автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование приборов контроляохранной сигнализации на основе емкостногопреобразователя с разветвлением токов визмерительной цепи

На правах рукописи

РГВ ОД

Авцинов Владимир Борисович

Разработка и исследование приборов контроля охранной сигнализации на основе емкостного преобразователя с разветвлением токов в измерительной цепи

Специальность: 05.11.13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации ¡¡а соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 2000

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Якунин. А.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Горбов М.М.;

кандидат технических наук, доцент Шатохин A.C.

Ведущая организация: ОАО "Барнаульское опытно-конструкторское бюро автоматики"

4

Защита состоится " декабря 2000 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета К 064.29.01, действующего при Алтайском государственном техническом университете им, И.И. Ползунова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.

Ваш отзыв в 1 экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу. 656099, г. Барнаул, пр-т Ленина 46.

Автореферат разослан "_ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

¿т.м-Ы'О/, о

гМб'-ОМ.-М-а/. о

Тищенко А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

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 измерительных 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 измерительные 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.

Целью работы является улучшение надежности и функциональных характеристик приборов контроля на основе емкостных измерительных преобразователей путем разработки новых принципов выделения информационной составляющей регистрируемых сигналов, нахождения оптимальных схемотехнических решений, а также совершенствования методов обработки сигналов.

Поставленная цель достигалась решением следующих основных задач:

1. Разработка методов выделения информационной составляющей регистрируемых сигналов, основанных на оценке параметров переходного процесса в схеме коммутационного емкостного измерительного преобразователя с разветвлением токов измерительной цепи.

2. Разработка для предложенных методов математической модели емкостного измерительного преобразователя, построенного по коммутационно-мостовой схеме и исследование с использованием этой модели

* его основных характеристик.

3. Определение оптимального схемотехнического решения построения емкостного измерительного преобразователя и разработка методов его расчета и проектирования.

4. Разработка программно-аппаратных методов повышения надежности емкостных приборов контроля, используемых в системах охранной сигнализации.

5. Практическая реализация разработанных методов и схемотехнических решений при построении приборов контроля для охранной сигнализации.

Научная новизна.

Решение поставленных задач определило новизну данной диссертационной работы, которая заключается в следующем:

1. Предложены новые принципы построения используемых в приборах контроля емкостных измерительных преобразователей, основанные на применении коммутационно-мостовой схемы с разветвлением токов в измерительной цепи, а также на выделении и преобразовании сигнала путем измерения информативных параметров переходного процесса.

2. Создана математическая модель емкостного измерительного преобразователя, реализующего предложенные методы измерения, и исследованы характеристики данного преобразователя в широком диапазоне влияющих величин.

3. Впервые предложена методика проектирования емкостных измерительных преобразователей с учетом конкретных условий работы прибора контроля и основанная на принципах многокритериальной оптимизации.

4. Предложены схемотехнические и алгоритмические методы повышения надежности емкостных приборов контроля, предназначенных для охранной сигнализации.

Методика исследований.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, которые могли способствовать решению поставленных задач. Исследования проводились путем построения математических моделей, допускающих аналитическое или численное решение, а также алгоритмических моделей. При разработке использовались математические методы многокритериальной оптимизации, численные методы аппроксимации функций и адаптивного решения дифференциальных уравнений. На всех этапах работы производилось сопоставление теоретических и экспериментальных результатов. Практическая ценность.

Емкостные приборы контроля, построенные на основе новых принципов выделения информационной компоненты переходного процесса в

коммутационно-мостовой схеме с разветвлением токов в измерительной цепи измерительного преобразователя, позволяют проводить контроль при возможном наличии активного сопротивления, параллельного рабочей емкости первичного преобразователя, значительно подавляя его влияние на выходные параметры прибора. Разработанные приборы контроля для систем охранной сигнализации характеризуются более стабильной работой в широком диапазоне температур, имеют улучшенную систему шумоподавления при значительно сниженном энергопотреблении и массо-габаритных параметрах. Практическая ценность заключается еще и в том, что предложенные методы выделения информационной составляющей сигнала емкостного измерительного преобразователя, а также методики расчета и проектирования приборов контроля приближения могут быть использованы не только для построения приборов охранной сигнализации, но и в других областях, в частности, в области контроля расхода сыпучих веществ.

Реализация научно-техннческих результатов.

