литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 22. Расходомеры и счетчики

где R0 — радиус кривизны геометрической оси криволинейного участка трубопровода; Ш — корректировочный коэффициент, зависящий от вязкости измеряемой среды и шероховатости трубопровода; о — коэффициент, характеризующий степень неизотермичности процесса сжатия газа в цилиндрическом колене; с — плотность; p1, p2 — давления, отбираемые на внутренней и внешней (по радиусу кривизны) стенках трубопровода; p0 = (p1 + p2)/2. При p2/p1 < 2 как для жидкостей, так и для газов с достаточной для практики точностью можно использовать формулу (22.32).

22.18.Турборасходомеры

Втурборасходомерах производится закручивание потока относительно вектора его актуальной скорости [13,15].

Момент Мвр, необходимый для обеспечения устойчивого вращения потока с угловой скоростью щ, определяется (без учета сил трения) соотношением

где J — момент инерции среды.

Учитывая, что dJ = Rи2 dm (Rи — радиус инерции; m — масса среды) и dm/dt = Qм (массовый расход среды), из выражения (22.34) получим общее для всех турборасходомеров уравнение для определения Qм :

При торможении предварительно закрученного потока на тормозящее устройство будет действовать момент, соответствующий выражению (22.34), и уравнение приборов, использующих эффект торможения потока, не будет отличаться от выражения (22.35).

Основным источником методических погрешностей турборасходомеров является непостоянство сил трения в их гидравлическом тракте, обусловленное изменениями вязкости, температуры и других параметров измеряемой среды.

В настоящее время существует большое число различных модификаций турбинных датчиков массового расхода, отличающихся способами вращения потока, измерения Мвр и значениями Rи.

22.19.Кориолисовые и гироскопические расходомеры

Врасходомерах этой группы закручивание и торможение потока производится с помощью вращающихся элементов трубопровода сложной формы [13, 15].

Кориолисовый расходомер (рис. 22.28) состоит из двух Т-образных участков 2 и 6 трубопровода, сочлененных при помощи гибких соединений 1 и приводимых во вращение с постоянной угловой скоростью щ специальным приводным механизмом. Прибор размещен в корпусе 5 (показан условно).

22.19. Кориолисовые и гироскопические расходомеры

При протекании вещества со скоростью хср через вращающийся в уплотнителных муфтах 4 элемент трубопровода в потоке возникает направленное против вращения ускорение Кориолиса, равное а = 2щхср. Вследствие этого в каждой ветви Т-образного участка создается усилие

Fк m2Πсp 2Qм (R2 R1), (22.36)

и во вращающемся участке возникает момент, равный

В результате действия этого момента Т-образные участки, деформируя гибкое соединение 1, поворачиваются относительно друг друга на некоторый угол б. Угол поворота б преобразуется в электрический сигнал при помощи торсионного датчика 3. Значение этого сигнала пропорционально Мк, а, следовательно, при постоянной угловой скорости вращения и массовому расходу вещества.

Гироскопический расходомер (рис. 22.29) состоит из эксцентричных элементов трубопровода сложной конфигурации. Устройство приводится во вращение относительно оси АА с постоянной угловой скоростью. Возникающий при этом гироскопический момент Мг стремится повернуть ротор относительно оси ВВ. Величина

пропорциональна массовому расходу вещества и преобразуется в соответствующий электрический сигнал с помощью датчиков деформации.

Относительно невысокая точность кориолисовых и гироскопических расходомеров, характеризуемая приведенной погрешностью 1—2 %, объясняется большими температурными влияниями на жесткость упругих элементов, их гистерезисом и последействием, а также трудностями поддержания постоянным числом оборотов приводного механизма при колебаниях расхода. Расходомеры данного типа громоздки, сложны в эксплуатации, требуют специальных вращающихся уплотнительных устройств и большой мощности приводного механизма.

Два последних недостатка отсутствуют у вибрационных расходомеров, в которых вращательное движение участка трубопро-

Глава 22. Расходомеры и счетчики

вода заменяется колебательным. Однако точность вибрационных расходомеров получается меньшей.

