Файл: Законом от 3 июля 2016 г. 226фз О войсках национальной гвардии Российской Федерации.pdf

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
4
ДР 23 ИТСО 01.19.019 ПЗ
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с Федеральным Законом от 3 июля 2016 г. № 226–ФЗ «О
войсках национальной гвардии Российской Федерации», некоторыми задачами,
стоящими перед войсками национальной гвардии Российской Федерации (ВНГ
РФ) является охрана важных государственных объектов, специальных грузов,
сооружений на коммуникациях в соответствии с перечнем, утвержденным
Правительством Российской Федерации, а так же охрана собственных объектов.
В настоящее время продолжают иметь место угрозы безопасности важным государственным и собственным объектам со стороны радикально настроенных банд формирований, которые могут применять взрывчатые вещества и средства взрывания, захватывать жизненно важные центры обеспечения объектов и населения, такие как ядерно опасные объекты, химически опасные объекты,
сооружений на коммуникациях топливно энергетического комплекса. В связи с этим, обеспечение безопасности важных государственных и собственных объектов войсками национальной гвардии Российской Федерации, является неотъемлемой и важной задачей. Защита объектов включает в себя решение комплекса инженерных и технических задач направленных на обнаружение,
идентификацию и задержание нарушителей, осуществляющих попытку проникновения на объект охраны. При охране важных государственных и собственных объектов широко применяются комплексы инженерно технических средств охраны (КИТСО). От правильного выбора физических принципов действия технических средств охранной сигнализации (ТСОС) входящих в состав
КИТСО, порядка размещения их на местности и передачи сигнала о срабатывании караулам, зависит надежность охраны объектов.
В последнее время, имеющиеся конструктивные решения в системе охраны объектов, в основном позволяют решать поставленные задачи. Вместе с тем,
многие средства не обеспечивают достаточную надежность в силу имеющихся конструкционных недостатков, а результативность их применения не

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
4
ДР 23 ИТСО 01.19.019 ПЗ
соответствует повышенным требованиям защиты. Одной из проблем оснащения объектов охраны техническими средствами, элементов системы, является проблема выбора рационального состава и оптимальной структуры построения входных фильтров в технических средствах охраны. Эти факторы определяют потребность совершенствования входных фильтров технических средств охранной сигнализации и улучшения их избирательных свойств.
В связи с вышеизложенным следует, что актуальна задача обоснования выбора входного фильтра для технических средств охранной сигнализации, как одной из составляющих технических средств охранной сигнализации, в системе охраны объекта. Она направлена на улучшение выделения полезного сигнала и ускорение обнаружения нарушителя, стабильной и точной передачи сигнала тревоги на ССОИ для действия сил охраны. Конструктивно предлагается решить данную проблему путем изменения структуры входного фильтра технического средства охранной сигнализации с повышенными избирательными показателями,
обоснование ее рациональных параметров, направленных на повышение надежности и эффективности функционирования, а также точного и стабильного выделения полезного сигнала. При этом разрабатываемое устройство должно отвечать следующим требованиям: возможность интеграции в комплекс технических средств охраны; избирательность и многорежимность работы;
высокая степень информативности и управляемости; простота конструкции,
безопасная эксплуатация.
Указанные факторы определяют новизну темы выпускной квалификационной работы. Целью работы является повышение эффективности функционирования входного фильтра технических средств охранной сигнализации с повышенными избирательными показателями.

