устройство для охранной сигнализации

Формула изобретения

Устройство для охранной сигнализации, содержащее чувствительный элемент, выполненный в виде многовитковой петли, многопроводного кабеля, содержащего экранирующий проводник, который соединен с шиной нулевого потенциала, начало и конец внутренних проводников многовитковой петли подключены к входам дифференциального усилителя, усилитель заряда, выход которого подключен к входу первого полосового фильтра, выход которого подключен к входу первого порогового элемента, выход которого подключен к первому входу элемента совпадения, второй полосовой фильтр, второй пороговый элемент, выход которого подключен к второму входу элемента совпадения, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и помехозащищенности устройства, в чувствительный элемент введен наружный проводник, соединенный концентрично с внутренним проводником, на наружный проводник намотан полимерный шнур в виде многовитковой спирали, на котором концентрично расположен преобразователь механических колебаний в электрический заряд, выполненный в виде полиэтилентерефталатной, электретной или пьезокомпозиционной пленки, который концентрично соединен с экранирующим проводником, закрытым сверху герметичной оболочкой, наружный проводник соединен с входом усилителя заряда, выход дифференциального усилителя подключен к входу второго полосового фильтра, выход которого соединен с входом второго порогового элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике охранной сигнализации и может быть использовано для обнаружения проникновения на контролируемую территорию или в помещение нарушителя, несущего с собой магнитные предметы и вызывающего колебания грунта.

Известно устройство охранной сигнализации магнитно-трибоэлектрического типа (патент США N 3967262, кл. НКИ 340-258, МКИ G 08 B 13/26, 1976 г.), предназначенное для генерации сигнала тревоги при появлении ферромагнитного предмета в охраняемой зоне, при обнаружении давления на грунт или колебания грунта, а также при наличии комбинации обоих факторов.

Это устройство содержит чувствительный элемент, выполненный в виде одновитковой петли экранированного кабеля, каналы формирования магнитометрического и трибоэлектрического сигналов и блок совпадения. Канал магнитометрического сигнала содержит входной повышающий трансформатор и последовательно соединенные с ним полосовой фильтр и пороговый элемент. Начало и конец провода кабеля соединены вместе и подключены к входу усилителя напряжения трибоэлектрического канала. Экран петли кабеля своим началом и концом подключен к первичной обмотке входного повышающего трансформатора магнитометрического канала. Выходы пороговых элементов обоих каналов подключены к входам блока совпадения. Последний выполняет логическую операцию И и генерирует сигнал тревоги при появлении сигналов на обоих входах блока совпадения.

Недостатком этого устройства является его низкая помехозащищенность. Это связано с тем, что обработка сигналов с трибоэлектрического чувствительного элемента, используемого в качестве сейсмопреобразователя, ведется в полосе по пороговому принципу. При этом не учитывается ни форма сигналов, ни частота следования сигналов, ни их длительность. Таким образом, сигнал, вызванный человеком, идущим через рубеж и, например, помеха от близко работающего ударного механизма, генерирующая в ЧЭ сигнал такой же амплитуды, воспринимаются устройством одинаково и это приводит к частым ложным срабатываниям трибоэлектрического канала при проезде автотранспорта вдоль рубежа, при проходе животных вдоль и поперек рубежа. В канале магнитометрического сигнала оценка сигнала ведется тоже по простому превышению порога, также не учитывается ни форма, ни длительность сигнала. Кроме этого, принятие решения о выдаче сигнала тревоги производится по простому совпадению во времени магнитного и сейсмического сигналов без применения временного анализа предыстории этого совпадения и подтверждения наличия магнитометрического сигнала, например, со второй петли, отнесенной от первой на определенное расстояние. В описанном же устройстве имеется большая вероятность срабатывания и от мощных электромагнитных помех, вызывающих появление одновременных наводок в обоих каналах устройства.

Большим уровням наводок способствует и другая особенность устройства, а именно то, что экран кабеля является электродом, с которого снимается магнитометрический сигнал. Этот электрод сам электрически не экранирован и поэтому подвержен наводкам со стороны внешних электрических полей. Кроме того, экран не имеет соединения с шиной нулевого потенциала, следовательно, он плохо экранирует провод кабеля, являющийся электродом, с которого снимается трибоэлектрический сейсмический сигнал.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство для охранной сигнализации (авт. св. N 158511, кл. G 08 B 13/26, 1981), представляющее собой комбинацию магнитометрического и сейсмического средств охраны.

