Тема 19. Передача аналоговых сигналов датчиков.

Определение структуры номенклатуры и характеристик используемых датчиков, преобразователей для обеспечения эффективного функционирования электронной системы безопасности.

3. Общая характеристика контрольной работы

Данная работа предусматривает выполнение двух заданий. В первом задании требуется представление в письменном виде ответа на один или группу связанных вопросов по разделам 1-6. Второе задание предусматривает расчет шлейфа охранно-пожарной сигнализации с контролем по напряжению.

В первом задании каждый студент получает один вопрос или группу связанных вопросов, которые необходимо изучить и представить в письменном виде с представлением поясняющих иллюстраций. Вопросы могут быть получены студентом в электронном виде из предложенного списка в соответствии с заданным номером. При ответе необходимо использовать не только рекомендуемую литературу, но и другие источники, позволяющие более глубоко и полно ответить на поставленные вопросы.

Во втором задании проводится расчет шлейфа охранно-пожарной сигнализации с контролем по напряжению.

Студент должен представить в письменном виде описание принципов работы шлейфов сигнализации, разработать структурную и эквивалентную схему шлейфа охранно-пожарной сигнализации , провести расчет уровней срабатывания нормально замкнутого или нормально открытого извещателя, выбрать и описать конструкцию выбранных извещателей.

1. Задание №1

Каждый студент выполняет вариант контрольного задания, номер которого соответствует двум последним цифрам шифра зачетной книжки студента.

В таблице 3 представлены номера вопросов, составляющие контрольное задание для каждого варианта.

Номера вариантов к заданию №1

Таблица 3.

Контрольные вопросы

1. Классификация датчиков и передаточная функция.

2. Статические и динамические характеристики датчиков.

3. Электрические поля, заряды и потенциалы.

4. Емкость, конденсатор, диэлектрическая проницаемость.

5. Сопротивление, удельное сопротивление, температурная чувствительность.

6. Тензоэффект, его свойства и применение.

7. Пьезоэлектрический эффект, пьезоэлементы и их характеристики.

8. Пироэлектричекий эффект, приоэлементы.

9. Эффект Холла, датчики Холла и их характеристики.

10. Поверхностно акустические волны и детекторы на их основе.

11. Эффект Зеебека и эффект Пельтье.

12. Температурные и тепловые свойства материалов.

13. Теплопрводность, тепловая конвекция, тепловое излучение.

14. Электромагнетизм, Закон Фарадея, индукция и их применение в преобразователях.

15. Акустические волны и их характеристики.

16. Световое излучение, светодиоды, лазеры.

17. Пьезоэлектрические преобразователи, конструкции, материалы.

18. Пироэлектрические преобразователи, конструкции, материалы.

19. Тензопреобразователи, тензодатчики, конструкции, схемы подключения.

20. Термосопротивления, материалы, конструкции, схемы подключения.

21. Термопары, материалы, конструкции, схемы подключения.

22. Оптические и контактные извещатели.

23. Емкостные электростатические преобразователи, конструкции, материалы, схемы подключения.

24. Сенсоры для измерения температуры: разновидности, конструкции, материалы.

25. Фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом и преобразователи на их основе.

26. Ионизационные преобразователи, материалы конструкции.

27. Ионизационные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера.

28. Полупроводниковые датчики радиоактивности.

29. Электромеханические и гравитационные преобразователи и их конструкции.

30. Акустические преобразователи. Разновидности, конструкции.

31. Классификация извещателей пожарной сигнализации. Точечные тепловые извещатели, Принцип действия, конструкции.

32. Точечные дымовые извещатели. Принцип работы, конструктивное исполнение, особенности применения.

33. Аспирационные и линейные дымовые извещатели. Основные принципы работы, конструктивное исполнение.

34. Извещатели пламени и опасных концентраций газа. Принцип работы, конструктивное исполнение, особенности применения.

35. Пассивные и активные инфракрасные извещатели объема. Принцип действия, конструкции, диаграммы направленности.

36. Оптические волокна и датчики на их основе. Принцип действия, конструктивное исполнение.

37. Линзы Френеля. Конструкции, материалы, особенности применения.

38. Детекторы присутствия объектов. Разновидности, принцип работы, конструкции.

39. Детекторы движения объектов. Разновидности, принцип работы, конструкции.

40. Комбинированные датчики движения.