В результате проведенных исследований было разработано и внедрено несколько типов емкостных приборов контроля приближения, которые входили в состав следующих систем охранной сигнализации: ЭЦСК-1/15, Сарбиагс! МА.ОтБ, СарСиагс! МАШОБ, СарСиагс! АТБ.ОЮЗ, Сарбиагс! АТ5.С)208. В различных учреждениях Алтайского края работают 9 таких систем и в 7 из них используются емкостные приборы контроля приближения.

На реализацию проекта «Многокритериальная оптимизация параметров емкостного датчика охранной сигнализации на основе его математической модели» в 2000 году был получен Ползуновский грант, а сам проект удостоен медали организаторов конкурса грантов, в число которых входило Министерство образования Российской Федерации. Основные защищаемые положения.

1. Принципы построения емкостных измерительных преобразователей, основанные на применении коммутационно-мостовой схемы с разветвлением токов в измерительной цепи, а также на выделении и преобразовании сигнала путем измерения информативных параметров переходного процесса.

2. Принцип построения емкостных измерительных преобразователей, основанный на преобразовании величины емкости в длительность времени задержки прямоугольного сигнала компенсационной НС цепочки коммутационно-мостового преобразователя.

3. Методы расчета и проектирования емкостных измерительных преобразователей приборов контроля, основанные на многокритериальной оптимизации путем построения парето-оптимальных множеств.

4. Пути повышения надежности емкостных приборов контроля приближения, используемых в системах охранной сигнализации.

Публикации.

По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 9 печатных работ. Апробация работы.

Материалы работы обсуждались в центре «Медицина и электроника», на семинарах кафедры ИИТ, а также на следующих конференциях: научно-практической конференции "Наука - городу Барнаулу", Барнаул 1999 г.; Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", Нижний Новгород, 2000 г.; Всероссийской научной конференции "Методы и средства измерений", Нижний Новгород, 2000 г.; первой краевой конференции "Математическое образование на Алтае", Барнаул, 2000 г.; Всероссийском слете «Студенты и аспиранты малому наукоемкому бизнесу», Барнаул, 2000 г.; Международной научно-технической конференции «ИКИ-2000», Барнаул, 2000 г. Структура н объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 4 таблицы, список литературы из 48 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, научная и практическая значимость проблемы, сформулированы цель работы и ее научная новизна, приведена краткая характеристика работы.

В первой главе диссертации описаны и проанализированы схемотехнические методы построения емкостных измерительных преобразователей, работающих на синусоидальном и прямоугольном напряжении питания для приборов бесконтактного контроля с заземленным электродом. Детально обоснованы основные проблемы, возникающие при использова-Ш1И 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 измерительного преобразователя на основе компенсированной КС цепочки, который использует для работы переходный процесс. Предложен алгоритм построения его математической модели. На основе полученной ма-

тематической модели исследована временная область максимальной чувствительности и термостабильности емкостного измерительного преобразователя. Произведена многокритериальная оптимизация параметров элементов, составляющих прибор контроля данного типа. Приведены результаты исследований нового метода выделения информационной составляющей переходного процесса в схеме емкостного измерительного преобразователя, основанного на использовании зависимости выходного напряжения схемы от времени задержки распространения сигнала для компенсационной И-С цепочки. Исследованы основные метрологические характеристики емкостных измерительных преобразователей, построенных по предложенным принципам.

Рис. 1. Схема коммутационного емкостного измерительного преобразователя с ответвлением тока на измеряемую емкость

X

Рис. 2. График зависимостей чувствительности по току от времени при различных значениях И2 (в расчетах использовались следующие параметры элементов: /?/ = 5 кОм; С2 = 200 пФ; е = 10 В, Кг представлена в

омах)

Основной проблемой при построении бесконтактных емкостных приборов контроля является влияние шунтирующего рабочую емкость активного сопротивления, возникающего в результате увлажнения поверхности электродов, несовершенства конструкции емкостных первичных измерительных преобразователей и т.д. Рассмотрим схему измерительного преобразователя с ответвлением тока на измеряемую емкость С2 (рис. 1), где информативным параметром является ток через дополнительную емкость Сь т.к. ток через рабочую емкость контролировать достаточно проблематично. В данном случае ток I(t) можно измерять при помощи преобразователя тока в напряжение с нулевым входным сопротивлением.

Пусть R2 - паразитное активное сопротивление, a R| - ограничительный резистор заряда емкости C=C¡+C2. Данная схема более надежна, чем схема, с помощью которой производятся измерения напряжения или тока измеряемой емкости в силу того, что ее чувствительность максимальна в самом начале переходного процесса и она не зависит от R2. На рис. 2 изображена временная диаграмма чувствительности для схемы на рис. 1. Естественно, измерения тока через дополнительную емкость необходимо . проводить в течение как можно более короткого интервала времени и именно длительность данного интервала будет определять степень зависимости выходного тока данного преобразователя от шунтирующего сопротивления.