Устройство содержит датчик в виде многовитковой петли, выполненной из многожильного экранированного кабеля, причем начало петли соединено с одним из входов дифференцального усилителя, конец петли - с другим входом дифференциального усилителя (ДУ), средняя точка петли подключена ко входу усилителя заряда, экран кабеля соединен с шиной нулевого потенциала, выход усилителя заряда через усилитель напряжения, первый полосовой фильтр, первый пороговый элемент подключен к одному из входов элемента совпадений, к другому входу которого через второй полосовой фильтр, второй пороговый элемент подключен выход ДУ, а выход элемента совпадений является выходом устройства. При появлении сигналов в обоих каналах, элемент совпадений генерирует сигнал тревоги, выполняя при этом функцию элемента И.

Недостатками данного устройства являются:

во-первых, низкая чувствительность по сейсмоканалу, вызванная тем, что велика емкость датчика (Cд) из-за близкого расположения проводников кабеля (внутренних жил и экрана), обладающего эффектом контактной электризации. В случае применения усилителя заряда в качестве преобразователя заряда в напряжение чувствительность определяется как отношение полезного сигнала (И_вых.с) к величине аппаратурного шума (И_вых.ш) на выходе усилителя заряда и равна



где

q - заряд, генерируемый в кабельном датчике в результате сейсмического воздействия на него;

C_ос - емкость обратной связи в цепи усилителя заряда;

C_д - емкость кабельного датчика;

U_ш - величина аппаратурного шума, приведенная ко входу усилителя заряда.

Из формулы очевидно, что чувствительность датчика по сейсмоканалу обратно пропорциональна его емкости;

во-вторых, низкая помехозащищенность канала обработки, в котором сигнал тревоги выдается при совпадении магнитного и сейсмосигналов, вызванная использованием в качестве съемных электродов кабельного датчика одних и тех же проводников кабеля, точнее использование в качестве основного электрода центральных жил, которые являются общим электродом при регистрации магнитного и сейсмосигнала. В этом случае при возникновении только магнитного или только сейсмосигнала, из-за недостаточной компенсации того или другого, либо за счет резкого отличия в уровнях сигналов (сейсмосигналы по уровню в отдельных случаях на 3 - 4 порядка превышают магнитные сигналы) происходит проникновение этих сигналов в другой канал и устройство выдает сигнал тревоги. Так как срабатывание в данном случае все-таки происходит из-за наличия только одного из сигналов (магнитного или сейсмического), то в данном случае уместно говорить о снижении общей помехозащищенности устройства.

Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности и помехозащищенности устройства.

Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее последовательно соединенные усилитель заряда, первый полосовой фильтр, первый пороговый элемент, выход которого подключен к одному входу элемента совпадений, начало и конец многовитковой петли соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого через второй полосовой фильтр, второй пороговый элемент подключен к другому входу элемента совпадений, введен комбинированный кабельный датчик в виде многовитковой петли, выполненной в виде многожильного кабеля, содержащего несколько проводников, поверх которых наложен наружный проводник, на который наложен разделительный кордель, поверх которого наложен рабочий слой из материала, обладающего способностью образовывать заряды при механических воздействиях, на который наложен экранирующий проводник, закрытый сверху герметичной оболочкой, причем экранирующий проводник соединен с шиной нулевого потенциала, наружный проводник - с входом усилителя заряда.

Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается новым конструктивным выполнением комбинированного кабельного датчика и новыми связями между элементами комбинированного кабельного датчика и другими элементами устройства. Следовательно, предложенное решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие предложенное решение от прототипа, что дает возможность сделать вывод о соответствии критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2-эквивалентная схема комбинированного кабельного датчика.

1 - внутренние проводники с полиэтиленовой изоляцией; 2 - наружный проводник, выполненный, например, из алюминиевой фольги, охватывающей все внутренние проводники; 3 - разделительный кордель, выполненный в виде многовитковой спирали из полимерного шнура, намотанного на наружный проводник с определенным шагом, величина которого определяется экспериментально в соответствии с диаметром шнура и требуемой емкостью чувствительного элемента устройства; 4 - рабочий слой, выполненный из материала, обладающего способностью образовывать электрические заряды при сейсмических воздействиях, в качестве которого могут использоваться полиэтилентерефталатные, электретные или пьезокомпозиционные пленки; рабочий слой может быть выполнен, например, из ленты, наложенной поверх корделя; 5 - экранирующий проводник, выполненный, например, из алюминиевой фольги, наложенной поверх рабочего слоя; 6 - герметичная оболочка, выполненная, например, из полиэтилена, наложенная поверх экранирующего проводника; 7 - начало петли кабельного датчика; 8 - конец петли кабельного датчика; 9 - усилитель заряда, выполненный, например, на основе операционного усилителя 140УД14; 10 - дифференциальный усилитель; 11, 12 - полосовые фильтры, выполненные в виде последовательно соединенных фильтров нижних и верхних частот; 13, 14 - пороговые элементы, порог срабатывания которых определяется исходя из минимального уровня сигнала от предполагаемого нарушителя; 15 - элемент совпадения, вырабатывающий сигнал тревоги при наличии сигналов с выходов обоих пороговых элементов, выполненный, например, на основе элемента И.