41. Извещатели периметральной охраны. Разновидности, характеристики, особенности применения, конструкции.

42. Схемы включения извещателей в шлейфы сигнализации и передача информации по уровням напряжения и тока.

43. Ультразвуковые датчики разбития стекла. Принцип действия, конструкции, особенности применения, алгоритмы обработки сигнала.

44. Датчики охраны ценностей. Принцип действия, конструкций, особенности применения.

45. Тактильные чувствительные элементы. Принцип действия, конструкции.

46. Датчики скорости и ускорения. Разновидности, характеристики, принципы работы.

47. Датчики давления. Единицы измерения давления, разновидности датчиков, характеристики конструкции.

48. Вакуумные датчики. Разновидности, принцип работы, конструкции.

49. Классификация химических детекторов. Датчики прямого действия.

50. Металл-оксидные химические датчики и химические полевые транзисторы. Принцип действия, конструкции.

51. Электрохимические, потенциометрические и кондуктометрические датчики. Принцип работы, конструкции.

52. Вибрационные извещатели и микрофонные кабели для периметральной охраны.

53. Магнитоупругие преобразователи. Принцип действия, конструкции

54. Микроволновые датчики движения.

55. Резистивные, электростатические, оптоволоконные, пьезоэлектрические, электретные микрофоны. Характеристики, конструкции, достоинства и недостатки.

56. Оптические сенсоры. Приборы с зарядовой связью.

57. Материалы применяемы для изготовления конструкций датчиков.

58. Поверхностные технология получения тонкопленочных и толстопленочных элементов датчиков.

59. Нанотехнологии создания микроэлектромеханических преобразователей.

60. Детекторы световых излучений.

2. Задание №2

   1. Теоретическая часть

В общем случае охранно-пожарная сигнализация состоит из четырех компонентов: источника питания, шлейфа сигнализации, цепи сравнения и оконечного устройства. Схема электрическая структурная охранно-пожарной сигнализации показана на рисунке 18.

Рис. 18 – Схема электрическая структурная охранно-пожарной сигнализации.

Источник питания предназначен для подачи напряжения на извещатели и на делитель напряжения.

Делитель напряжения предназначен для деления опорного напряжения на напряжение уровней срабатывания, рассчитанных при проектировании системы. Напряжение с делителя поступает в цепь сравнения.

Цепь сравнения предназначена, для сравнения напряжения в цепи извещателей с напряжением на делителе. По результатам этого сравнения получаем соответствующий сигнал от оповещателя.

Принцип работы системы охранно-пожарной сигнализации заключается в контроле датчиков (извещателей) охранной или пожарной сигнализации по которым, оценивается состояние объекта.

Задача извещателей определить параметры контролируемой среды и передать информацию на прибор сигнализации. Принцип передачи информации является основной и наиболее существенной характеристикой охранной или пожарной системы. Традиционно существуют три основных способа передачи информации от извещателей к прибору сигнализации:

1. изменением напряжения в шлейфе сигнализации;

2. изменением тока в шлейфе сигнализации;

3. передачей информации в виде кодовых посылок, осуществляемых модуляцией тока или напряжения в шлейфе сигнализации.

Передача информации путем изменения напряжения в шлейфе является наиболее распространенным и простым методом. Принцип передачи показан на

Рис. 19.

В дежурном режиме извещатели имеют состояние, показанное на схеме. Напряжение в шлейфе Uшс обусловлено номиналами резисторов Rпр, Rок, которые образуют делитель для напряжения Uп. при сработке одного извещателя типа Днз его контакты размыкаются, и последовательно оконечному резистору подключается сопротивление Rи. Нижнее плечо делителя увеличивается и напряжение в шлейфе повышается. Величина повышения определяется номиналом резистора Rи. При сработке второго извещателя типа Днз происходит дополнительное повышение напряжения. При обрыве шлейфа – напряжение Uшс сравнивается с напряжением Uп. При сработке извещателя типа Дно его контакты замыкаются и параллельно резистору Rок подключается резистор Rи, что приводит к уменьшению напряжения. Аналогично предыдущему случаю номинал резистора Rи и количество сработавших извещателей определяют величину изменения напряжения. При замыкании шлейфа его напряжение будет равно 0.