Преимуществом кориолисовых и гироскопических расходомеров является полная независимость их показаний от вязкости измеряемой среды. Поэтому их целесообразно применять лишь при измерении массового расхода веществ с большим диапазоном изменения вязкости.

Литература

1.Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. Справочные материалы. М.: Машиностроение, 1965. 928 с.

2.Андронов И.В. Измерение расхода жидкостей и газов. М.: Энергоиздат, 1981. 88 с.

3.Балдин А.А., Бошняк Л.Л., Соловский В.М. Ротаметры. Л.: Машиностроение, 1983. 198 с.

4.Биргер Г.И., Бражников Н.И. Ультразвуковые расходомеры. М.: Металлургия, 1964. 300 с.

5.Бобровников Г.Н., Новожилов Б.М., Сарафанов. Бесконтактные расходомеры. М.: Машиностроение, 1985. 128 с.

6.Жерновой А.И., Латышев Г.Д. Ядерный магнитный резонанс в проточной жидкости. М.: Атомиздат, 1964. 416 с.

7.Жерновой А.И. Ядерно-магнитные расходомеры. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1985. 136 с.

8.Кажис Р.Й. Ультразвуковые информационно-измерительные системы. Вильнюс: Мокслас, 1986. 215 с.

9.Катыс Г.П. Автоматический контроль полей скоростей и расходов. М.: Наука, 1965. 464 с.

10.Киясбейли А.Ш., Перельштейн М.Е. Вихревые измерительные приборы. — М.: Машиностроение, 1978. 152 с.

11.Киясбейли А.Ш., Измайлов А.М., Гуревич В.М. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. М.: Машиностроение, 1984. 127 с.

12.Коротков П.А., Беляев Д.В., Азимов Р.К. Тепловые расходомеры. Л.: Машиностроение, 1969. 176 с.

13.Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 701 с.

14.Логинов Н.И. Электромагнитные преобразователи расхода жидких металлов. М.: Энергоиздат, 1981. 104 с.

15.Цейтлин В.Г. Техника измерения расхода и количества жидкостей, газов и паров. М.: Изд-во стандартов, 1981. 192 с.

ГЛАВА 23

ДАТЧИКИ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

23.1. Состав систем охранной сигнализации

Охранная сигнализация — это система, позволяющая гарантированно и оперативно известить хозяев и/или правоохранительные органы о попытке или факте несанкционированного проникновения на охраняемую территорию либо о возникновении аварийной ситуации (пожар, утечка газа, затопление и т.д.).

Системы охранной сигнализации существуют следующих видов:

—автономная охранная система;

—GSM сигнализация;

—система сигнализации с подключением к телефонной линии;

—система охранной сигнализации с подключением к центральному пульту.

Наиболее простой охранной сигнализацией является так называемая авто номная, цель которой — отпугнуть злоумышленника и оповестить собственника. В случае срабатывания какого-нибудь датчика активизируется сирена или строб-вспышка.

GSM охранная сигнализация при срабатывании датчика отправляет тревожные сообщения в виде SMS (short message service) на мобильный телефон.

Система сигнализации с подключением к телефонной линии при возникновении тревожной ситуации передает заранее записанное голосовое сообщение по телефонной линии на запрограммированные телефонные номера (как стационарные, так и мобильные).

Наибольший эффект достигается при использовании системы охранной сигнализации с подключением к центральному пульту вневедомственной охраны или к пульту централизованного наблюдения частного охранного предприятия. В данном случае все тревожные сигналы поступают на пульт централизованного наблюдения. Оператор, получив информацию от охранной системы, принимает необходимые меры в зависимости от ситуации.

Охранная система может состоять из [3]:

—аппаратуры контроля доступа, которая предназначена для подтверждения прохода в охраняемую зону (например, электронная проходная на заводах, в госучереждениях и т.д.);

—устройств регистрации вторжения, в задачу которых входит обнаружение вторжения и обработка информации, принятой от датчиков;

—аппаратуры дистанционного управления охранной системой, служащей для удаленного отключения охраны уполномоченными на это лицами. Для дистанционного управления могут использоваться специализированный защищенный канал, телефонная линия, радиоканал и др.;

Глава 23. Датчики охранной сигнализации

— системы теленаблюдения, видеосигнал с которых передается в специализированный центр слежения.

