Емкостное средство обнаружения с однофланговым включением чувствительного элемента

Традиционные емкостные средства обнаружения требуют, чтобы плечи (фланги) чувствительного элемента (ЧЭ) имели примерно одинаковые значения емкостей и подключались по дифференциальной схеме. Это существенно усложняет работу проектировщиков и приводит к необходимости привязывать местоположение участкового шкафа к центральной опоре. Возможность однофлангового подключения ЧЭ позволила бы в одном участковом шкафу размещать аппаратуру сразу для двух соседних участков и принесла бы значительную экономию за счет уменьшения числа участковых шкафов. Для решения этой проблемы в ФГУП "СНПО "Элерон" разработано емкостное средство обнаружения (ЕСО), не требующее дифференциального включения ЧЭ

В.А. Хотеенков
Зам.начальника отделения ФГУП "СНПО "Элерон", к.т.н.

Емкостной принцип обнаружения

Емкостной принцип обнаружения основан на регистрации изменения емкости между чувствительным элементом (ЧЭ) и "землей" при приближении или касании его нарушителем. В качестве "земли" используются любые проводящие предметы или поверхности, соединенные с очагом заземления, в том числе и естественная почва. ЧЭ служат любые проводящие предметы или поверхности, изолированные от "земли", например сейфы, стеллажи, защитные и сигнализационные козырьки, незаземленные решетки на окнах и т.п. Для охраны окон, дверных проемов и отдельных предметов, таких как статуи, картины и т.п., используются размещенные по контуру охраняемого предмета или рядом тонкие провода, фольга и т.п.

"Ромб-12МП" – новое поколение ЕСО

Федеральное государственное унитарное предприятие "Специальное научно-производственное объединение "Элерон" занимается разработкой емкостных средств обнаружения (ЕСО) с 70-х гг. прошлого века и в настоящее время является лидером в этой области. За прошедшее время было создано около десятка ЕСО. Последним в этом ряду стало ЕСО "Ромб-12МП", использующее для обработки сигналов микропроцессор и автоматическую балансировку входного измерительного моста.

Емкостное средство обнаружения "Ромб-12МП" было разработано в 2006 г. взамен выпускавшегося с 1990 г. ЕСО для помещений "Ромб-12". Поэтому вначале "Ромб-12МП" позиционировался как комнатный прибор. Но в процессе разработки, за счет применения современной элементной базы и новых схемотехнических решений удалось сделать "Ромб-12МП" более универсальным, чем "Ромб-12". При этом его себестоимость за счет высокой степени интеграции оказалась в 1,5 раза меньше себестоимости изделия "Ромб-12" и значительно увеличилась наработка на отказ. Достаточно сказать, что из более чем 700 произведенных изделий за 3 года было зафиксировано только 3 отказа. Причем все они оказались из установочной партии, на которой отрабатывалось серийное изготовление.

До 2011 г. "Ромб-12МП" имел только один рабочий режим, в котором, как и в его предшественнике, реализовывались два канала обнаружения, объединенные выходным реле выдачи сигнала тревоги. Однако в 2011 г. предполагается начать выпуск модернизированного ЕСО "Ромб-12МП", в котором появится второй рабочий режим. В нем реализуются два независимых канала обнаружения с раздельными выходными реле тревоги и с возможностью однофлангового включения ЧЭ. При этом за счет гибкости архитектуры "Ромб-12МП" практически не изменяются ни себестоимость, ни наработка на отказ.

Таким образом, использование модернизированного ЕСО "Ромб-12МП" позволяет достичь
значительной экономии за счет уменьшения как количества приборов, так и участковых шкафов, поскольку один прибор в одном шкафу может контролировать два участка охраняемого рубежа.

Первый рабочий режим

Как уже было сказано, в первом рабочем режиме (назовем его "Работа 1") реализуются два канала обнаружения, объединенные выходным реле выдачи сигнала тревоги с одним общим входом дистанционного контроля.

