Кабельні вібраційні системи

У таких системах використовують сенсори у формі кабелів. У деяких системах використовують пристосовані елементи (реальні кабелі, що випускаються промисловістю для інших цілей). У інших системах використовують сенсорні кабелі, спеціально розроблені для цілей охоронної сигналізації.

Різниця між пристосованими і спеціально розробленими сенсорами очевидна. У пристосованих елементах для виявлення вібрацій використовуються, як правило, паразитні ефекти і явища, які виробники прагнуть понизити при виробництві продукції для її основного призначення. Подібні ефекти не контролюються при виробництві і не нормуються при випуску продукції. Вони слабкі і практично завжди носять випадковий характер. При використанні пристосованих виробів як сенсори важко чекати стабільності параметрів хорошого відношення сигналу до шуму в системі. При виробництві спеціально розроблених сенсорів їх сенсорні властивості відносять до основних властивостей продукції і стежать за підтримкою високих значень чутливості і стабільності відповідних параметрів. Тому очікувана стабільність і надійність систем із спеціально розробленим сенсором завжди вище, ніж у систем з пристосованим сенсором.

На показане перетин багатожильного телефонного кабелю. Під впливом вібрації відбувається мікродеформація кабелю, і ізольовані провідники труться один об одного. В результаті на ізоляції наводиться об'ємний заряд, і на провідниках утворюється різниця потенціалів (трибоэффект|). Дешевий телефонний багатожильний кабель часто використовують як сенсор для вібраційної системи сигналізації. Це типовий приклад застосування як сенсор пристосованого кабелю. Не дивлячись на безліч недоліків, властивих таким системам, вони продовжують випускатися в нашій країні (системи "Арал", "Дельфін-М", "ДЕЛЬФІН-МП|", "Багульник" і ін.) і за кордоном ("FlexiguardTM" фірми Advance Perimeter System, "Intelli Flex" фірми Senstar-Stellar).

Рисунок 12- Трібоеффект в багатожильному кабелі
За кордоном поширені системи з використанням спеціально розроблених коаксіальних сенсорних кабелів. Конструкція сенсорного кабелю IntrepidTM, що випускається фірмою SouthwestMicrowave. Два чутливі провідники вільно розміщуються в спеціальних поглибленнях в діелектриці усередині коаксіального кабелю, в якому створюється поле між центральним провідником і екраном(приймально-контрольну панель (рис.13) При зсуві тіла кабелю під впливом вібрації чутливі провідники, що володіють масою, залишаються на місці. Вони виявляються під впливом електричного поля, що змінюється, пов'язаного із зсувом тіла кабелю, і утворюється різниця потенціалів, яка сприймається аналізатором. Подібні сенсори відносяться до активних сенсорів, оскільки самі не генерують сигнал, а вимагають зовнішнього джерела сигналу або поля. Відношення сигналу до шуму і стабільність параметрів у подібних систем вище, ніж у систем, заснованих на трибоэффекті|.

Рисунок 13- Електростатичний сенсор вібрацій

Волоконно-оптичний кабель використовують як сенсор вібрацій як в Росії (наприклад, система "Ворон"), так і за кордоном ("IntelliField" фірми Senstar-Stellar, SouthwestMicrowave і ін.). Конструкція волоконно-оптичного кабелю показана на рис.13.

Рисунок 14- Волоконно-оптичний сенсор вібрацій:

а) конструкція кабелю; б) розповсюдження випромінювання

На рис.14 цифрою 1 позначений промінь інфрачервоного випромінювання, що зазнає повне внутрішнє віддзеркалення від внутрішніх стінок волокна і що розповсюджується в ньому практично без втрат. Так розповсюджується промінь по оптоволоконному кабелю у відсутність вібрацій. При дії на оптоволокно| вібрацій в крапці А виникає сила F, яка приводить до деформації оптоволокна|. Промінь 2, відобразившись від стінки в крапці А, падає на протилежну стінку під меншим кутом падіння. Відбувається розщеплювання променя, і він відображається <не повністю. Частина його енергії виходить за межі волокна і втрачається. При подальшому проходженні променя по оптоволокну| втрати збільшуються з кожним новим віддзеркаленням [10]. В результаті спостерігається ослаблення вихідного сигналу, що і фіксує аналізатор. Гідність волоконно-оптичних сенсорів полягає в нечутливості їх до змінних магнітних і електромагнітних полів, а недоліки пов'язані з тим, що вони є пристосованими сенсорами.