Рис. 19 – Передача информации в шлейфе сигнализации

• Uп – напряжение питания прибора;

• Uшс – напряжение в шлейфе сигнализации;

• Rок – оконечный резистор, устанавливаемый на конце шлейфа;

• Rпр – резистор, установленный внутри прибора;

• Rи – резисторы устанавливаемые параллельно или последовательно с извещателями;

• Дно – извещатель с нормально-разомкнутыми контактами;

• Днз – извещатель с нормально-замкнутыми контактами.

Очевидно, что действие извещателей обеих типов противоположно и их одновременная сработка взаимно компенсирует изменение напряжения, поэтому в шлейф допускается включать извещатели только одного типа, или исключать возможность сработки обеих типов извещателей одновременно.

В реальных условиях эксплуатации необходимо учитывать следующие обстоятельства:

1. номиналы резисторов имеют отклонения как в положительную, так и в отрицательную сторону;

2. провода шлейфа имею сопротивление отличное от нуля;

3. между проводами шлейфа возможно образование цепей утечки.

С учетом этих обстоятельств состояния нормы неисправности и сработки будут характеризоваться не четкими уровнями, а областями, в пределах которых, могут находиться напряжения, соответствующие каждому состоянию извещателей и шлейфа.

Кроме того, при анализе шлейфа с извещателями типа Дно необходимо учитывать, что ими, как правило, являются дымовые извещатели, питающиеся от этого же шлейфа.

Рис. 20 – Эквивалентная схема реального шлейфа сигнализации

• Rшс – паразитное сопротивление проводов шлейфа;

• Rут – эквивалентное сопротивление цепей утечки

Примечание: Предельные значения Rшс и Rут являются обязательными для указания в эксплуатационной документации на прибор сигнализации.

Минимальное напряжение питания извещателей в большинстве случаев не ниже 9В, потребляемый ток от 50 до 100 мкА, при срабатывании на извещателе происходит падение напряжения от 5 до 8 В (в зависимости от типа извещателя). Эквивалентная схема дымового извещателя, для анализа шлейфа с контролем по напряжению показана на рисунке 21:

Рис. 21 – Эквивалентная схема дымового извещателя

где Rэ – эквивалентное сопротивление тока потребления извещателя.

Для обеспечения напряжения, необходимого для питания дымовых извещателей параллельно резистору прибора предполагается устанавливать добавочное сопротивление, такого номинала, чтобы напряжение в шлейфе поднялось выше 9,5 В. Если предполагается, что прибор должен распознавать сработку двух извещателей, отношение сопротивлений прибора (с учетом добавочного сопротивления) и сопротивления извещателя выбирают таким, чтобы при срабатывании первого извещателя напряжение в шлейфе было достаточным для питания оставшихся извещателей. Чтобы прибор мог идентифицировать уровни, соответствующие состояниям дымовых извещателей, кроме добавочных резисторов в приборе устанавливают соответствующую опцию.

Для увеличения числа извещателей в шлейфе сигнализации необходимо уменьшать добавочное сопротивления, однако это затруднит отличие границ «Норма»-«Обрыв», кроме того, при большом числе извещателей, их эквивалентное сопротивление может «подменять» оконечный резистор и удаление части извещателей окажется незамеченным.

Напряжение на шлейфе U_шсобусловлено номиналами сопротивлений прибораR_при оконечного резистораR_ок. Это напряжение является номинальным, т.е система находится в исправном, идеальном состоянии. Оконечный элемент предназначен для выполнения антисаботажных требований и обеспечения возможности контроля шлейфа на всем протяжении. В качестве оконечного элемента в шлейфах такого типа используется резистор. Его номинал является условно скрытым, т.е частично обеспечивающим элемент скрытности. При сработке одного из извещателей его контакты размыкаются, и последовательно оконечному резистору подключается сопротивлениеR_и, что приводит к увеличению нижнего плеча делителя – напряжение в шлейфе увеличивается. Величина повышения напряжения определяется номиналом резистораR_и. При сработке еще одного извещателя происходит дополнительное увеличение напряжения. В случае обрыва напряжениеU_шссравнивается с напряжением источника питанияU_ппри коротком замыкании – близко к потенциалу земли.

В реальных условиях эксплуатации необходимо учитывать, что провода шлейфов имеют сопротивление отличное от нуля (R_шс), между проводами шлейфов возможно образование цепей утечки (R_ут), номиналы резисторов имеют отклонения как в положительную, так и в отрицательную сторону.

