автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование приборов контроля охранной сигнализации на основе емкостного преобразователя с разветвлением токов в измерительной цепи

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РЕШЕНИЯ

1.1 Принципы построения емкостных преобразователей для приборов контроля охранной сигнализации

1ЛЛ Емкостные первичные преобразователи, работающие на синусоидальном напряжении питания

1Л.2 Емкостные первичные преобразователи с питанием прямоугольным напряжением

1.2 Основные проблемы, возникающие при использовании емкостных приборов контроля приближения в системах охранной сигнализации

1.3 Выбор и обоснование направления исследований

Выводы

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЕМКОСТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КОМПЕНСИРОВАННОЙ ЯС ЦЕПОЧКИ С ОТВЕТВЛЕНИЕМ ТОКА НА ИЗМЕРЯЕМУЮ ЕМКОСТЬ

2.1 Исследование возможности использования переходного процесса в системах измерения емкости

2.2 Разработка математической модели компенсационно-мостовой схемы для исследования технических характеристик емкостного преобразователя

2.2.1 Основные уравнения и допущения при расчете схемы емкостного преобразователя

2.2.2 Расчет чувствительности и термостабильности емкостного преобразователя

2.3 Многокритериальная оптимизация емкостного преобразователя

2.4 Исследование возможности применения времени задержки распространения логического элемента задающего генератора как информативного параметра в системах измерения емкости

2.5 Оценка метрологических характеристик коммутационного емкостного преобразователя с разветвлением токов в измерительной цепи

2.6 Описание программного обеспечения проектирования емкостных преобразователей

Выводы

3. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЕМКОСТНЫХ ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ.

3.1 Электронные методы повышения надежности емкостных приборов контроля приближения

3.2 Основные концепции разработки программного обеспечения систем охранной сигнализации для обработки сигналов емкостных преобразователей

3.3 Исследование взаимовлияния емкостных преобразователей, расположенных в непосредственной близости друг от друга

3.4 Синтез схем емкостных приборов контроля на основе проведенных исследований

Выводы

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ЕМКОСТНЫХ ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ И ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДО

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.

116

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 °С, 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 перенапряжения; применение 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 усилителя; синхронизированная 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.

118

1. Гриневич Ф.Б., Новик А.И. Измерительные компенсационно-мостовые устройства с емкостными датчиками. Киев: Наук, думка, 1987. 134 с.

2. Соловьев A.JI. Развитие компенсационно-мостовых методов построения измерительных преобразователей для емкостных и индуктивных датчиков // Приборы и системы управления. 1995. -№ 6. - С. 20-23.

3. Арбузов В.П. Измерительные цепи дифференциальных емкостных датчиков // Приборы и системы управления. 1998.- № 2. - С. 28-29.

4. Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. М.: Энергия, 1972. - 80 с.

5. Иванов И.В. Периметр первый рубеж охраны. Из опыта проектирования, монтажа и эксплуатации. // Системы безопасности. -1996. - № 1. - С. 23-32.

6. Рейне Ч.Д. 55 электронных схем сигнализации. М.: Энерго-атомиздат, 1991. - 110 с.

7. Шелестов И.П. Радиолюбителям: полезные схемы. Домашняя автоматика, охранные устройства, приставки к телефону, зарядные устройства и многое другое. М.: Солон, 1998. - 186 с.

8. Передельский Г.И. Мостовые измерительные схемы на импульсном питании. Томск, 1982. - 142 с.

9. Передельский Г.И. Мостовые цепи с импульсным питанием. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 192 с.

10. Ю.Виглеб, Г. Датчики: Пер. с нем. М.: Мир, 1989. - 196 с.119

11. П.Гриневич Ф.Б., Сурду М.Н. Высокоточные вариационные измерительные системы переменного тока. Киев: Наук, думка, 1989. - 192 с.

12. Прокунцев А.Ф., Колесников В.И. Переходные процессы в цифровых мостах переменного тока. М.: Энергия, 1978. - 112 с.

13. Новик А.И. Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока. Киев: Наук, думка, 1983. - 224 с.

14. Арутюнов К.Б. Развитие сенсорной техники (работы институтов Фраунгоферовского общества в Германии) // Приборы и системы управления. 1997.- № 2. - С. 54-55.

15. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 535 с.

16. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, 1981. - 110 с.

17. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов / Евтихеев H.H., Купершмидт Я.А., Папулов-ский В.Ф., Скугоров В.Н. Под ред. Евтихеева H.H. М.: Энер-гоатомиздат, 1990. - 352 с.

18. Бридли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 144 с.

