Способ охранной сигнализации, устройство для его реализации и датчик температуры

Способ охранной сигнализации, устройство для его реализации и датчик температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области систем обнаружения вторжения в охраняемое пространство, к охранной технике, к способам и устройствам для определения несанкционированного проникновения в охраняемое пространство и может быть использовано при защите помещений, транспортных средств, музейных экспонатов, контейнеров и других замкнутых пространств.

Известны средства охранной сигнализации, основанные на различных принципах, например емкостные и ультразвуковые детекторы и микроволновые устройства, основанные на зондировании охраняемого пространства дециметровыми электромагнитными волнами. Существуют также средства, дающие отклик на пересечение световых лучей, изменение инфракрасного теплового поля, датчики давления в почве и др.

Наиболее близким к заявляемому способу является известный способ охранной сигнализации, см. патент RU № 2073908 «Способ определения несанкционированного проникновения в охраняемое помещение», Кл. МПК G08B 13/12, бюллетень «Изобретения» №-5 от 20.02.1997 г. Способ охранной сигнализации по прототипу заключается в регистрации изменений параметров воздушного потока, возникающего при нарушении границ охраняемого пространства и индикации сигнала. Регистрацию изменений параметров воздушного потока производят по изменению давления воздушного потока, возникающего при проникновении в охраняемое пространство из-за флуктуации давления атмосферы из внешней среды. Способ основан на регистрации изменения давления в инфразвуковом спектре частот датчиком давления, размещенным внутри охраняемого помещения. Недостатками данного способа являются относительная дороговизна его осуществления и продолжительное время возникновения реакции на нарушение охраняемого закрытого помещения. При рекомендуемой частоте инфразвука f<0,01 Гц время возникновения реакции будет выше t>₂ ¹ _πf=32 секунды, за которое нарушитель может привести датчик охранной сигнализации в нерабочее состояние.

Наиболее близким к заявляемому устройству является «Устройство охранной сигнализации», свидетельство на полезную модель № 1921, Кл. МПК G08B 13/20, Бюллетень «Полезные модели. Промышленные образцы» №-3 от 16.03.1996 г. Устройство по прототипу содержит датчик с чувствительным элементом, усилитель, компаратор и блок индикации. Устройство содержит пьезодатчик с чувствительным элементом для преобразования колебаний воздуха в электрический сигнал. Блок-схема устройства содержит фильтр низкой частоты, усилитель звуковой частоты, компаратор и цепь отрицательной обратной связи. Устройство также снабжено линейкой-делителем, состоящей из резисторов первой и второй ступеней регулирования, интегрирующей цепью, триггером Шмитта и инвертором, при этом фильтр низкой частоты подключен к входу усилителя звуковой частоты, выход которого соединен с одним из входов компаратора, другой вход соединен с выходом усилителя звуковой частоты через линейку-делитель и с выходом цепи отрицательной обратной связи, а выход компаратора подключен к входу цепи отрицательной обратной связи через интегрирующую цепь, триггер Шмитта и инвертор, выходной сигнал последнего является выходным сигналом устройства. Недостатком устройства по прототипу является сложность конструкции и высокая стоимость чувствительного пьезодатчика давления, рассчитанного на работу на низких частотах звукового спектра.

Наиболее близким к заявляемому датчику температуры является «Датчик температуры охлаждающей жидкости автомобильного двигателя», патент на полезную модель № 33438, Кл. МПК G01K 7/16, опубликованный в бюллетене «Изобретения. Полезные модели» № 29 от 20.10.2003 г.Датчик температуры по прототипу содержит чувствительный элемент в виде термистора, размещенного в корпусе и средства подключения чувствительного элемента к измерительному блоку. Корпус датчика выполнен шестигранным с резьбовой частью для монтажа на двигателе, а чувствительный элемент в виде термистора изолирован от корпуса изоляционной прокладкой и установлен в измерительной части корпуса, внутренняя полость которой заполнена теплопроводной пастой. Термистор снабжен двумя выводами, прикрепленными к штырям электрических контактов. Недостатком датчика температуры по прототипу является ограничения по его применению только в жидкой среде.

При создании данного изобретения решалась задача создания системы для обнаружения нарушения границ охраняемого пространства по изменению скорости движения и (или) температуры воздуха вокруг датчика температуры, расположенного внутри охраняемого пространства.