На рис.15 показана конструкція електродинамічного сенсорного кабелю альфи, спеціально розробленого фірмою Geoquip для виявлення вібрацій при захисті периметрів. У захисній оболонці кабелю розміщені два полімерні магніти. У їх магнітних зазорах укладені фторопластові трубки, в яких вільно переміщаються рухомі чутливі провідники. Для зменшення тертя трубки зсередини змащують силіконовим мастилом. При зсуві тіла кабелю під впливом вібрації переміщаються магніти, а провідники залишаються на місці, оскільки володіють масою. Під дією змінного магнітного поля в провідниках виникає електричний струм, який сприймається аналізатором. Цей сенсор є пасивним. Він не вимагає зовнішнього джерела електричної енергії, а сам генерує електричний струм. Чутливість електродинамічного сенсора дуже висока. Вона соізмеріма| з чутливістю капсуля мікрофону. Ці сенсори відрізняються високою стабільністю параметрів і забезпечують високе відношення сигналу до шуму, приведеного до входу аналізатора.

Рисунок 15- Електродинамічний сенсор вібрацій

Кабельні вібраційні сенсори звичайно кріплять безпосередньо до конструкцій огорожі. Загальні принципи монтажу кабельних систем приблизно однакові. Вони показані на рис.15-16.

Рисунок 16- Кріплення аналізатора до огорожі

Рисунок 17- Сполучення зон охоронної сигналізації периметра

Всі лінійні модулі кабельної системи (аналізатори, кінцеві коробки, сполучні коробки і ін.) кріплять безпосередньо до огорожі за допомогою гвинтів і планок. Сенсорний кабель кріплять до огорожі пластиковими стягуваннями, стійкими до ультрафіолетового випромінювання, через кожні 200 мм. Сигнальні кабелі кріплять до огорожі такими ж стягуваннями. До аналізатора кабелі підводяться знизу через герметичні введення. Корпус аналізатора заземляють, для чого використовують заземлювач|, який забивають в землю. У районах з невеликою висотою сніжного покриву сенсорний кабель звичайно прокладають по середній лінії огорожі. У північних районах рекомендується прокладати кабель на висоті до 1,5 м від рівня землі.

Одне з достоїнств кабельних вібраційних систем полягає в тому, що сенсорним кабелем можуть бути захищені ворота і хвіртки, що потрапляють в зону охорони. Для цієї мети використовують комплект для підключення сенсора до воріт, а на стулках воріт або хвіртки кріплять петлю сенсора. Один кінець петлі сенсора на стулці воріт за допомогою цього комплекту електрично з'єднується з сенсорним кабелем, прикріпленим до огорожі. Інший кінець петлі підключається до фидерному| кабелю, який пропускається під воротами по обвідній трубі і за допомогою другого комплекту підключається до петлі сенсора на другій стулці воріт. Петля сенсора на другій стулці воріт, у свою чергу, підключається до сенсора, прикріпленого до огорожі вже по іншу сторону воріт. Так утворюється безперервний ланцюг охоронної сигналізації в зоні.

Якщо потрібно відключити ворота від зони охорони, використовують перемикач обходу комір, який містить дистанційно керовані комутаційні ланцюги, що дозволяють виключити петлі сенсора на воротях із загального ланцюга охоронної сигналізації. У денний час, коли воротами користуються часто, їх відключають від системи охоронної сигналізації периметра, перекладаючи контроль воріт на систему контролю і управління доступом і систему телевізійного спостереження. У нічний час коміра знов включають в загальний ланцюг охоронної сигналізації периметра. Важливо відзначити, що система працюватиме ефективно, якщо механічні властивості воріт і огорожі ідентичні. Це відбувається у разі, коли вони виготовлені з однакового матеріалу і конструкції їх схожі. Слід врахувати, що щоб уникнути помилкових спрацьовувань системи від вібрацій, які можуть відбуватися при відкритті і закритті воріт, підключення петель сенсора на воротях до сенсорів на огорожі проводять на деякому видаленні від стійок воріт. Щоб зберегти однорідність чутливості системи на стиках окремих зон охоронної сигналізації, в місцях сполучення утворюють додаткові петлі сенсора,

Розглянуті кабельні вібраційні системи прості, не вимагають зони відчуження і зручні в монтажі. Вони широко використовуються для захисту периметра найрізноманітніших об'єктів: об'єктів, що особливо охороняються, промислових підприємств, електростанцій, посольств, приватних володінь. Більшість з них успішно діє в самих різних кліматичних умовах. |Надійна робота вібраційних систем з використанням сенсорних кабелів можлива лише при виконанні декількох обов'язкових умов: механічні властивості огорожі повинні забезпечувати розповсюдження механічних коливань; ці властивості повинні бути однорідні в межах зони охорони; властивості вживаної системи повинні бути такими, що сполучаються з властивостями огорожі; огорожа не повинна служити джерелом випадкових вібрацій. Остання умова означає, що огорожа повинна бути справною; сітчаста огорожа - туго натягнутої; з огорожі повинні бути видалені всі сторонні предмети, які під дією вітру можуть викликати вібрації (у тому числі і гілки дерев і чагарника, які можуть стосуватися огорожі). Очевидно, що висота огорожі повинна бути такий, щоб її неможливо було подолати без торкання.