На рис. 23.1 представлена одна из многих разновидностей структурных схем охранной системы. Выбор схемы в каждом конкретном случае обуславливается наличием определенных технических средств (например, стационарного телефона), местоположением обьекта, необходимой функциональностью и др. [2].

Рис. 23.1. Структурная схема охранной системы

Оператор после принятия сигнала тревоги следует согласно инструкции, согласованной охранной фирмой с собственником охраняемого обьекта. В случае невозможности связи с владельцем оператор может предупредить кого-нибудь из его доверенных лиц.

До недавнего времени большим недостатком систем охранной сигнализации было использование проводных телефонных линий. При их отсутствии охрана объекта становилась проблематичной — необходимо было дополнительно решать проблему подведения линий. На сегодняшний день проводная телефонная связь является морально устаревшей и вряд ли в дальнейшем будет серьезно развиваться.

Перспективным является использование беспроводных технологий с их несомненными преимуществами по сравнению с традиционными проводными охранными системами:

—возможность охраны любого объекта, в том числе мобильного, независимо от его расположения;

—отсутствие кабельных соединений (вместо них применяются электромагнитные связи или радиосвязь) между компонентами системы;

—простота установки и демонтажа (удобно для людей, часто меняющих место проживания);

—питание сигнализации от сети или аккумулятора, а датчиков — от батареек;

—универсальность — из простых элементов можно построить систему любой сложности, высокая скорость монтажа и запуска в эксплуатацию, возможность оперативного изменения конфигурации, отсутствие значительных ограничений для подключения к существующей системе охраны и т.д.

23.1.Состав систем охранной сигнализации

Кнедостаткам беспроводных систем можно отнести:

—необходимость периодической проверки радиосвязи;

—отсутствие единых стандартов при проектировании систем охранной сигнализации и, как следствие, плохая совместимость между изделиями различных производителей.

Системы охранной сигнализации состоят, в основном, из трех частей:

—датчики;

—контрольные панели;

—устройства оповещения и реагирования.

Датчик — чувствительный элемент, преобразующий контролируемый параметр в электрический сигнал [4]. Предназначается для определения наличия угрозы безопасности и неприкасаемости охраняемого объекта и передачи тревожного сообщения для своевременного реагирования.

Особенность датчиков для охранных систем состоит в том, что они регистрируют в основном неэлектрические величины. Надежность датчиков обеспечивается обычно цифровыми методами обработки сигналов. Как правило, датчики объединяются в зоны. Под зоной понимается один или несколько датчиков, охраняющих определенный объект или участок объекта.

Контрольная панель (концентратор) — это центральное устройство охранной системы, выполненное на базе микропроцессора. Все функции системы определяются программой микропроцессора. Параметры программы задаются пользователем со специального пульта. Концентраторы могут подключаться к персональным компьютерам для обработки и регистрации сигналов тревоги, автоматического анализа состояния датчиков и функционирования всей системы, принимать и передавать сообщения через коммуникационный модуль в автоматическом режиме.

Устройства оповещения и реагирования предназначены для выдачи звуковой, световой, а также речевой сигнализации и SMS-сообщений о состоянии охраняемого объекта.

При работе беспроводной системы каждый передатчик передает следующие типы сигналов [3]:

—сигналы тревоги;

—служебные сигналы;

—контрольные сигналы.

Сигналы тревоги передаются при возникновении тревожной ситуации в охраняемом пространстве, а также при вскрытии корпуса передатчика.

Служебные сигналы передаются при нарушении работоспособности передатчика, например, при разряде элементов питания.

Контрольные сигналы передаются со строгой периодичностью независимо от других сигналов и фиксируются контрольной панелью. Если в течение запрограммированного интервала времени концентратор не получил ни одного контрольного сигнала (вследствие умышленного экранирования или вывода из строя передатчика), концентратор информирует об этом пользователя специальным сигналом неисправности и/или передает сообщение на центральную станцию мониторинга.