Техническим результатом при решении данной задачи является расширение функциональных возможностей, увеличение быстродействия, упрощение и снижение затрат на изготовление и эксплуатацию, а также снижение вероятности обнаружения системы техническими средствами за счет практического отсутствия излучаемой им энергии.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом охранной сигнализации, основанным на регистрации изменений параметров воздушного потока, возникающих при нарушении границ охраняемого пространства и на индикации сигнала, в заявляемом способе регистрацию изменений воздушного потока производят в замкнутом пространстве постоянно по изменению скорости и(или) температуры воздушного потока, а индикацию сигнала производят по усиленному сигналу датчика температуры в области частот от 0,1 до 50 Гц.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством охранной сигнализации, содержащим датчик с чувствительным элементом, усилитель, компаратор и блок индикации, заявляемое устройство дополнительно содержит в датчике температуры второй чувствительный элемент, оба чувствительных элемента датчика включены в мостовую схему, выходы которого соединены с усилителем дисбаланса моста.

Указанный технический результат достигается также тем, что по сравнению с известным датчиком температуры, содержащим чувствительный элемент в виде термистора, размещенного в корпусе, и средства для подключения чувствительного элемента к измерительному блоку, заявляемый датчик дополнительно содержит второй термистор, расположенный в корпусе, который разделен на две секции перегородкой. В каждой секции корпуса расположены один термистор, а корпус в одной из секций выполнен со стенками, пропускающими воздушный поток, а в другой секции - со стенками, не пропускающими воздушный поток. Средства для подключения чувствительных элементов к измерительному блоку выполнены в виде трехэлементного разъема. В одной из секций корпуса стенки, пропускающие воздушный поток, могут быть выполнены перфорированными, сетчатыми или решетчатыми.

При нарушении границ охраняемого пространства в нем происходит изменение воздушных потоков. Причиной этого являются движение дверей, форточек, крышек контейнеров, самого нарушителя, а также различные давления воздуха, его температура, скорость воздушных потоков вне, внутри пространства и т.д.

По сравнению с известным способом охранной сигнализации по прототипу, заключающимся в регистрации в области частот ниже 0,01 Гц увеличения флуктуации давления внутри охраняемого пространства за счет их поступления из внешней среды при разгерметизации охраняемого пространства и индикации сигнала, в заявляемом способе регистрацию изменений воздушного потока, возникающих при разгерметизации пространства или движения по нему нарушителей, производят по изменению показаний датчика температуры за счет его нагревания или охлаждения при изменении скорости и (или) температуры воздушного потока, окружающего датчик. Если внутри помещения поместить малогабаритный датчик температуры, собственная температура которого за счет протекания по нему электрического тока несколько превышает температуру окружающего воздуха, то температура датчика будет изменяться за счет изменения скорости воздушного потока и температуры воздуха вокруг датчика. По усиленному сигналу с такого датчика можно определить факт проникновения в охраняемое помещение нарушителя. Причем полоса частот сигнала с датчика должна быть от 0,1 до 50 Гц, что повышает чувствительность системы за счет уменьшения электрических шумов и наводок от сети переменного тока.

Для повышения чувствительности устройства охранной сигнализации необходимо использовать в датчике два чувствительных элемента. Один из этих элементов изменяет свою температуру как от последствий факта нарушения охраняемого помещения, так и от естественных изменений скорости и температуры воздушных потоков. Второй чувствительный элемент реагирует только на естественные изменения воздушных потоков. Включение этих элементов в мостовую схему позволяет повысить избирательную чувствительность датчика к нарушению границ охраняемого пространства. Для повышения чувствительности устройства также служит усилитель дисбаланса моста, сигнал на выходе которого ограничен частотой менее 50 Гц. Усилитель и мост соединен проводниками. Компаратор на выходе усилителя снижает вероятность ложных срабатываний охранного устройства и вырабатывает сигнал для обеспечения работы блока индикации. Очевидно, что для высокой чувствительности датчика температуры его чувствительные элементы сами по себе должны обладать высокой чувствительностью. Из таких широко распространенных детекторов температуры как проволочное сопротивление, термопара и полупроводниковый термистор последний обладает наибольшей чувствительностью (Ж.Аш и др. Датчики измерительных систем. Книга 1. М: «Мир». 1992). Это и определяет использование термисторов в заявляемом датчике температуры. Расположение термисторов в двух секциях корпуса, один из которых прозрачен для воздушных потоков, а второй нет, определяется необходимостью разделить их по чувствительности к естественным и искусственным (за счет нарушителя) изменениям воздушных потоков. Так как в датчике располагаются два термистора, то их подключение к мостовой схеме в трех точках требует использование трехэлементного разъема. Выполнение одной из секций корпуса датчика перфорированной, сетчатой или решетчатой обеспечивает прозрачность этой секции к воздушным потокам, делая термистор, находящийся в этой секции, чувствительным к изменениям воздушных потоков из-за нарушения границ охраняемого пространства. Кроме того, снижается вероятность обнаружения заявляемой системы охранной сигнализации за счет отсутствия излучаемой ею энергии.