С учетом этого рассчитывается не точный уровень, а область возможных значений напряжения, т.е область срабатывания датчика. Выделяют следующие области : обрыв, короткое замыкание, номинальное напряжение, область срабатывания датчика 1,2,3…N. Обрыв и короткое замыкание относятся к неисправностям системы.

Шлейф охранной сигнализации представляет собой делитель напряжения, схематично представлен на рисунке 22.

Рис 22. – Делитель напряжения

• U_п – напряжение питания;

• U_шс – напряжение шлейфа;

• R_пр – выходное сопротивление прибора;

• R_экв – эквиалентное сопротивление шлейфа.

Расчет делителя напряжения осуществляется по формуле

(1)

Согласно эквивалентной схемы, показанной на рисунке 3, в режиме «нормы» эквивалентное сопротивление можно выразить:

(2)

Т.к. , то подставляя значенияив формулу (1) определяем значение.

(3)

В нормальном состоянии сопротивление резисторов извещателей не учитывается, т.к. по нему не протекает ток. При срабатывании извещателей на него начинает поступать ток, в результате чего сопротивление шлейфа сигнализации увеличивается:

, (4)

где n– количество сработанных извещателей.

С увеличение сопротивления шлейфа так же будет увеличиваться напряжение шлейфа.

Следует также учесть, что сопротивление шлейфа сигнализации в среднем составляет около 100 Ом, а сопротивление утечки – 20 кОм, в основном используются резисторы с параметрами разброса 5%. Расчеты уровней напряжений производятся для следующих состояний: при нормальном состоянии, коротком замыкании, обрыве, срабатывании одного, двух и трех извещателей. Так как у резисторов нет постоянного номинального сопротивления, а оно варьируется в диапазоне, то каждый из уровней срабатывания будет представлять собой область, со своим минимальным и максимальным значением. В зависимости от значения напряжения (в какой области оно находится) будет срабатывать определенный тип оповещателя.

Аналогично проводится расчёт шлейфа сигнализации с нормально – разомкнутыми контактами

В дежурном режиме, когда все контакты датчиков разомкнуты, на выходе шлейфа устанавливается напряжение, равное:

(5)

Оно принимается за норму. Т.к. равно, из формулы (5) можно определить.

При срабатывании извещателя в нижнем плече делителя параллельно с R_окдобавляется сопротивление датчика, что приводит к снижению уровняU_шс. Прибор, обнаружив, идентифицирует это как сработку извещателя. При одновременном срабатывании нескольких извещателей напряженияU_шс снижается ступенчато, что позволяет прибору определять количество сработавших извещателей.

В нормальном состоянии сопротивление резисторов извещателей не учитывается, т.к. по нему не протекает ток. При срабатывании извещателей на него начинает поступать ток, в результате чего сопротивление шлейфа сигнализации увеличивается:

, (6)

где n – количество сработавших датчиков.

При обрыве шлейфа U_шс≈U_num при коротком замыкании U_шс≈0.

Пример 1:

Охранная сигнализация с контролем по напряжению.

Дано

Используются резисторы с параметрами разброса ±5%.

1) Произведём расчёт Rок и Rи.

2) Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для нормального состояния.

а) Umin при Rэквmin и Rпрmax

Rок-5%=Rок*0,95=392 Ом; Rпр+5%=Rпр*1,05=1050 Ом;

а) Umaх при Rэквmax и Rпрmin

Rок+5%=Rок1,05=434 Ом;Rпр-5%=Rпр0.95=950 Ом;

Уровни напряжения шлейфа для нормального состояния:

; .

3) Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для состояния, когда сработал один датчик.

а) Umin при Rэквmin и Rпрmax

Rок-5%=Rок0,95=392 Ом;Rизв-5%=Rок0,95=392 Ом;Rпр+5%=Rпр1,05=1050 Ом;

а) Umax при Rэквmax и Rпрmin

Rок+5%=Rок1,05=434 Ом;Rизв+5%=Rок1,05=434 Ом;Rпр-5%=Rпр0.95=950 Ом;

Уровни напряжения шлейфа для состояния, когда сработал один датчик: ;.

4) Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для состояния, когда сработали 2 датчика.