Рис. 3. Структурная схема емкостного измерительного преобразо-

вателя

Рассмотрим принципы построения емкостных измерительных преобразователей, составленных с учетом вышеприведенных исследований. С целью решения проблем термостабильности и увеличения чувствительности в схему введена дополнительная компенсационная ЯС цепочка, параллельная измерительной. Таким образом, исследуемый емкостной преобразователь (рис. 3) содержит генератор прямоугольного сигнала, прямую цепочку К2С, с измеряемой емкостью С2, компенсационную цепочку КзСэ, преобразователь тока в напряжение и устройство выборки-хранения. Схема работает но следующему принципу: прямоугольный сигнал с генерато-

ра подается на прямую и инвертированный на компенсационную цепочки. Полученный суммарный токовый сигнал преобразуется в напряжение, которое на наиболее чувствительном участке временной диаграммы записывается в УВХ, синхронизированного от генератора. Преобразователь тока в напряжение имеет нулевое входное сопротивление, а его выходное напряжение является информативным параметром.

Рассмотрим методику составления математической модели емкостного измерительного преобразователя, приведенного на рис. 3.

Выходное напряжение генератора прямоугольного сигнала смоделировано с учетом времени задержки распространения 1р и времени нарастания 1н сигнала, характерных для логических элементов, и имеет вид трапеции.

В целях упрощения окончательных выражений, значения резисторов считались постоянными, а конденсаторов - зависящими от температуры. При этом использовались аппроксимированные температурные зависимости различных типов конденсаторов.

Преобразователь тока в напряжение можно выполнить по классической схеме на операционном усилителе (ОУ) или по более простой и экономичной схеме инвертирующего усилителя на транзисторе с отрицательной обратной связью по постоянному току. В работе рассмотрен вариант использования в расчетах транзисторной схемы, т.к. в процессе испытаний она показала практически идентичные результаты по сравнению со схемой преобразователя на ОУ.

В результате составления дифференциальных уравнений работы схемы, приведенной на рис. 3, была найдена функция выходного напряжения преобразователя тока - иоц1(1). Его можно записать с учетом режима насыщения транзистора в зависимости от напряжения питания схемы как (здесь и далее используется формат записи МаШСАБ)

и(0 . и0 * иои[(1),и0

и0*<г> * и0>ио,*(1)>ин , (!)

ин иО1Л(04ин

где ин - напряжение насыщения транзистора.

Важнейшей функцией для оптимизации и повышению надежности преобразователей для приборов контроля является чувствительность, которая, с учетом кусочности функции (1), была представлена как величина изменения выходного напряжения исследуемой схемы преобразователя при отклонении измеряемой емкости на 0.1 %. Определим мгновенное абсолютное значение чувствительности с учетом влияния на выходное напряжение преобразователя устройства выборки хранения (УВХ):

РХР;,с2дт,лт

кш

(и(Р;,С2-0.001,1к)

к= 1

с2 0.001 10"12 кт

(2)

где Р; - набор параметров ( 1 - 1,..,1\Г); С2 - начальное значение измеряемой емкости; N - число влияющих варьируемых параметров; 1т - время начала записи напряжения в УВХ; сИт - длительность процесса записи, которая разбита на кш частей; 1к=1т+(к-1)-сЙт/кт. Множитель 10"12 необходим для удобства представления значений чувствительности, имеющей размерность В/пФ, а величина отклонения емкости выбрана с учетом того, что в большинстве случаев (при базовой емкости около 200 пФ и плоской поверхности рабочего электрода первичного измерительного преобразователя) приближение объекта к проводящей поверхности на расстояние ближе 5 см вызывает изменение рабочей емкости на 0.1 %.

Используя полученные выражения была найдена возможность компенсировать элементы схемы для подавления температурной зависимости емкостного преобразователя, которая определена как функционал вида:

ит(1) , тах |и[1,Ск(Т;),И21 (Т;) ] - и[ 1,Ск ] , (3)

где Т; и Т, - значения температуры, изменяющиеся от ТШ1П до Тшах; Ь21(Т) -аппроксимированная зависимость коэффициента усиления но току транзистора в преобразователе тока в напряжение; С\(Т) - температурные зависимости емкостей, входящих в состав емкостного преобразователя. Таким образом, для увеличения температурной стабильности устройства необходимо минимизировать функцию (3).