На фиг.1 изображена схема расположения заявляемого устройства для осуществления способа охранной сигнализации. На фиг.2 изображена блок-схема заявляемого устройства. На фиг.3 изображен заявляемый датчик температуры. На чертежах изображено:

1 - Датчик температуры.

2 - Охраняемое замкнутое пространство.

3 - Дверь (крышка) в охраняемое пространство.

4 - Блок формирования сигнала тревоги.

5 - Чувствительные элементы (термисторы).

6 - Усилитель дисбаланса моста.

7 - Компаратор.

8 - Блок индикации.

9 - Мост.

10 - Соединительный шнур.

11 - Корпус датчика.

12 - Перегородка.

13 - Секция корпуса, пропускающая воздушный поток.

14 - Секция корпуса, не пропускающая воздушный поток.

15 - Трехэлементный разъем.

Способ охранной сигнализации осуществляют следующим образом. Устройство охранной сигнализации или только датчик температуры 1 помещают в охраняемое замкнутое пространство 2, например, в автомобиль, контейнер, у которого имеются закрытые окна, двери 3. Регистрацию изменений параметров воздушного потока производят постоянно по изменению скорости и (или) температуры воздушных потоков внутри замкнутого пространства. Индикацию сигнала о нарушении производят по усиленному сигналу датчика температуры на частоте от 0,1 до 50 Гц. В условиях закрытой системы, где воздух находится в неподвижном состоянии или перемещается с постоянной скоростью, устанавливается стационарный процесс теплообмена между датчиком температуры и окружающей его средой. Следовательно, тепловые характеристики датчика не меняются и напряжение, снимаемое с него, постоянно. При нарушении периметра охраняемого пространства или возникновении перемещений объектов внутри этого пространства процесс теплообмена нарушается, что приводит к изменению сопротивления термисторов и к изменению напряжения, которое снимается с датчика. Индикация сигнала производится по усиленному с частотой от 0.1 до 50 Гц изменению напряжения с моста.

Блок-схема устройства охранной сигнализации содержит датчик температуры 1 с двумя чувствительными элементами 5, усилитель 6 с верхней частотой полосы пропускания менее 50 Гц, компаратор 7 и блок индикации 8. Оба чувствительных элемента датчика включены в мостовую схему 9, выходы которой соединены с усилителем 6 дисбаланса моста 9. Все электронные составляющие, кроме чувствительных элементов в датчике температуры, собраны в блоке формирования сигнала тревоги 4. Датчик температуры 1 связан с этим блоком соединительным шнуром 10. Чувствительные элементы 5 в виде полупроводниковых термисторов включены в два плеча измерительного моста 9. Сигнал, снимаемый с датчика температуры, имеет уровень единицы милливольт, поэтому для дальнейшей обработки сигнал нужно усилить и ограничить по частоте. Компаратор 7, включенный на выходе устройства, обеспечивает включение блока индикации 8.

Датчик температуры 1 содержит два чувствительных элемента 5 в виде термисторов, которые размещены в корпусе 11. Корпус разделен на две секции 13 и 14 перегородкой 12. В каждой секции расположены термисторы. Корпус в одной из секций 13 выполнен со стенками, пропускающими воздушный поток, а в другой секции 14 - со стенками, не пропускающими воздушный поток. Секция корпуса 13 со стенками, пропускающими воздушный поток, может быть выполнена перфорированной, сетчатой или решетчатой. Средства для подключения чувствительного элемента к измерительному блоку выполнены в виде трехэлементного разъема 15.

В примере реализации заявляемого способа датчик температуры устанавливался в шкафу объемом 1 м³ с неплотно закрытой дверцей 2 м посередине закрытой комнаты с площадью 3*3 м² с закрытой дверью площадью 2,5 м². 3a счет протекания по термисторам тока при мощности 0,18 мВт происходил их нагрев относительно температуры спокойного воздуха на 0,15К. При этом тепловые процессы проходили на частоте порядка 1 Гц. Открытие дверей за время около 10 секунд проводило к охлаждению термистора в секции корпуса, пропускающей воздушный поток на несколько сотых градусов К. При этом на выходе усилителя возникал сигнал амплитудой около 1 В с продолжительностью фронта нарастания 5 с. Через 2 секунды после начала открывания двери срабатывал компаратор и запускался блок индикации, извещая о нарушении периметра охраняемого пространства. Движение человека среднего роста по комнате в любых направлениях со скоростью 1 м/с также вызывало надежное срабатывание заявляемой охраняемой системы. Имитация пожара с помощью горящей бумаги также вызывала срабатывание системы.