Предлагаемое устройство имеет комбинированный кабельный датчик, выполненный в виде кабеля, содержащего несколько изолированных внутренних проводников 1, охваченных наружным проводником 2, который помещен внутри экранирующего проводника 5. Между экранирующим проводником 5 и наружным проводником 2 расположен рабочий слой 4 из материала, способного преобразовывать механические колебания в электрический заряд, и разделительный кордель 3. Экранирующий проводник 5 кабеля подсоединен к шине нулевого потенциала. Наружный проводник 2 подключен к входу усилителя заряда 9. Выход усилителя заряда 9 через последовательно соединенные полосовой фильтр 11 и пороговый элемент 13 подключен к одному входу элемента совпадений 15.

Многовитковая петля комбинированного кабельного датчика образована последовательным соединением всех внутренних проводников, для чего конец предыдущего проводника соединен с началом последующего, конец которого - с началом следующего за ним, и так далее, причем начало петли 7 и конец петли 8 подключены к входам дифференциального усилителя 10. Выход дифференциального усилителя 10 через последовательно соединенные полосовой фильтр 12 и пороговый элемент 14 подключен к другому входу элемента совпадений 15, выход которого является выходом устройства в целом.

Комбинированный кабельный датчик прокладывается по периметру охраняемой территории в виде петли в траншеях, причем расстояние между траншеями и их конфигурация задаются строго определенно, например, в виде прямоугольника шириной в 1 м и длиной, определяемой протяженностью охраняемой территории.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При отсутствии сигналов с комбинированного кабельного датчика на выходах пороговых элементов 13 и 14 сигналы также отсутствуют и на выходе элемента совпадений 15 установлен потенциал логического нуля, соответствующий отсутствию срабатывания устройства в целом.

Нарушить, имеющий при себе ферромагнитный предмет, проходя через охраняемый рубеж, вызывает появление сигналов в обоих каналах устройства. Передвигаясь с ферромагнитным предметом в магнитном поле Земли, он изменяет магнитный поток через многовитковую петлю. В результате электромагнитной индукции в магнитной петле наводится электродвижущая сила, которая приложена к входам дифференциального усилителя 10. Одновременно перемещение нарушителя вызывает сейсмические колебания грунта и распространение в нем волны давления. Воздействие этих колебаний вызывает местную деформацию кабеля и связанное с этими относительное перемещение в нем всех проводников, изоляции и рабочего слоя 4. В результате контактной электризации полимера (рабочего слоя 4) металлом (экранирующим проводником 5) на проводниках кабеля наводятся электрические заряды. С наружного проводника 2 электрические заряды поступают на выход усилителя заряда 9. Усилитель заряда 9 производит преобразование электрического заряда в электрическое напряжение. Полосовой фильтр 11 является широкополосным ( f 0,1 - 100 Гц), поскольку при изменении климатических сезонных условий (например, переход с летних погодных условий на зимние) происходит смещение частотного спектра сигналов в более высокочастотную область. С выхода полосового фильтра 11 полезный сигнал поступает на вход порогового элемента 13. Если амплитуда сигнала превышает порог срабатывания порогового элемента 13, то на его выходе появляется импульс сигнала, который поступает на один из выходов элемента совпадений 15. С помощью дифференциального усилителя 10 происходит съем сигналов с магнитной петли комбинированного кабельного датчика и производится их усиление по напряжению. Магнитометрический сигнал с выхода дифференциального усилителя 10 поступает на вход полосового фильтра 12, где выделяется активная часть спектра сигналов в полосе частот f = 0,1 - 1 Гц и отфильтровывается помеха, после чего аналоговый сигнал поступает на вход порогового элемента 14. В случае превышения порога срабатывания на выходе порогового элемента 14 формируется импульс сигнала, который поступает на другой вход элемента совпадений 15. При одновременном наличии импульсов сигналов на обоих входах элемента совпадения 15 на его выходе появляется сигнал срабатывания, сигнализирующий о срабатывании всего устройства в целом.

Передвижение через охраняемый рубеж животных или человека, не имеющего при себе ферромагнитной массы, будет вызывать появление сигналов только в одном из каналов устройства, а именно в сейсмическом. Но эти сигналы не приведут к срабатыванию устройства в целом, т.к. при этом будут отсутствовать магнитометрические сигналы и на второй вход элемента совпадений 15 не поступит импульс сигнала. Таким образом, простой алгоритм обработки сигналов, поступающих с комбинированного кабельного датчика, позволяет значительно повысить помехозащищенность устройства, т.к. проходы любых животных из-за отсутствия магнитной массы не будет регистрироваться устройством. В то же время снижения характеристик обнаружения не произойдет, т.к. маловероятно, что у нарушителя при пересечении охраняемого рубежа не окажется ферромагнитного предмета.