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
4
ДР 23 ИТСО 01.19.019 ПЗ
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ВХОДНЫХ ФИЛЬТРОВ ТЕХНИЧЕ-
СКИХ СРЕДСТВ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ С ПОВЫШЕННЫМИ ИЗБИ-
РАТЕЛЬНЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ
Электрическим фильтром называется четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот.
Диапазон частот, пропускаемых фильтром без затухания (с малым затуханием), называется полосой пропускания или полосой прозрачности;
диапазон частот, пропускаемых с большим затуханием, называется полосой затухания или полосой задерживания. Качество фильтра считается тем выше, чем ярче выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем сильнее возрастает затухание в полосе задерживания.
В качестве пассивных фильтров обычно применяются четырехполюсники на основе катушек индуктивности и конденсаторов. Возможно также применение пассивных RC-фильтров, используемых при больших сопротивлениях нагрузки.
Фильтры применяются как в радиотехнике и технике связи, где имеют место токи достаточно высоких частот, так и в силовой электронике и электротехнике.
Для упрощения анализа будем считать, что фильтры составлены из идеальных катушек индуктивности и конденсаторов, т.е. элементов соответственно с нулевыми активными сопротивлением и проводимостью. Это допущение достаточно корректно при высоких частотах, когда индуктивные сопротивления катушек много больше их активных сопротивлений
(
ω L≫ R
x
)
, а емкостные проводимости конденсаторов много больше их активных проводимостей
(
ω C≫G
c
)
Фильтрующие свойства четырехполюсников обусловлены возникающими в них резонансными режимами – резонансами токов и напряжений. Фильтры

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
4
ДР 23 ИТСО 01.19.019 ПЗ
обычно собираются по симметричной Т- или П-образной схеме, т.е. при
Z
1
=
Z
2
или
Z
1
'
=
Z
2
'
. В этой связи при изучении фильтров будем использовать введенные в предыдущей лекции понятия коэффициентов затухания и фазы.
Классификация фильтров в зависимости от диапазона пропускаемых частот приведена в таблице 1.
Таблица 1 – Классификация фильтров.
Название фильтра
Диапазон пропускаемых частот
Низкочастотный фильтр (фильтр нижних частот)
0≤
ω
≤
ω
Cj
Высокочастотный фильтр (фильтр верхних частот)
ω
C 2
≤
ω
< ∞
Полосовой фильтр (полосно-пропускающий фильтр)
ω
C 1
≤
ω
≤
ω
C 2
Режекторный фильтр (полосно-задерживающий фильтр)
0≤ω≤ω
C 1
;
ω
C 2
≤
ω
< ∞
;
где ω
С 1
<
ω
С 2
Если фильтр имеет нагрузку, сопротивление которой при всех частотах равно характеристическому, то напряжения и соответственно токи на его входе и выходе связаны соотношением
U
1
U
2
=
I
1
I
1
=
e
y
=
e
α
+
j
β
=
e
α
e
j
β
(1)
В идеальном случае в полосе пропускания (прозрачности)
α
=
0
, т.е. в соответствии с (1)
U
1
=
U
2
,
I
1
=
I
2
и
ϕ
1
=
ϕ
2
. Следовательно, справедливо и равенство
P
1
=
P
2
, которое указывает на отсутствие потерь в идеальном фильтре,
а значит, идеальный фильтр должен быть реализован на основе идеальных катушек индуктивности и конденсаторов. Вне области пропускания (в полосе затухания) в идеальном случае
α
=∞
, т.е.
U
2
=
0
и
I
2
=
0
Рассмотрим схему простейшего низкочастотного фильтра, представленную на рисунке 1,а.

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
5
ДР 23 ИТСО 01.19.019 ПЗ
а)
б)
Рисунок 1
–
Входные фильтры
Связь коэффициентов четырехполюсника с параметрами элементов Т- образной схемы замещения определяется соотношениями
A=1+Z
1
/
Z
3
;
B+Z
1
+
Z
2
+
Z
1
Z
2
/
Z
3
;
C=1/Z
3
;
D=1+Z
2
/
Z
3
.
или конкретно для фильтра на рисунке 1,а
A=D=1+
j
ω
L
1 / j
ω
C
=
1−
ω
2
LC
;
(2)
B=2 j ω L+
(
j ω L)
2 1/ j ω C
=
2 jω L− jω
3
L
2
C
;
(3)
C=
1 1 / j
ω
C
=
j
ω
C
(4)
Из уравнений четырехполюсника, записанных с использованием гиперболических функций, вытекает, что
A=ch
γ
=
ch(
α
+
β
)=
ch
α
cos
β
+
jsh
α
sin
β
Однако в соответствии с (2) A - вещественная переменная, а следовательно,
A=ch
α
cos
β
=
1−
ω
2
LC .
(5)
Поскольку в полосе пропускания частот коэффициент затухания
α
=
0
, то на основании (5)
cos
β
=
1−
ω
2
LC
Так как пределы изменения cos
β
:
−
1≤cos
β
≤
1
, - то границы полосы пропускания определяются неравенством
−
1≤1−
ω
2
LC≤1
,
которому удовлетворяют частоты, лежащие в диапазоне
0≤
ω
≤
√
2
LC
(6)
Для характеристического сопротивления фильтра на основании (3) и (4)