В примере реализации заявляемого устройства два плеча моста имели постоянное сопротивление по 100 кОм. Таким же сопротивлением обладали термисторы при комнатной температуре. Усилитель дисбаланса моста построен по схеме дифференциального усилителя с высоким входным сопротивлением и имеет коэффициент усиления 125. В усилителе сигнал фильтруется, что сужает полосу пропускания до 10 Гц. Это позволяет сильно уменьшить влияние наводок на измерительную систему. Усечение полосы пропускания почти не искажает рабочий сигнал, т.к. процессы теплообмена протекают достаточно медленно. Компаратор, установленный на выходе схемы, служит для регулировки порога срабатывания сигнала тревоги в зависимости от специфики охраняемого помещения. Блок-схема устройства включает четыре операционных усилителя типа КР140УД1208. Эти микросхемы представляют собой усилители с регулируемым потреблением мощности. Блок индикации построен на светодиоде, управление которым осуществляется с помощью одновибратора, собранного на базе микросхемы типа 176ЛА7. Индикатор срабатывает на пусковой импульс, поступающий от компаратора. Выбор данных микросхем обусловлен необходимостью долгосрочной работы от автономного малогабаритного источника питания. при напряжении питания схемы 6 В общее потребление системы составляет 200 мкА.

В примере реализации датчика температуры корпус его выполнен в виде стакана из алюминиевого сплава типа Д16 диаметром 18 мм и высотой 45 мм. Толщина стенок корпуса 1 мм. В верхней части стакана просверлены отверстия диаметром 5 мм с расстояниями между краями отверстий 2 мм. В середине корпуса закреплена перегородка из сплава Д16 толщиной 1 мм. В центре обеих секций корпуса расположены термисторы типа СТ1-18. Их вывода припаяны к трехэлементному разъему, к которому подключался соединительный шнур общей длиной 3 м, выполненный из проводников типа МГТФ с общим экраном. С помощью этого шнура термисторы включались в измерительный мост, напряжение питания которого составляло 6 В. Два плеча моста имели постоянное сопротивление по 100 кОм. Таким же сопротивлением обладали термисторы при комнатной температуре.

Таким образом, заявляемый способ охранной сигнализации, устройство для его реализации и датчик температуры позволяют расширить функциональные возможности системы, повысить быстродействие в несколько раз, упростить устройство и условия эксплуатации. Кроме того, снижается вероятность обнаружения устройства за счет практического отсутствия излучаемой им энергии и позволяет работать в течение нескольких лет в автономном режиме от простейших источников энергии.

1. Способ охранной сигнализации, основанный на регистрации изменений параметров воздушного потока, возникающего при нарушении границ охраняемого пространства, и на индикации сигнала, отличающийся тем, что регистрацию изменений воздушного потока производят в замкнутом пространстве постоянно по изменению скорости и (или) температуры воздушного потока, а индикацию нарушения производят по усиленному сигналу датчика температуры на частотах от 0,1 до 50 Гц.

2. Устройство охранной сигнализации, содержащее датчик температуры с чувствительным элементом, усилитель, компаратор и блок индикации, отличающееся тем, что датчик температуры снабжен вторым чувствительным элементом, оба чувствительных элемента датчика включены в мостовую схему, выходы которой соединены с входом усилителя дисбаланса моста, выход которого связан с компаратором, вырабатывающим сигнал для обеспечения работы блока индикации.

3. Датчик температуры, содержащий чувствительный элемент в виде термистора, размещенного в корпусе и средства для подключения чувствительного элемента к измерительному блоку, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй термистор, расположенный в корпусе, который разделен на две секции перегородкой, в каждой секции расположен один термистор, причем корпус выполнен в одной из секций со стенками, пропускающими воздушный поток, а в другой секции со стенками, не пропускающими воздушный поток.

4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что средства для подключения чувствительных элементов к измерительному блоку выполнены в виде трехэлементного разъема.

5. Датчик по п.3, отличающийся тем, что в одной из секций корпуса стенки, пропускающие воздушный поток, выполнены перфорированными.

6. Датчик по п.3, отличающийся тем, что в одной из секций корпуса стенки, пропускающие воздушный поток, выполнены сетчатыми.

7. Датчик по п.3, отличающийся тем, что в одной из секции корпуса стенки, пропускающие воздушный поток, выполнены решетчатыми.