Предварительные исследования по увеличению чувствительности, надежности и устойчивости емкостных приборов контроля приближения показали необходимость многокритериальной оптимизации устройств из-за сильной взаимосвязи некоторых критериев, которые были разбиты в соответствии с поставленными задачами на следующие группы:

1. Поиск оптимального значения общей чувствительности в заданном диапазоне значений емкости первичного измерительного преобразователя.

2. Максимизация температурной стабильности для возможности работы в широком диапазоне температур.

3. Увеличение устойчивости от разброса параметров элементов, составляющих прибор контроля, с целью минимизации влияния разброса номиналов на его характеристики.

4. Уменьшение влияния активного паразитного шунтирующего сопротивления, параллельного емкости первичного преобразователя, на выходные характеристики. В случаях, когда существует шунтирующее сопротивление, у большинства известных емкостных преобразователей, снижается чувствительность и увеличивается вероятность ложных срабатываний приборов контроля, построенных на их основе.

5. Понижение энергопотребления устройства, за счет чего достигается возможность его использования в автономных распределенных системах контроля с централизованным питанием от одной приемопередающей линии.

Исследования показали, что наиболее эффективным алгоритмом оптимизации применительно к данной задаче оказался поиск оптимального решения при помощи нахождения точек в пространстве параметров, принадлежащих множеству Парето. Данный метод эффективен в случаях, когда необходимо отыскать глобальные экстремумы нескольких функций и существуют критерии, противоречащие друг другу.

В целях нахождения оптимальных параметров было использовано 15 критериальных функций и 9 варьируемых параметров, при этом дополнительные 16 параметров считались константами. Для нахождения эффективных точек в пространстве параметров использовался алгоритм ЛПт поиска.

Рис. 4. График зависимостей чувствительности емкостного измерительного преобразователя от рабочей емкости при различных значениях устойчивости (устойчивость преобразователя с пунктирной линией функции чувствительности выше в 3раза, чем преобразователя со стошной) При использовании времени задержки распространения сигнала в качестве параметра настройки на рабочую емкость оказалось, что для определенных значений остальных переменных, это время можно использовать в качестве выходной информационной величины емкостного измерительного преобразователя. Вычислив эти переменные при помощи вышепри-

веденной многокритериальной оптимизации, были построены диаграммы для чувствительности (рис. 4)

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что если использовать время задержки распространения прямоугольного сигнала, подаваемого на компенсационную цепочку в качестве параметра настройки на рабочую см кость первичного измерительного преобразователя (ПИП), то появляется возможность создать более чувствительный или более устойчивый емкостной преобразователь. Схемотехнически это можно реализовать путем использования дополнительной КС цепочки перед инвертором в схеме, приведенной на рис. 3. Недостатком данной модификации емкостного преобразователя является слишком узкая временная область высокой чувствительности из-за нелинейной зависимости времени задержки распространения от рабочей емкости.

Если применить систему автоматического уравновешивания, которая бы изменяла время задержки распространения в зависимости от выходного напряжения, появляется возможность создать преобразователь емкости во время, которое можно измерять и контролировать цифровыми методами, избегая аналого-цифрового преобразования.

В третьей главе рассмотрены основные аппаратные и программные методы повышения надежности емкостных приборов контроля приближения, предназначенных для использования в системах охранной сигнализации.

Сущность электронных методов повышения надежности заключается в использовании дополнительных схемотехнических решений, реализация которых позволяет создать емкостной прибор контроля, характеризующийся следующими особенностями:

¡. Наличием высоковольтного конденсатора, развязывающего входные цепи прибора по постоянному току от рабочего электрода. Используя метод оптимизации, описанный в предыдущей главе, была найдена оптимальная величина разделительной емкости, которая равна Ср=1.6-Схтах> (4)

где фÄ1Х - максимально возможная рабочая емкость.

2. Использованием защитного устройства от высоковольтного разряда входных цепей прибора. В данном случае, наиболее простым и надежным схемотехническим решением является применение диодной защиты в измерительной цепочке, которая была рассчитана с использованием оптимальных параметров преобразователя тока в напряжение, входящего в состав емкостного измерительного преобразователя.

3. Более эффективным подавлением шумов и помех. В частности, прибор не должен реагировать на помехи при его установке в непосредственной близи от сильноточных кабелей, несмотря на то, что уровень сиг-

нала сетевой наводки может превышать полезный сигнал в несколько десятков раз. Данная проблема решена путем оптимального построения УВХ с последующей низкочастотной фильтрацией.