Глава 23. Датчики охранной сигнализации

Таким образом, набор передаваемых сигналов позволяет концентратору получать полную информацию не только о состоянии охраняемого помещения, но и о состоянии самого передатчика, обеспечивая высокий уровень надежности всей беспроводной системы охраны в целом.

Схема построения беспроводной системы не исключает возможности использования проводных зон. Более того, в общем случае охранная система может одновременно иметь все признаки как беспроводной, так и проводной системы. Использование комплекта беспроводного оборудования может значительно расширить возможности уже существующей проводной системы сигнализации.

Особенностью любых охранных систем является их блочная конструкция. Это значит, что простейшую охранную сигнализацию можно постепенно усложнять с помощью добавления различных блоков, что способствует увеличению ее функциональности, надежности, помехозащищенности и т.д.

Наиболее универсальным блоком любой охранной сигнализации является, как правило, пульт охранной сигнализации. К концентратору могут быть подключены десятки пультов охранной сигнализации. Одна из простейших электрических схем пульта охранной сигнализации представлена на рис. 23.2.

Для обеспечения минимального потребления электроэнергии, работы устройства в широком диапазоне напряжений разработку электрической принципиальной схемы лучше осуществлять на базе широко распространенных КМОП микросхем [3—6].

Разработка пульта охранной сигнализации начинается обычно со сканера датчиков. Он должен автоматически запоминать состояние датчиков в момент включения устройства. Для реализации данной функции используется четырехразрядный последовательно-параллельный регистр К561ИР9 [7] (DD3), который включен таким образом, чтобы работал в режиме параллельной загрузки информации при включении схемы.

В качестве датчиков, используемых в системах охранной сигнализации, применяются, как правило, датчики, имеющие релейный выход при срабатывании [2]. К одному охранному шлейфу может подключаться несколько датчиков, замкнутых в кольцо таким образом, чтобы при размыкании хотя бы одного датчика разрывалась вся цепь.

Для обеспечения сравнения текущего состояния датчиков с исходным состоянием можно использовать микросхему К561ЛП2 (DD2), которая представляет собой четыре логических элемента «исключающее ИЛИ», на входы каждого из которых заведен сигнал начального состояния датчика из регистра (инверсный) и сигнал текущего состояния соответствующего датчика. При выявлении несоответствия на выходе элемента появляется сигнал в виде логической «1».

Для объединения исходных сигналов сканера датчиков с целью их последующей обработки используется диодная матрица КДС627А (VD17), сигналы из которой поступают к устройству формирования часовых интервалов.

С целью формирования управляющего сигнала на основе сигнала о срабатывании датчиков используется триггер, построенный на логических элементах «ИЛИ-НЕ» микросхемы К561ЛЕ5 (DD5.1- DD5.3).

23.1. Состав систем охранной сигнализации

Рис. 23.2. Схема пульта охранной сигнализации

Для формирования часовых интервалов необходимо включить в схему генератор импульсов. Для его построения используются логические элементы микросхемы К561ЛЕ5 (DD7.1, DD7.2), резисторы R27, R28 и конденсатор C11.

Для реализации часовых интервалов различной длительности в качестве делителя частоты используется 14-разрядный асинхронный счетчик К561ИЕ16 (DD8), на который поступают импульсы с генератора.

Селектор часовых интервалов строится на базе логических элементов «ИЛИ-НЕ» микросхем К561ЛЕ5 и К561ЛЕ10 (DD9, DD7.4, DD10).

Кроме того, необходимо обеспечить режим ожидания начала отсчета первого часового интервала (12 с к переходу устройства в режим охраны после его

Глава 23. Датчики охранной сигнализации

включения). С этой целью используется триггер, построенный на логических элементах «И-НЕ» микросхемы К561ЛА7 (DD6.1 — DD6.3).

В качестве устройства исходной коммутации для обеспечения возможности подключения устройств внешней сигнализации о проникновении на охраняемый объект используется реле РЭС48 (KV2), управление которым осуществляется посредством электронного ключа на транзисторе VT8.

