WO2001008470A1 - Dispositivo magnetico electronico para control de sistemas de proteccion perimetral - Google Patents
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Definitions
- the present invention consists of a fence security device based on a sensor.
- the basis of this is a Linear Differential Voltage Transformer (LVDT) consisting of a core of magnetic material on which a copper winding is wound through which a low intensity current and a tube of plastic material are circulated on which two copper windings are wound in series opposition.
- LVDT Linear Differential Voltage Transformer
- This invention falls within the technical field of electronics. It also covers aspects of electromagnetism.
- a fence of this type does not lose its functionality only when breakage of the wired elements occurs, but also when they lose or gain tension within certain thresholds.
- This device is used to provide the fences with a perimeter protection system that acts when an intrusion attempt occurs.
- the present invention solves the problem to full satisfaction, in its different aspects, and for this it is based on the use of a Linear Differential Voltage Transformer. Description and operation
- This space disturbance is called
- n N / l where N is the number of turns of the solenoid and 1 its length.
- B is the Magnetic Field inside the solenoid.
- N the number of turns of the solenoid.
- S ⁇ ⁇ r is the lateral surface of the solenoid and at the radius of the circumference of the solenoid.
- the sensor core is based on a Linear Voltage Transformer composed of a cylindrical core of soft magnetic material (soft iron) which is wound by a winding of conductive material (primary) and a non-material tube
- the winding of the primary is energized with a current of a certain intensity and frequency, thereby inducing a signal in the secondary that depends on the relative position of the core of
- the electronic circuit consists of the following stages:
- An operational amplifier TL071 is configured to amplify the signal collected in the secondary windings, the gain being adjustable by means of a potentiometer.
- Second stage The signal is rectified and filtered.
- Third stage The signals, already rectified, of each sensor are taken to a TL071 operational amplifier. configured as variable gain voltage adder.
- the voltage adder output is compared, using the LM101 operational amplifier configured as a voltage comparator, with an adjustable voltage level using a potentiometer.
- the output of the operational amplifier will be 0 or 8.2 Volts depending on the non-inverting input voltage and the input voltage of the inverting input.
- the output of the voltage follower is the one that a relay contains, which in turn. and through a Dup ne data transmission system, it activates the system connected to the receiver
- the magnetic core of the sensor element is fixed to a plastic chamber using two non-magnetic metal brackets.
- the connection between the core and the brackets is carried out using thymes
- the dimensions of the plastic drop must have the placement of the sensing element> the necessary connections inside the panel above the ca) a hole is made that allows the exit of the support that communicates solidly the moving part of the sensor element with the wire.
- the enclosure system of the pe ⁇ metral protection installation must consist of you. It is types of posts, the type pumero is the one that houses the sensoies inside, one for each fence wire, so that all the wires must cross said post through their inside to be able to fix the sensor
- Others are those that are located at the ends of the enclosure and are responsible for supporting the anchors of horizontal continuous wires of a certain length. Of this class there will be two types one in which the wires remain fixed and another located at a certain distance that has tensioners to regulate the tension of the wires. This tension can be chosen at will according to the sensitivity needs.
- the third type of post is responsible for limiting the vertical mechanical tension transforming it into horizontal displacements detectable by the sensor. Much of the success of the operation of the system is due to these posts since its mission is to avoid excessive displacement of the wire in the vertical direction.
- Figure 1 shows a scheme of the magnetic field B created by an undefined conductor wire through which a current of intensity I circulates, and (a) is the radius of the field.
- Figure 2 shows a scheme of the magnetic field (B) created by a solenoid of length L formed by N turns and through which a current of intensity I circulates, and (a) is the radius of each loop.
- Figure 3 shows a diagram of the fundamental elements of the sensor: non-magnetic outer tube with series-opposite winding (a) and magnetic core with winding (b)
- Figure 4 shows the operation of the sensor: centered elements and zero secondary signal (a), secondary slip and off-center elements with non-zero secondary signal (b), and (V) is the potential.
- Figure 5 consists of two parts: (a) scheme of the operation of the electronic circuit and (b) electronic diagram of the circuit
- Figure 6 is a diagram of the perimeter protection system in which the three types of posts described are shown: sensorized, anchor and tensioner, by the secondary.
- the sensor elements have the following dimensions: - Winding around an iron core.
- Thread diameter 0.2 mm
- Winding length 20 mm Iron core length: 70 mm Electrical resistance: 6 Olim - Two windings in series opposition.