а) Umin при Rэквmin и Rпрmax

Rок-5%=Rок0,95=392 Ом;Rизв-5%=Rок0,95=392 Ом;Rпр+5%=Rпр1,05=1050 Ом;

а) Umax при Rэквmax и Rпрmin

Rок+5%=Rок1,05=434 Ом;Rизв+5%=Rок1,05=434 Ом;Rпр-5%=Rпр0.95=950 Ом;

Уровни напряжения шлейфа для состояния, когда сработали 2 датчика: ;.

Рисунок 6 – графики уровней напряжения при сработке датчиков НЗ.

Пример 2:

Пожарная сигнализация с контролем по напряжению.

Дано

Используются резисторы с параметрами разброса ±5%.

1) Произведём расчёт Rок и Rи.

2) Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для нормального состояния.

а) Umin при Rэквmin и Rпрmax

Rок-5%=Rок0,95=15450 Ом;Rпр+5%=Rпр1,05=1050 Ом;

а) Umax при Rэквmax и Rпрmin

Rок+5%=Rок1,05=17076 Ом;Rпр-5%=Rпр0.95=950 Ом;

Уровни напряжения шлейфа для нормального состояния:

; .

3) Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для состояния, когда сработал один датчик.

а) Umin при Rэквmin и Rпрmax

Rок-5%=Rок0,95=15450 Ом;Rизв-5%=Rок0,95=15450 Ом;Rпр+5%=Rпр1,05=1050 Ом;

а) Umax при Rэквmax и Rпрmin

Rок+5%=Rок1,05=17076 Ом;Rизв+5%=Rок1,05=17076 Ом;Rпр-5%=Rпр0.95=950 Ом;

Уровни напряжения шлейфа для состояния, когда сработал один датчик:

; .

4) Произведём расчёт уровней напряжения шлейфа для состояния, когда сработали 2 датчика.

а) Umin при Rэквmin и Rпрmax

Rок-5%=Rок0,95=15450 Ом;Rизв-5%=Rок0,95=15450 Ом;Rпр+5%=Rпр1,05=1050 Ом;

а) Umax при Rэквmax и Rпрmin

Rок+5%=Rок1,05=17076 Ом;Rизв+5%=Rок1,05=17076 Ом;Rпр-5%=Rпр0.95=950 Ом;

Уровни напряжения шлейфа для состояния, когда сработали 2 датчика:

; .

Рисунок 7 – графики напряжений при сработке датчиков НО.

Варианты задания приведены в таблицах 4 и 5. Варианты задания Таблица 4.

Продолжение таблицы 4

Продолжение таблицы 4

Продолжение таблицы 4

Продолжение таблицы 4

Варианты заданий Таблица 5

Продолжение таблицы 5

Продолжение таблицы 5

Продолжение таблицы 5

Литература

Основная

1. Бейлина, Р.А. Микроэлектронные датчики/ Р.А. Бейлина, Ю.Г. Грозберг, Д.А, Довгялло. – Новополоцк: ПГУ, 2001. – 295с.

2. Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва, Техносфера, 2006 .– 592с.

3. Шачнев, А.И. Устройства и системы охранно-пожарной сигнализации/ А.И. Шачнев. – Минск: Технопринт, 2004. – 240с.

4. Джексон, Р.Г. Новейшие датчики/ Р.Г. Джексон; под ред. В.В. Угинина; пер. с англ. – М.: Техносфера, 2007. – 384с.

5. Синилов, В.Г. Системы охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации/ В.Г. Синилов. – М.: ПрофОбрИздат, 2001. –352с.

Дополнительная

1. Лабораторный практикум “Первичные измерительные преобразователи и их применение в системах безопасности” Серенков В.Ю. и др. – Минск БГУИР, 2011. –51с.

2. Лабораторный практикум «»Датчики электронных систем безопасности» Серенков В.Ю. и др. – Минск БГУИР, 2015, 81 с.

3. ГОСТ-3073 7-2001. Приборы приемно-контрольные пожарные. Общие технические требования. Методы испытаний.

4. РД 28/3.007-2001. Технические средства и системы охраны. Системы охранной сигнализации. Правила производства и приема работ.

5. РД 28/3.009-2001. Технические средства и системы охраны. Обозначения условных графических элементов.

6. ГОСТ 26342-84. Средства охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации. Типы, основные параметры и размеры.

7. СниП 3.05.07-85. Системы автоматизации.

8. СНБ 2.02.04-04 Пожарная автоматика.

9. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Искробезопасная электрическая цепь.