Конструкция заявляемого комбинированного датчика, приведенная на фиг. 1, при соответствующем подключении его к преобразователю позволяет повысить чувствительность устройства. Зазор между наружная 2 и экранирующим 5 проводниками частично заполнен полимерным (например, полиэтиленовым) разделительным корделем 3 и рабочим слоем 4, например полиэтилентерефталатной пленкой. Таким образом, диэлектрический слой между электродами, с которых производится съем электрического заряда в данном устройстве, представляет собой комбинацию трех компонентов: воздуха, полиэтилена и полиэтилентерефталата. Эквивалентная диэлектрическая проницаемость такого слоя _экв. 1,6 - 1,7 и емкость между электродами в этом случае Cд 300^нФ/км. (для сравнения емкость серийно выпускаемого кабеля ИПП 100х2х0,5, используемого в прототипе, Cд 800^нФ/км). Анализируя формулу (I), нетрудно сделать вывод, что предлагаемое устройство имеет чувствительность, приблизительно в 3 раза выше, чем в прототипе, при одинаковом аппаратурном шуме U_ш входного каскада и одинаковом заряде, генерируемом комбинированным кабельным датчиком.

Съем сейсмических сигналов с наружного 2 и экранирующего 5 проводников в предлагаемом устройстве позволяет также повысить помехозащищенность канала обработки.

Эквивалентная схема подключения комбинированного кабельного датчика приведена на фиг. 2, где:

U_с - напряжение на выходе эквивалентного генератора сейсмического сигнала;

U_м - напряжение на выходе эквивалентного генератора магнитометрического сигнала;

C_р - рабочая емкость между наружным и экранирующим проводниками комбинированного кабельного датчика;

C - паразитная емкость связи между наружным и внутренними проводниками комбинированного кабельного датчика;

R_вх.с - входное сопротивление усилителя заряда;

R_вх.м. - входное сопротивление дифференциального усилителя;

R_с - реактивное сопротивление паразитной емкости связи C.

Повышение помехозащищенности достигается тем, что в предлагаемом устройстве сейсмические сигналы, возникающие в комбинированном кабельном датчике, могут проникнуть в магнитный канал только через паразитную емкость связи C между внутренними жилами и наружным проводником. Эта паразитная емкость представляет собой дополнительное сопротивление (R_с) по переменному току для сигналов, что соответствует гальванической развязке сейсмического и магнитометрического каналов.

В прототипе рабочей емкостью является емкость между наружным проводником и внутренними жилами, что соответствует отсутствию конденсатора C (на фиг. 2 показано штрих-пунктиром) и в результате сейсмический сигнал одинакового поступает как в сейсмический, так и в магнитный канал, т.е. происходит деление по току на два равных плеча, сто служит основной причиной большого количества ложных срабатываний от животных, работающих недалеко от рубежа промышленных установок, проезда транспорта вне рубежа.

В предлагаемом устройстве за счет гальванической развязки симметричного деления сейсмических сигналов не происходит, т.к. по входной цепи магнитного канала реактивное сопротивление паразитной емкости R_c в диапазоне рабочих частот магнитометра играет роль шунтирующего резистора. Так, например, на верхней граничной частоте рабочего диапазона магнитного канала f = 1 Гц реактивное сопротивление паразитной емкости связи C = 40 ^нФ/км равно 4 МОм. На нижней граничной частоте f = 0,1 Гц величина R_c составляет порядка 40 МОм. Входное сопротивление дифференциального усилителя не превышает в реальных устройствах 10 кОм. Это означает, что сейсмическая составляющая полезного сигнала, возникающая за счет контактной электризации на входе магнитометрического канала, будет ослаблена в 400 и более раз (отношение R_c/R_вх.м), что практически исключает возможность срабатывания магнитного канала из-за прорезания на его вход сейсмических сигналов, возникающих при движении животных или при воздействии мощных сейсмических помех, чем и достигается повышение помехозащищенности устройства в целом.

Таким образом, введение в заявляемое устройство комбинированного кабельного датчика в виде многовитковой петли, выполненной в виде многожильного кабеля, содержащего несколько проводников, поверх которых наложен наружный проводник, на который наложен разделительный кордель, поверх которого наложен рабочий слой из материала, обладающего способностью образовывать заряды при механических воздействиях, на который наложен экранирующий проводник, закрытый сверху герметичной оболочной с соответствующими связями, позволяет повысить чувствительность и помехозащищенность устройства.