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
6
ДР 23 ИТСО 01.19.019 ПЗ
имеем
Z
C
=
√
B
C
=
√
2 j
ω
L− j
ω
3
L
2
C
j
ω
C
=
√
L
C
(
2−
ω
2
LC)
(7)
Анализ соотношения (7) показывает, что с ростом частоты
ω
в пределах,
определяемых неравенством (6), характеристическое сопротивление фильтра уменьшается до нуля, оставаясь активным. Поскольку, при нагрузке фильтра сопротивлением, равным характеристическому, его входное сопротивление также будет равно
Z
C
, то, вследствие вещественности
Z
C
, можно сделать заключение, что фильтр работает в режиме резонанса, что было отмечено ранее.
При частотах, больших
√
2/(LC)
, как это следует из (7), характеристическое сопротивление приобретает индуктивный характер.
Рисунок 2 – Качественные зависимости
На рисунке 2 приведены качественные зависимости
α
(
ω
)
,
β
(
ω
)
и
Z
C
(
ω
)
Следует отметить, что вне полосы пропускания
β=π
. Действительно, поскольку коэффициент А – вещественный, то всегда должно удовлетворяться равенство
sh
α
sin
β
=
0
(8)
Так как вне полосы прозрачности
α
≠
0
, то соотношение (8) может выполняться только при sin
β
=
0
В полосе задерживания коэффициент затухания
α
определяется из уравнения (5) при
β
=
π
. Существенным при этом является факт постепенного нарастания
α
, т.е. в полосе затухания фильтр не является идеальным.
Аналогичный вывод о неидеальности реального фильтра можно сделать и для

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
7
ДР 23 ИТСО 01.19.019 ПЗ
полосы прозрачности, поскольку обеспечить практически согласованный режим работы фильтра во всей полосе прозрачности невозможно, а следовательно, в полосе пропускания коэффициент затухания
α
будет отличен от нуля.
Другим вариантом простейшего низкочастотного фильтра может служить четырехполюсник по схеме на рисунке 1,б.
Схема простейшего высокочастотного фильтра приведена на рисунке 3,а.
а)
б)
Рисунок 3
–
Простейший высокочастотный фильтр
Для данного фильтра коэффициенты четырехполюсника определяются выражениями
A=D=1+
1 / j
ω
С
j
ω
L
=
1−
1
ω
2
LC
;
(9)
B=
2
j
ω
C
+
(
1/ j
ω
C)
2
j
ω
L
=
1
j
ω
C
(
2−
1
ω
2
LC
)
;
(10)
C=
1
j
ω
L
(11)
Как и для рассмотренного выше случая, А – вещественная переменная.
Поэтому на основании (9)
−
1≤1−
1
ω
2
LC
≤
1
Данному неравенству удовлетворяет диапазон изменения частот
1
√
2 LC
≤
ω
< ∞
(12)
Характеристическое сопротивление фильтра
Z
C
=
√
B
C
=
√
1
j
ω
C
(
2−
1
ω
2
LC
)
1/ j
ω
L
=
√
L
C
(
2−
1
ω
2
LC
)
,
(13)