Первый канал (так называемый чувствительный) предназначен для регистрации изменений емкости от долей до единиц пФ. К этому каналу подключаются малоразмерные ЧЭ (полоски фольги, проволочные рамки по периметру окна или двери, проволочные шлейфы и т.п.), которые образуют объемную зону чувствительности. Второй канал (так называемый грубый) предназначен для работы с большими предметами, такими как сейфы, защитные или декоративные решетки, протяженные многопроводные шлейфы и т.п. Чувствительность "грубого" канала лежит в диапазоне от нескольких единиц до десятков пФ.

Оба канала обнаружения аналогичны каналу ЕСО "Радиан-15МП", но выполнены на другой элементной базе с более высокой степенью интеграции. Поэтому, как и "Радиан-15МП", "Ромб-12МП" может работать с ЧЭ на изоляторах без экранирующего электрода.

В каждом канале обнаружения есть свой регулятор чувствительности (РЧ), обеспечивающий надежное срабатывание ЕСО для конкретной конфигурации ЧЭ. Для подключения ЧЭ в каждом канале предусмотрены по два входа (Вх1, Вх2 – для "чувствительного" канала и Вх3, Вх4 – для "грубого"). Эти входы являются дифференциальными и образуют плечи измерительного моста. То есть ЕСО регистрирует разность изменений емкостей предметов, подключенных, например, к Вх1 и Вх2. Аналогично выполнены Вх3, Вх4.

Во всех ЕСО, кроме "Ромб-12МП", существует жесткое ограничение на разность емкостей, подключаемых к дифференциальному входу канала обнаружения. Как правило, допустимая разность между емкостями флангов ЧЭ не должна превышать 5%. Для устранения этого ограничения в "Ромб-12МП" измерение емкости производится посредством измерительного моста с автоматической балансировкой.

Оцифрованные сигналы обрабатываются микропроцессором, который с учетом величины и формы сигналов принимает решение о выдаче сигнала тревоги.

В ЕСО "Ромб-12МП" для режима "Работа 1" допустимая разность емкостей увеличена в 10 раз и составляет 50%, что более чем достаточно для всех практических случаев.

Поскольку ЧЭ должен быть изолирован от "земли", то, кроме емкости, у него существует такая характеристика, как сопротивление утечки изоляторов. На эти сопротивления также накладываются жесткие ограничения: они должны составлять для флангов ЧЭ не менее нескольких десятков кОм и их разность при этом не должна превышать 5%. В ЕСО "Ромб-12МП" для режима "Работа 1" удалось снизить эти требования в десятки раз. В режиме "Работа 1" "Ромб-12МП" сохранит работоспособность, даже если в одном фланге "грубого" канала будет сопротивление утечки 2 кОм, а в другом – 2 МОм.

Второй рабочий режим

Во втором рабочем режиме (назовем его "Работа 2") реализуются два одинаковых независимых канала обнаружения, с двумя выходными реле выдачи сигнала тревоги и двумя входами дистанционного контроля. Каждый канал аналогичен по своим характеристикам "грубому" каналу режима "Работа 1", но имеет втрое большую максимальную чувствительность и допускает одно-фланговое подключение ЧЭ емкостью до 10 тыс. пФ, что соответствует 250 м козырькового ЧЭ. При этом допускается уменьшение суммарного сопротивления изоляторов ЧЭ до 500 Ом. Все это достигается за счет увеличения глубины автоматической балансировки измерительного моста.

Возникает вопрос: не ухудшает ли однофланговое включение ЧЭ помехоустойчивость ЕСО? Ведь при двухфланговом дифференциальном включении помехи, одинаково и одновременно воздействующие на обе части ЧЭ, вычитаются. Однако, к сожалению, на практике такие помехи встречаются довольно редко.


Действительно, в начале дождя намокание изоляторов происходит в соответствии с движением дождевого фронта, который далеко не всегда движется параллельно ЧЭ. Поэтому сначала происходит намокание одного фланга, а потом другого, и вычитание помеховых сигналов если и происходит, то совсем не в той степени, как хотелось бы. То же самое можно сказать о влиянии близко стоящих деревьев, которые качаются на разных флангах тоже не одновременно. Влияние ЛЭП также подавляется далеко не всегда, если только ЛЭП не проходит параллельно ЧЭ. Поэтому в общем случае двухфланговое включение ЧЭ не играет такой большой роли в повышении помехоустойчивости к дестабилизирующим факторам, как принято думать.