Радіохвильові системи

Принцип дії радіохвильових систем полягає в наступному. На деякій відстані паралельно один одному прокладаються два кабелі (дві антени) спеціальної конструкції, наприклад, показаної на рис.19 а. Зазори між розрідженими дротами "екрану" своєрідного коаксіального кабелю утворюють щілинну антену. Один з кабелів служить передавальною антеною, інший - приймальною антеною. При збудженні першої антени високочастотними коливаннями вона починає випромінювати електромагнітне поле, що сприймається другою антеною. При цьому приймач, підключений до приймальної антени, приймає сигнал. Якщо в околиці двох антен з'являється тіло певного об'єму з діелектричною або магнітною проникністю, відмінною від проникності вільного простору, електромагнітне поле, що сприймається приймальною антеною, спотворюється (змінюється його амплітуда і фаза). Ця зміна детектує і аналізується приймачем-аналізатором. Якщо аналізований сигнал перевищує порогове значення, формується сигнал тривоги.

Розподіл електричної складової (Е) електромагнітного поля в околиці кабелів показаний на рис.19 Зона чутливості по модулю подібної системи в поперечному перетині кабелів приймає форму спотвореного еліпса з полюсами, співпадаючими з положеннями кабелів. Максимальна чутливість системи лежить в площині, перпендикулярній площині розташування кабелів, співпадаючій з центральною віссю. Мінімальна чутливості системи знаходиться в площині розташування кабелів.

Рисунок 18- "Кабель витікаючої хвилі" - щілинна антена:

а) конструкція кабелю;

б) розподіл складової Е електромагнітного поля

При реалізації охоронних радіохвильових систем кабелі розташовують скритно в стіні або огорожі у вертикальній площині (рис.19 а); у землі в горизонтальній площині (рис.19 б); або в площині, похилої (один кабель в землі, інший - в огорожі).

Рисунок 19- Розташування кабелів радіохвильової охоронної системи:

а) у огорожі;

б) у землі

 

Реальна картина розподілу зони чутливості, звичайно, відрізняється від картин, зображених на рис.19. Поле спочатку спотворюється із-за впливу матеріалу огорожі і шару землі. Для зменшення впливу цих матеріалів на зону чутливості, особливо з урахуванням сезонних і погодних змін властивостей матеріалів, кабелі укладають в порожнисті труби, щоб стабілізувати умови в самій ближній до кабелів зоні. Подібні системи настроюють так, щоб зона чутливості при укладанні кабелів в землі доходила до зростання людини, що йде (1,5-1,8 м). Відстань між кабелями в цьому випадку лежить в межах двух-трох| метрів.

Радіохвильові системи вимагають зони відчуження, оскільки зона їх чутливості виходить за межі лінії огорожі Сигнал тривоги може викликати і перехожий, що йде по стежині уздовж огорожі, захищеною радіохвильовою системою, і поливна машина або вантажівка з металобрухтом, що проїжджає по дорозі в десяти-пятнадцати| метрах від огорожі [11]. При розташуванні кабелів в горизонтальній площині (у землі) вплив проїжджаючого транспорту знижується, оскільки він потрапляє в зону мінімальної чутливості системи. Конфігурація лінії периметра і перепади висот не роблять впливу на властивості радіохвильових систем. Щоб уникнути утворення мертвих зон кабелі суміжних зон охорони розміщують з деяким перекриттям (2-5 м) в подовжньому напрямі.

Радіопроменеві системи

Радіопроменеві системи містять передавачі і приймачі з вузьконаправленими антенами. Використовуваний діапазон частот звичайно лежить в межах від 10 до 40 ГГц. Перетин радіопроменя в горизонтальній (а) і вертикальній (б) площинах показаний на Мал. 13. Робочою зоною радіопроменевих систем вважають зону на ділянці ВС|. На ділянці АВ| промінь дуже вузький, і його можна обійти. На ділянці З площа поперечного перетину променя дуже велика в порівнянні з площею потенційного порушника, і що виявляє здатність системи виявляється зниженою. В той же час, наявність променя на достатньо протяжній ділянці CD за межами робочої зони накладає серйозні обмеження на мінімальні розміри зони відчуження. При використанні одиночних суміщених передавачів приймача типу радіолокаторів зона відчуження повинна перевищувати розміри ділянки CD. При тому, що розноситься приймача 2 і передавача 1 по різні кінці зони (рис.20 а) вимоги, що охороняється, до зони відчуження знижуються, але все таки залишаються із-за наявності мертвих зон поблизу передавача і приймача (рис 20 б). Фактично робоча зона поміщена між крапками В і B1, а ділянки АВ| і B1A1 виходять за межі зони, що охороняється [12]. Вони можуть бути віднесені до зон відчуження. Мертві зони утворюються і від затінювання радіопроменя складками місцевості і сторонніми предметами, розташованими на лінії охорони (рис 21 в).