4. Устранением постоянной составляющей выходного сигнала от емкостного преобразователя. Анализ процессов несанкционированного про-шшювения на охраняемый объект, нелинейной зависимости величины выходного сигнала от расстояния между «нарушителем» и рабочим электродом, а также дрейфа параметров измерительной цепи показал, что с целью исключения ложных срабатываний наиболее оптимально отсекать постоянную составляющую информационного сигнала дифференцирующей цепочкой с постоянной времени около 1 минуты. Для миниатюризации устройства такая цепочка выполнена по схеме управляемого источника тока, заряжаемого емкость в обратной связи дифференциального усилителя.

5. Интегрированием выходного сигнала. В случаях, когда срабатывание прибора от одиночного непродолжительного касания нежелательно, на его выходе устанавливается интегратор со временем накопления около 3 с. Кроме того, это решение позволяет подавить короткие импульсные помехи, что делает устройство более надежным за счет снижения вероятности ложных срабатываний.

6. Введением цепочки проверки целостности подключения рабочего электрода первичного преобразователя приближения к прибору контроля для обеспечения поддержки функции «антисаботаж» охранной системы. Наличие развязки по постоянному току в тракте прохождения сигнала делает устройство практически не защищенным от случайного или преднамеренного заземления провода, соединяющего данный прибор с электродом. Аналогично при обрыве (случайном или преднамеренном) реакция системы противоположна случаю прикосновения к рабочему электроду и также не приводит к подаче сигнала тревоги. Поэтому для осуществления постоянного контроля за целостностью соединения рабочего электрода ПИП с входными цепями и отсутствием его замыкания на общий провод в схему емкостного прибора контроля был введен двухуровневый компаратор выходного потенциала первичного преобразователя. При микропроцессорной обработке сигнала от емкостного прибора контроля более эффективным и надежным средством проверки целостности соединения рабочего электрода ПИП со схемой является применение управляемой коммутации его на небольшую емкость (6-20 пФ) с последующей проверкой наличия срабатывания. Тем самым производится проверка как целостности соединения, так и чувствительности. При этом можно значительно уменьшить энер-

гопотребление путем исключения из схемы двухуровневого компаратора.

При использовании микропроцессорной обработки сигналов в емкостных приборах контроля появляется возможность применения программных методов повышения их надежности. Работа в этой области велась в трех направлениях:

1. Обработка сигналов от емкостного преобразователя посредством их программной фильтрации и анализа. В данном случае можно использовать программное интегрирование, а при наличии АЦП - численные методы фильтрации сигналов от емкостных преобразователей, что может значительно упростить аппаратную реализацию устройств, а также увеличить надежность системы.

2. Разработка алгоритма тестирования чувствительности емкостных измерительных преобразователей. С целью постоянной проверки работоспособности приборов контроля приближения можно применить управляемую коммутацию к рабочей емкости дополнительного конденсатора с последующей проверкой наличия срабатывания.

3. Создание процедуры для связи с удаленными устройствами. Использование объединенных в единую сеть адресных устройств с питанием от одной приемопередающей линии значительно упрощает монтаж и настройку систем охранной сигнализации.

В процессе испытаний емкостных приборов контроля были выявлены случаи ложных срабатываний, обусловленных взаимодействием тех емкостных преобразователей (ЕП), электроды которых находились в непосредственной близости друг от друга. В процессе решения данной проблемы было исследовано влияние синхронизации на характер их взаимодействия. Из трех типов синхронизации были исследованы синфазная, противофазная и независимая синхронизации двух устройств.

Рис. 5. Схема емкостной связи между двумя приборами контроля Пусть С,( - взаимная емкость между двумя рабочими электродами емкостей С2Ь С22 двух одинаковых емкостных измерительных преобразователей (рис. 5). Рассмотрим степень взаимного воздействия на их узловые

напряжения добавлением к С22 одного процента от нее. В результате воздействия, напряжение изменяется на величину диь а и2 на ли2. Тогда коэффициент относительного взаимного влияния на напряжение будет равен ди^ди^.

В результате оказалось, что при независимой синхронизации двух емкостных измерительных преобразователей коэффициент взаимовлияния имеет сильно выраженную нелинейную зависимость от величины межэлектродной емкости (рис. 6). Поэтому данный метод синхронизации можно применять, если взаимная емкость, по крайней мере, в два раза меньше, чем наименьшая емкость одного из преобразователей. В остальных случаях наиболее надежным средством подавления взаимовлияния является синфазная синхронизация устройств.

