов,
ограничение зоны обнаружения и т.д.).
Способы, приводящие к увеличению
амплитуды сигнала
Суть этих способов – правильный выбор
конструкции, конфигурации и размещения
чувствительных элементов. Чем больше
"разветвленность" чувствительных элементов в зоне
обнаружения, чем ближе к ним приближается
нарушитель, тем больше амплитуда сигнала.
Методы оптимизации построения зоны обнаружения
включают в себя различные способы компенсации и
подавления помех. Они подразделяются на
 методы компенсации,
 ограничения размеров зоны обнаружения
 метод охранного электрода - специфический
метод, нашедший широкое применение в
емкостных системах.
Метод компенсации

чувствительный элемент разбивается
на несколько частей таким образом, что
помехи, возникающие в зоне
обнаружения или вне ее, действуют
одновременно на различные части
чувствительного элемента, которые
включаются так, чтобы максимально
ослабить результирующий эффект их
воздействия.
балансное (фланговое для периметровых средств) включение
антенных устройств
АУ2
АУ1
МТП
Мостовой трансформаторный
преобразователь (МТП)
На схему устройства обработки
сигналов "РАДИАН-М"
балансного подключения четного количества однотипных
объектов охраны (например, сейфов) при их однорядном
размещении
1
3
2
4
АУ2
АУ1
МТП
На схему обработки
сигналов "РОМБ"
1
2
3
4
АУ1
МТП
На схему
обработки
сигналов
"РОМБ"
АУ2
5
6
7
8
Фланговое (балансное) включение емкостных антенных устройств
(АУ): металлических сейфов при 2-х рядном размещении.
1
3
2
4
АУ2
АУ1
МТП
На схему
обработки
сигналов
"РОМБ"
Схема подключения "холостого" объекта охраны при нечетном
количестве предметов блокировки.
Верхняя часть АУ
Верхняя часть АУ
ЛФ
ПФ
Нижняя часть антенного
устройства (АУ)
Нижняя часть антенного
устройства (АУ)
Левый фланг (ЛФ)
Правый фланг (ПФ)
МТП
На схему обработки
сигналов "РАДИАН-М"
Компенсационное включение антенных устройств при
вертикальном разделении АУ
Более полная компенсация помех достигается при вертикальном разделении
антенных устройств.
При этом антенны емкостных СО разделяются по высоте на две части,
причем верхняя часть антенного устройства одного фланга включается в
одно плечо с нижней частью другого фланга, и наоборот
Метод ограничения зоны обнаружения


Суть метода заключается в изоляции зоны
обнаружения таким образом, чтобы
воздействия за ее пределами не вызывали
реакции чувствительного элемента,
применяют экранирование помещений или
отдельных частей с помощью металлизации
ограничивающих поверхностей путем
прокладки металлической сетки, фольги,
проводящей краски и т.д.
Способ применяется для устранения
"чувствительности" емкостных средств
обнаружения к перемещению людей в
соседнем, не охраняемом помещении при
тонких некапитальных стенах
Металлический экран
Коридор
1
3
2
4
АУ2
АУ1
МТП
На схему обработки
сигналов "РОМБ"
Метод "охранного электрода"


Суть метода заключается в том, что между
изолированной от земли частью антенного
устройства, которое закрепляется с помощью
изоляторов, и самим изолятором устанавливается
проводящий экран (охранный электрод),
выполненный в виде кольца, обруча, пластины,
диаметральные размеры которых превышают
размеры изоляторов.
Конструктивно охранный электрод (ОЭ) по
отношению к изолятору выполняется и закрепляется
таким образом, чтобы он был максимально
подвержен воздействию осадков, благодаря этому
влага будет стекать на землю минуя изолятор. Таким
образом, охранный электрод как бы предохраняет
основной изолятор антенного полотна от попадания
на него осадков – отсюда название "охранный".
а
б
АУ
АУ
А1
L1
L2
А2
●
●
●
R1
R1
UA
RУ
ОЭ
●
●
R1
CA2
●
CA1
●
UГ
UГ
~
ОЭ
UГ
●
●
R2
●
●
~
R2
●
UA
R1
●
●
●
●
R2
●
●
Схема подключения охранного электрода в антенное устройство
«РАДИАН»:
а- физическая сущность метода; б- упрощенная схема измерительного
моста с охранным электродом.
сопротивление утечки Rу между антенным полотном и землей
разделяется на два сопротивления R1 и R2 (рис.а).
На ОЭ подается напряжение от того же генератора, который питает
мостовой трансформаторный преобразователь (измерительный мост).
Поэтому антенное полотно и ОЭ оказываются под одним и тем же
потенциалом, вследствие чего изменение сопротивления антенного
полотна относительно ОЭ (R1) не вызывает протекания тока по
сопротивлению утечки (Ry) и не вызывает разбаланса измерительного
моста (рис. а). Шунтирование ОЭ на землю (R2) также не вызывает
разбаланса моста, т.к. он зашунтирован низким выходным сопротивлением
генератора (R2 >> Rг).
Из схемы измерительного моста с охранным электродом (рис. б)
следует, что влияние сопротивления R1 на разбаланс моста сведено к
минимуму, поскольку из-за малого сопротивления обмотки измерительного
трансформатора оно подключено между точками с равным потенциалом.
Сопротивление R2 шунтировано малым сопротивлением генератора и
пока сохраняется неравенство R2 >> Rг его влияние на разбаланс моста
исчезающе мало.
Таким образом, использование охранного электрода в точках подвеса
антенного устройства (АУ) к изоляторам позволяет практически избавиться
от влияния изменений сопротивления утечки на баланс моста.