- the dimensions of the plastic box in which the sensor element is fixed were 120 mm long. 56 mm high and 40 mm deep. In the upper part, an opening of 60 mm long and 20 mm wide was made in order to allow the exit to the outside of the support that communicates the mobile part of the
- the support consists of a solid PVC parallelepiped 47 mm high by 40 mm wide and 10 mm deep in which a hole has been made across the support of 120 mm diameter in order to
- the distance between the sensor post and the anchor was 25 meters, which covered 50 meters of installation.
- the sensor post houses 15 sensors and the fence consists of 15 barbed wires. The height of these elements is 2 meters.
- the mechanical tension limiters are placed every 3 meters.
- the Dupline is a multiplexed two-wire system capable of receiving and sending up to 128 independent signals, simultaneously and in any direction, at distances up to 9 kilometers.
- the Dupline is basically a 2-wire serial transmission network with frequency voltage signals close to 1 kllz.
- the 128 contact functions (1 pulse train) can be transmitted simultaneously through the Dupline. Therefore, all units encoded with the same code will respond to a particular transmission. This allows the user to transmit from a single transmitter to several receivers encoded with the same code, and similarly transmit to a single receiver.
- the current that was circulated through the primary was 150 mA (AC).
- a calibration test performed in the laboratory showed the symmetrical and linear behavior of the sensor.
- Table I shows the calibration results of the sensor fed with a current of 150 mA. In the first column the value of the relative displacement between the primary and the secondary appears (to the right or to the left). The next two columns indicate the value of the detected voltage.
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Abstract
El dispositivo magnético electrónico para control de sistemas de protección perimetral aprovecha el mecanismo conocido por LVDT (Linear Voltaje Differential Transformer) o Transformador Diferencial Lineal de Voltaje para detectar la tensión mecánica de una valla de seguridad. El elemento sensor consta de dos partes: un núcleo de material magnético sobre el que se bobina un arrollamiento de cobre por el que se hace circular una corriente de baja intensidad y un tubo de material plástico sobre el que se bobinan dos arrollamientos de cobre en serie oposición. El núcleo se coloca en el interior del poste y el tubo de material plástico se fija, por medio de otro soporte, a los alambres de la valla. La misión del sensor consiste en detectar la variación de la señal que se produce cuando la parte del sensor solidaria al alambre se desplaza respecto de la parte del sensor fija al poste. Esta variación de la señal es tratada electrónicamente y de esta forma se consigue, mediante la correspondiente communicación, la activación de la alarma.
Description
TÍTULO
Dispositivo magnético electrónico para control de sistemas de protección perimetral
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención, según se expresa en el título de la presente memoria descriptiva, consiste en un dispositivo de seguridad para valla basado en un sensor. El fundamento del mismo es un Transformador Diferencial Lineal de Voltaje (LVDT) consistente en un núcleo de material magnético sobre el que se bobina un arrollamiento de cobre por el que se hace circular una corriente de baja intensidad y un tubo de material plástico sobre el que se bobinan dos arrollamientos de cobre en serie oposición. La señal detectada es tratada electrónicamente antes de activar la alarma correspondiente.
Esta invención se encuadra dentro del campo técnico de la electrónica. Cubre también aspectos de electromagnetismo.
ANTECEDENTES
Obviamente para dotar a una valla de un sistema de seguridad frente al corte de sus elementos alámbricos, basta con establecer en los mismos cualquier detector de
continuidad. Sin embargo, una valla de este tipo no pierde su funcionalidad tan sólo cuando se produce la rotura de los elementos alámbricos, sino también cuando estos pierden o ganan tensión dentro de unos determinados umbrales.
En este sentido se utilizan generalmente bandas extensiométricas, solución que no es la más idónea por varias razones; por un lado el elevado coste de las mismas, por otro lado su baja sensibilidad y finalmente y como problema fundamental, su escasa fiabilidad y difícil mantenimiento. Otra solución bastante aceptable es la que aporta la utilización de un hilo magnético amorfo magnetostrictivo \ que se basa en el efecto Wiedemann inverso. Pero este dispositivo presenta una gran desventaja a que para su buen funcionamiento es necesario hacer pasar una corriente eléctrica por los alambres de la valla haciéndolo, aunque muy eficaz, excesivamente costoso.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Dispositivo magnético electrónico para control de sistemas de protección perimetral.
Este dispositivo se utiliza para dotar a las vallas de un sistema de protección perimetral que actúe cuando se produzca un intento de intrusión.
La presente invención resuelve la problemática a plena satisfacción, en sus diferentes aspectos, y para ello se basa en la utilización de un Transformador Diferencial Lineal de Voltaje.