Следует заметить, что при необходимости в режиме "Работа 2" можно производить и двух-фланговое подключение ЧЭ в каждом раздельном канале обнаружения, сохраняя возможность использования одного участкового шкафа на два участка. При этом центральные опоры каждого участка могут стоять от шкафа на расстоянии до 100 м, так как это соответствует допустимой длине соединительного кабеля от блока электронного до ЧЭ.

В рамках работ по модернизации два образца "Ромб-12МП" в однофланговом включении были установлены вблизи (20–30 м) от ЛЭП-500 (см. рис.). За полгода испытаний в осенне-зимний период не было зафиксировано ни одного ложного срабатывания.

Переключатель режима работы

Кроме двух регуляторов чувствительности, в ЕСО "Ромб-12МП" имеются еще переключатель рабочей частоты (ПЧ), переключатель режима работы (ПР) и переключатель рабочих режимов (ПРР). ПЧ позволяет устанавливать три разные рабочие частоты ЕСО для исключения влияния друг на друга ЕСО, у которых ЧЭ расположены рядом. Этим "Ромб-12МП" выгодно отличается от других ЕСО, у которых в ЗИП приходится закладывать приборы с разными модификациями рабочих частот, тем самым значительно увеличивая его объем.

Переключатель режима работы (ПР) позволяет реализовать три режима работы:

  • "Работа";
  • "Настройка";
  • "Просмотр причин срабатывания". Переключатель ПРР в режиме "Работа" реализует рабочие режимы "Работа 1" или "Работа 2".

1. В режиме "Работа" светодиодная и звуковая индикация ЕСО отключена. При срабатывании выходное реле переходит из дежурного режима в режим срабатывания. Специальная колодка, размещенная в отсеке управления ЕСО, позволяет реализовать срабатывание как на обрыв, так и на замыкание контрольного резистора. Указанная колодка при необходимости позволяет пользователю заменить контрольный резистор 6,2 кОм на любой другой или даже на контрольную емкость.

2. В режиме "Настройка" выходное реле переходит в тревожное состояние, а светодиодный индикатор горит постоянно. При срабатывании светодиодный индикатор гаснет на время около 9 с и на время около 4 с включится прерывистый, довольно громкий звуковой сигнал.

3. Режим "Просмотр причин срабатывания" позволяет определить причину последнего срабатывания в режиме "Работа". Можно определить следующие причины срабатывания:

  • изменение емкости по входу Вх1;
  • изменение емкости по входу Вх2;
  • изменение емкости по входу Вх3;
  • изменение емкости по входу Вх4;
  • короткое замыкание ЧЭ на "землю";
  • низкое сопротивление изоляторов в "чувствительном" канале;
  • низкое сопротивление изоляторов в "грубом" канале;
  • пропадание питания;
  • подача сигнала дистанционного контроля.

Режим "Просмотр причин срабатывания" предусмотрен прежде всего для облегчения поиска неисправностей в период пусконаладочных работ, но может быть полезен и в процессе эксплуатации.

Технические характеристики ЕСО "Ромб-12МП"

В заключение приведем краткие технические характеристики ЕСО "Ромб-12МП":

  • напряжение питания 10–30 В;
  • входы питания гальванически развязаны и допускают заземление любого полюса питания;
  • потребляемая мощность не более 1,5 Вт;
  • допустимая емкость ЧЭ не более 20 тыс. пФ;
  • длина соединительного кабеля от блока электронного до ЧЭ не более 100 м;
  • по условиям эксплуатации относится к группе 1.10 по ГОСТ РВ20 39.304, исполнение УХЛ, в том числе:

– диапазон рабочих температур -50...+50 °С;
– масса блока электронного не более 1 кг;
– габаритные размеры 165х160х89 мм.