Рис. 6. График зависимости коэффгщиента взаимовлияния двух емкостных измерительных преобразователей от величины взаимной емкости для трех типов синхронизации: 1 — синфазная, 2 — противофазная, 3 — независимая (С,2=100 пФ, С22=500 пФ) В четвертой главе приводятся результаты испытаний емкостных приборов контроля, работающих по предложенным в работе принципам, а также описаны разработанные системы охранной сигнализации, которые используют эти приборы как средство превентивного контроля доступа к охраняемым объектам.

В процессе исследований были разработаны и внедрены несколько систем и приборов охранной сигнализации, которые в своем составе имеют емкостные преобразователи: ЭЦСК-1/15, CapGuard MA.01DS, Cap-Guard MA.02DS, CapGuard ATS.01DS, CapGuard ATS.02DS.

Энергонезависимая централизованная система ЭЦСК-1/15 предназначена для осуществления зонального контроля посредством сканирующего опроса адресных приборов контроля. Максимальное число подключаемых к нему адресных устройств - 15 (в схеме предусмотрена возможность расширения до 31). Все устройства объединены в сеть с топологией типа

«тина», реализованной в виде двухпроводной линии. Используется протокол передачи, оптимизированный для совмещения приема, передачи информации и питания устройств. При этом обеспечивается возможность отключения на терминале любой контролируемой зоны.

Устройства CapGuard МА.01 DS / MA.02DS (Autonomic Multi-Address Capacity Guarding System with Dynamic Sensor, Version 01) представляют собой энергонезависимые системы охранной сигнализации, содержащие терминал и приборы превентивного контроля, выполненные в виде адресных консолей. Терминал содержит систему контроля состояния адресных консолей, резервный источник питания и устройство звукового оповещения, срабатывающего при нарушении режима охраны. К терминалу посредством телефонного кабеля подключаются адресные консоли, питание которых осуществляется из терминала через телефонный кабель. Консоли содержат систему автоматики для установки на охрану и снятия с охраны охраняемого помещения ми объекта и систему формирования сигналов с двух типов устройств: емкостного преобразователя и шлейфа, представляющего собой замкнутую электрическую цепь, содержащую стандартные герконовые, маятниковые размыкатели, размыкатели пожарной сигнализации и тому подобные элементы. В качестве рабочего электрода емкостного ПИП может быть использована металлическая дверь, сейф, либо проволочная или металлическая сетка.

Устройства CapGuard ATS.01DS / ATS.02DS (Autonomic Terminal Single, Version 01 With Dynamic Sensor) представляют собой автономные энергонезависимые приборы охранной сигнализации упреждающего типа, содержащие процессорный блок, клавиатуру для снятия режима охраны по паролю, резервный источник питания, устройство звукового оповещения, емкостных преобразователей (от 1 до 3) и схем для подключения шлейфо-вых устройств (от 1 до 3), аналогичных используемым в системах Cap-Guard MA.01DS/ MA.02DS.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы, а также задачи, требующие дальнейшего решения.

В приложения вынесены акты внедрения разработанных емкостных приборов контроля приближения, функционирующих в составе комплексов охранной сигнализации.

Основные выводы п результаты работы

1. Предложенные методы построения емкостных измерительных преобразователей дают реальное улучшение надежности, чувствительности и других технико-экономических характеристик разработанных на их основе приборов контроля.

2. Разработанная методика оптимизации емкостных измерительных 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 дифференциальную 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;

- цепочка контроля целостности соединения рабочего электрода ПИП 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 измерительном 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.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Якунин А.Г., Ашшнов В.Б., Билан В.В. Распределенные микромосцные контрольно-измерительные устройства. // Сборник тезисов докладов научно-практической конференции "Наука - городу Барнаулу". - Барнаул: изд-во АГУ, 1999. - С. 33.

2. Авцинов В.Б. Математическая модель емкостного преобразователя с заземленным электродом. // Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве". - Нижний Новгород, 2000. - С. 38-39

3. Авцинов В.Б. Исследование переходного процесса в системах измерения емкости. II Сборник тезисов докладов Всероссийской научной конференции "Методы и средства измерений". Секция 9: Иные виды измерений (радиотехнические, астрономические, медицинские и др.). - Нижний Новгород, 2000. - С. 24.

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

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

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

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

8. 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.

9. 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.