С целью обеспечения удобства в использовании необходимо создать возможность ограничения общего времени работы блока исходной коммутации в том случае, когда датчики постоянно ложно срабатывают. Это можно осуществить посредством двоичного четырехразрядного счетчика К561ИЕ11 (DD4), который удобно применять для подсчета прироста данных.

Поскольку питание схемы является смешанным (с возможностью перехода на питание от аккумулятора при исчезновении напряжения в сети), то необходимо обеспечить контроль напряжения аккумулятора. В качестве контролирующего элемента используется биполярный транзистор в режиме электронного ключа (VT7), который должен реагировать на снижение напряжения ниже 9 В.

Для обеспечения удобства эксплуатации устройство охранной сигнализации должно иметь световую индикацию, которую можно реализовать с помощью светодиодов (VD10, VD15, VD16). Для управления работой светодиодов используются электронные ключи на базе транзисторов (VT3, VT4, VT6).

Поскольку включение и выключение системы из режима охраны с целью уменьшения потребляемой системой мощности лучше осуществлять за счет подачи и снятия напряжения питания, то для его коммутации можно использовать контакты поляризуемого реле РПС32Б (KV1), которое выполняет роль триггера. Особенностью такого реле является способность поддерживать контакты в необходимом положении при отсутствии напряжения на обмотке, но достаточно кратковременной подачи напряжения на соответствующую обмотку, чтобы переключить контакты. Выключение системы осуществляется за счет кратковременной подачи напряжения на вторую обмотку реле с помощью транзистора VT3, управление которым осуществляется кодовым выключателем.

Для обеспечения выключения системы из режима охраны посредством кодовой комбинации используется один из существующих вариантов построения кодового кнопочного выключателя с цифровой клавиатурой, схема которого изображена на рис. 23.3.

Схема кодового устройства собрана на одной микросхеме К561ТР2 (DD1), которая содержит четыре RS-триггера. Код состоит из четырех цифр. Кнопки с соответствующими цифрами нужно нажимать в заданной последовательности (SB7-SB8-SB9-SB10), в результате чего последний сработавший триггер откроет транзистор VT3, что и приведет к подаче напряжения для переключения реле KV1 [2]. Чтобы схема не оставалась долгое время в таком состоянии, используется транзистор VТ2, который обеспечивает обнуление всех триггеров через определенное время, обусловленное зарядом конденсатора С2 через резистор R9. При нажатии (в процессе набора) ошибочной цифры происходит обнуление всех триггеров. Индикатором правильного набора номера является кратковременное свечение светодиода VD3.

23.1. Состав систем охранной сигнализации

Рис. 23.3. Схема кодового кнопочного выключателя на RS-триггерах

Электрическая схема блока передачи информации о проникновении на охраняемый объект по телефонной линии (рис. 23.4) построена на базе специализированной микросхемы КР1008ВЖ1 (DD4) — электронного номеронабирателя с внутренней памятью на 22 цифры [8]. Устройство обеспечивает автоматический набор номера нужного абонента при появлении сигнала тревоги. Установление номера осуществляется при включенном переключателе SA1.

Автоматический набор номера осуществляется микросхемой при последовательном нажатии на клавиши «#» и «*». Эту комбинацию соединений выполняют электронные ключи на элементах DD2.1 и DD2.3 микросхемы К561КТ3 (вместо нажатия «#» достаточно прервать питание на выводе 6 микросхемы DD4). Для управления работой электронных ключей используются триггер К561ТМ2 (DD1) и счетчик импульсов К561ИЕ8 (DD3).

Импульсы кодового набора номера, которые поступают с выхода 12 микросхемы DD4, руководят работой транзистора VT4. Коммутацию телефонной линии при наборе номера осуществляют контакты герконового реле РЭС55А (KV1), что обеспечивает полную электрическую развязку цепей схемы от телефонной линии.

Схема микрофонного усилителя, собранная на транзисторах VT1-VT3 [9], питается от телефонной линии и подключается к ней контактами реле KV1.