Рисунок 20- Радіопроменева система

Рисунок 21-Радіопроменева система

а) форма діаграм спрямованості приймальної і передавальної антен в горизонтальній площині;

б) мертві зони, пов'язані з діаграмою спрямованості антен у вертикальній площині;

в) мертві зони, пов'язані з нерівностями грунту і наявністю сторонніх предметів

Радіопроменеві системи найчастіше використовують для контролю протяжних прямолінійних ділянок, коли є досить вільного простору для винесення приймачів і передавачів за межі зон, що охороняються. Радіопроменеві засоби виявлення, як правило, застосовуються одночасно з іншими засобами, які дозволяють закрити властиві радіопроменевим системам мертві зони.

Геофонні системи

Геофони - це сейсмічні датчики (сенсори), широко використовувані в геології для каратажа|, при якому реєструються коливання грунту від хвиль звукового діапазону частот, збуджених на поверхні землі, і відбитих від порід, що залягають на різних глибинах під землею. Геофони володіють надзвичайно високою чутливістю. Їх чутливість залежить від напряму джерела коливань. Максимальна чутливість спостерігається у вертикальному напрямі (уздовж осі датчика), мінімальна чутливість - в перпендикулярному до осі напрямі. Цю їх особливість враховують при проектуванні і монтажі систем охоронної сигналізації.

Розглянемо два характерні приклади застосування геофонних| датчиків в системах охоронної сигналізації периметра. Перша з систем - це система Geonet 651 серії М фірми SouthWest Micriwave. Геофони, встановлені в захисних корпусах, кріплять у вертикальному положенні безпосередньо до металевої огорожі на відстані приблизно 6 м один від одного. При спробі подолання огорожі порушником в ній виникають вібрації, які перетворяться геофоном в електричний сигнал (частотний діапазон 800-5000 Гц). Цей сигнал поступає в процесор 651, де піддається обробці, детектуванню і аналізу. Якщо сигнал, що детектує, перевищує порогове значення, формується сигнал тривоги. Вертикальне розташування геофону на огорожі дозволяє понизити рівень перешкод, викликаних природними явищами, наприклад, вітром. Вітер приводить до горизонтальних коливань огорожі, чутливість до яких у геофону мінімальна. |Типовий склад системи наступний. Шість геофонів, об'єднаних в два геофонні| ланцюги, обслуговуються одним процесором (Geonet M-series processor). Геофони кріпляться безпосередньо до огорожі стягуваннями з неіржавіючого дроту на відстані б м один від одного, перекриваючи ділянку завдовжки приблизно 36 м. Об'єднання дев'яти подібних ділянок дозволяє утворити зону охорони, протяжністю до 300 м. Сигнал від процесора поступає в приймально-контрольну панель (ICU controller). Інформація з панелі може бути відображена на дисплеї, роздрукована на принтері або передана по каналу зв'язку.

Основним середовищем розповсюдження вібрацій, що детектують, для системи служить сама металева огорожа, в якій коливання затухають значно слабкіше, ніж в землі. Тому у разі використання цієї системи для охоронної сигналізації периметра зона відчуження не потрібна, оскільки коливання, що викликають сигнал тривоги, виникають лише при безпосередньому контакті порушника з огорожею [13].

Іншу систему Psicon випускає англійська фірма Geoquip Ltd. Ця система призначена для установки в підставі масивної огорожі, виконаної з цеглини, природного каменя або бетону. Геофони замуровують в огорожу і сполучають їх кабелями з аналізаторами, в яких відбувається обробка, детектування сигналу і формування сигналу тривоги. У системі Psicon проводиться тривимірна обробка сигналу, що приймається, і його порівняння із зразками "небезпечних" і "безпечних" сигналів, що зберігаються в архіві системи. При настройці цієї системи здійснюють імітацію небезпечних і безпечних дій і доповнюють архів новими зразками сигналів, одержаних в конкретних реальних умовах. Середовищем розповсюдження коливань є огорожа, її фундамент і земля поблизу фундаменту, і зона відчуження при використанні такої системи бажана. При сезонних і погодних змінах параметрів землі потрібна додаткова настройка системи.