19. Боднер В.А., Алферов A.B. Измерительные приборы (теория, расчет, проектирование): Учебник для вузов: В 2 т. М.: Изд-во стандартов, 1986.

20. Ацюковский В.А. Емкостные преобразователи перемещения. -М.: Энергия, 1966. 280 с.

21. Гаврилюк М.А., Соголовский Е.П. Электронные измерители CLR. Львов: Вища школа, 1978. -с. 104-109.120

22. Арбузов В.П. Измерительные цепи емкостных и индуктивных датчиков // Приборы и системы управления. 1996. - № 5. - С. 33-36.

23. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MathCAD 7.0 в математике, физике и в Internet. М.: Нолидж, 1999. - 352 с.

24. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1983. - 598 с.

25. Разевиг В.Д. Моделирование аналоговых электронных устройств на персональных ЭВМ. М.: МЭИ, 1991. - 162 с.

26. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: Раско, 1992. - 272 с.

27. Якунин А.Г., Авцинов В.Б. Емкостной преобразователь. Заявка на изобретение №200106270/09 (006337) от 13.03.2000г.

28. Тушев А.Н. Методы расчета активных фильтров в медицинских диагностических системах. Ддиссертация на соискание степени кандидата технических наук. Барнаул, 1997. - 109 с.

29. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Д.: Энергия, 1978. -262 с.

30. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов / Хромой Б.П., Кандинов A.B., Сенявский А.Л. и др.; Под ред. Хромого Б.П. М.: Радио и связь, 1986. -424 с.

31. Якунин А.Г., Авцинов В.Б. Пути повышения надежности емкостного датчика приближения охранной сигнализации. // Труды121сибирского отделения академии инженерных наук Российской Федерации. Барнаул, 2000. - С. 23-25.

32. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и реализация. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 592 с.

33. Ивченко В.Д. Отказоустойчивость свойство современных систем автоматического управления // Приборы и системы управления. -1997.- № 7. - С. 12-14.

34. Якунин А.Г., Авцинов В.Б., Чернов К.А. Микропроцессорные интеллектуальные устройства охранной сигнализации. // Материалы международной научно-технической конференции «ИКИ-2000». Барнаул, 2000.- С. 172-173.

35. AT90S2313, 8-bit AVR microcontroller with 2К bytes in-system programmable flash. Atmel Со.: 1999. - 87 p.

36. AT90S1200, 8-bit AVR microcontroller with 1K bytes in-system programmable flash. Atmel Со.: 1999. - 65 p.

37. Новиков Ю.В., Карпенко Д.Г. Аппаратура локальных сетей: функции, выбор, разработка. М.: Эком, 1998. - 288 с.

38. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М.: Эком, 1998. - 224 с.

39. Клюев А.С., Глазов Б.В., Миндин М.Б. Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля / Под ред. Клюева А.С. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 376 с.

40. Якунин А.Г., Авцинов В.Б., Билан В.В. Распределенные микромощные контрольно-измерительные устройства."8// Сборник те122зисов докладов научно-практической конференции "Наука городу Барнаулу". - Барнаул: изд-во АГУ, 1999. - С. 33.

41. Авцинов В.Б. Математическая модель датчика приближения охранной сигнализации. // Материалы первой краевой конференции "Математическое образование на Алтае". Барнаул, 2000. -С. 30.

42. Авцинов В.Б. Многокритериальная оптимизация параметров емкостного датчика охранной сигнализации на основе его математической модели. // «Студенты и аспиранты малому наукоемкому бизнесу». Труды слета 31 мая 3 июня 2000 г. - Барнаул, 2000. - С. 12-17.

43. Авцинов В.Б. Датчик приближения на коммутационном компенсационно-мостовом емкостном преобразователе. // Материалы международной научно-технической конференции «ИКИ-2000». Барнаул, 2000. - С. 152.

44. Якунин А.Г., Авцинов В.Б. Приборы контроля на основе емкостных преобразователей и их применение в охранной сигнализации. // Учебное пособие для студентов специальности "Информационно-измерительная техника". Барнаул, 2000. 34 с.125

45. Начальник научно-исследовател1сектора1. Лихачева Л.Н.

46. Настоящей справкой подтверждаю, что система охранной сигнализации "ЭЦСК-1/15*' была установлена в 1998 году, в состав которой входят 2 емкостных прибора контроля приближения, являющиеся результатом диссертационной работы Авцпнова

47. Установленные емкостные адресные приборы контроля работают в составе данной системы, установленной на строящемся доме/ Приборы не. выдавали ложных срабатываний даже при1. ЩЙКб^ подсоединены.