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
8
ДР 23 ИТСО 01.19.019 ПЗ
Рисунок 4 – Качественный вид зависимости НЧ фильтра
Изменяясь в пределах от нуля до
√
2 L/C
с ростом частоты, остается вещественным. Это соответствует, как уже отмечалось, работе фильтра,
нагруженного характеристическим сопротивлением, в резонансном режиме.
Поскольку такое согласование фильтра с нагрузкой во всей полосе пропускания практически невозможно, реально фильтр работает с
α
=
0
в ограниченном диапазоне частот.
Вне области пропускания частот
α
определяется из уравнения
ch
α
cos
β
=
1−
1
ω
2
LC
;
(14)
при
β
=−
π
. Плавное изменение коэффициента затухания в соответствии с (14) показывает, что в полосе задерживания фильтр не является идеальным.
Качественный вид зависимостей
α
(
ω
)
,
β
(
ω
)
и
Z
C
(
ω
)
для низкочастотного фильтра представлен на рисунке 4.
Следует отметить, что другим примером простейшего высокочастотного фильтра может служить П-образный четырехполюсник на рисунке 3,б.
Полосовой фильтр формально получается путем последовательного соединения низкочастотного фильтра с полосой пропускания
ω
≤
ω
С 2
и высокочастотного с полосой пропускания
ω
≥
ω
C 1
, причем
ω
C 1
<
ω
C 2
. Схема простейшего полосового фильтра приведена на рисунке 5,а, а на рисунке 5,б представлены качественные зависимости
α
(
ω
)
,
β
(
ω
)
для него.

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
9
ДР 23 ИТСО 01.19.019 ПЗ
а)
б)
Рисунок 5
–
Простейший высокочастотный фильтр и качественные зависимости
У режекторного фильтра полоса прозрачности разделена на две части полосой затухания. Схема простейшего режекторного фильтра и качественные зависимости
α
(
ω
)
,
β
(
ω
)
для него приведены на рисунке 6.
а)
б)
Рисунок 6
–
Схема простейшего режекторного фильтра качественные зависимости
В заключение необходимо отметить, что для улучшения характеристик фильтров всех типов их целесообразно выполнять в виде цепной схемы,
представляющей собой каскадно включенные четырехполюсники. При обеспечении согласованного режима работы всех n звеньев схемы коэффициент

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
10
ДР 23 ИТСО 01.19.019 ПЗ
затухания
α
ц
такого фильтра возрастает в соответствии с выражением
α
ц
=
ηα
,
что приближает фильтр к идеальному.
По виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтры подразделяются на:
1.
фильтр нижних частот (ФНЧ);
2.
фильтр верхних частот (ФНЧ);
3.
полосо-пропускающие фильтры (ППФ);
4.
полосо-заграждающие фильтры (ПЗФ).
Фильтры нижних частот пропускают сигнал с частотами ниже частоты срезы и исключают прохождение сигналов с частотами выше частоты среза.
Фильтры верхних частот пропускают сигнал с частотами выше частоты среза и исключает прохождение сигналов с частотами ниже частоты среза.
Полосо-пропускающие (полосовые фильтры, фильтры сосредоточенной селекции) пропускают сигналы с частотами в диапазоне между заданными частотами среза, исключая прохождение сигналов с частотами вне этого диапазона частот.
Полосо-заграждающие (режекторные) фильтры исключают прохождение сигналов с частотами в диапазоне между заданными частотами среза, пропуская сигналы с частотами вне этого диапазона частот.
Основными электрическими характеристиками фильтров являются:
1.
Коэффициент передачи напряжения, который определяется отношениагем напряжения сигнала на входе первого активного элемента фильтра
(Uвх) к напряжению на выходе.
2.
Полоса пропускания – ширина области частот с допустимой неравномерностью коэффициента передачи.
3.
Избирательность, характеризующая уменьшение коэффициента передачи напряжения при заданной расстройке K(f) по сравнению с резонансным значением К0.
4.
Перекрытие заданного диапазона частот. Фильтр должен обеспечивать возможность настройки на любую частоту заданного диапазона