Descripción y funcionamiento
Fundamento Físico
El fundamento físico en el que está basado el funcionamiento del sensor
consiste en la variación de Flujo Magnético que se produce en el interior de un
arrollamiento conductor cuando otro arrollamiento conductor, por el que circula una corriente eléctrica de una cierta intensidad, se desniaza en su interior.
Cuando por un material conductor circula una corriente eléctrica se perturba el
espacio que se encuentra a su alrededor. Esta perturbación del espacio se denomina
Campo Magnético.
Si por un hilo conductor ( Figura 1 ) hacemos pasar una corriente eléctrica de intensidad 1. se genera un Campo Magnético en las proximidades del hilo cuya
expresión es
- Ll I
2a
donde Ur es un vector unitario en la dirección perpendicular a la dirección de la
corriente y sentido el de un tornillo o sacacorchos que avance a derechas, dónde μ0
es la permeabilidad del vacío y a es la distancia del hilo al punto que se está
considerando.
Si este hilo se arrolla en forma de solenoide suficientemente largo y estrecho como para considerar que el Campo Magnético queda confinado en el interior del soienoide. su expresión es de la forma
B0 = μ0nl (2)
donde n=N/l siendo N el número de vueltas del solenoide y 1 su longitud.
El Flujo Magnético en el interior de un solenoide se expresa de la forma
Φ = BNS
(3)
dónde B es el Campo Magnético en el interior del solenoide. N el número de vueltas del solenoide. S = π ¡r es la superficie lateral del solenoide y a el radio de la circunferencia del solenoide.
De igual modo que una corriente de intensidad I circulando por un elemento conductor da lugar a un campo magnético B. La ley de Faraday-Lenz establece que en la fuerza electromotriz o voltaje inducido en los extremos de un conductor es directamente proporcional a las variaciones de flujo magnético a través de la superficie encerrada por el circuito. La expresión matemática de dicha ley se muestra a continuación
dé d(NBS)
V = - = (4) di dt }
Funcionamiento del núcleo sensor
El núcleo sensor se basa en el un Transformador Lineal de Voltaje compuesto por un núcleo cilindrico de material magnético blando (hierro dulce) al que se le arrolla un bobinado de material conductor (primario) y un tubo material no
magnético sobre el que se arrollan dos bobinados de un hilo conductor algo más
estrecho que el del primario en serie-oposición (secundario )
Mediante el dispositivo eléctrico o electrónico el bobinado del primario se excita con una corriente de una determinada intensidad y frecuencia, con lo que se induce una señal en el secundario que depende de la posición relativa del núcleo de
material magnético situado en su interior. El voltaje detectado por el secundario,
debido al bobinado en serie-oposición, es nulo cuando se encuentra perfectamente centrado con el primario. En el momento en el flujo detectado por el secundario es asimétrico se induce un voltaje en sus extremos
En el prototipo aquí descrito, y con objeto de evitar la necesidad de elevadas tensiones mecánicas, es el tubo de material no magnético el que se fija solidario a los
alambres de la valla y por lo tanto el que se desliza.
Acondicionamiento de la señal
Una vez establecido el funcionamiento del sensor es necesario acondicionar electrónicamente la señal detectada en el secundario.
El circuito electrónico consta de las siguientes etapas:
Etapa primera: Se configura un amplificador operacional TL071 de modo que amplifique la señal recogida en los bobinados secundarios, siendo la ganancia ajustable mediante un potenciómetro.
Etapa segunda: Se rectifica y filtra la señal.
Etapa tercera: Las señales, ya rectificadas, de cada sensor son llevadas a un amplificador operacional TL071. configurado como sumador de tensión de ganancia variable.
Etapa cuarta: La salida del sumador de tensión se compara, mediante el amplificador operacional LM101 configurado como comparador de tensión, con un nivel de tensión ajustable mediante un potenciómetro. La salida del amplificador operacional será de 0 ó 8.2 Voltios dependiendo de la tensión de entrada no inversora y de la tensión de entrada de la entrada inversora.
/
La salida del seguidor de tensión es la que contiola un relé, que a su vez. y a través de un sistema de transmisión de datos Dup ne, acciona el sistema conectado al receptor
Prototipo de sensor \ características mecánicas de la instalac ión de pi otccción perimetral
Determinado el fundamento físico, los materiales \ la elcctionica se pi ocede. a continuación, a uescπnn las características uel nrototino de laboratoi 10
El núcleo magnético del elemento sensor se fi|a a una caμ de plástico utilizando dos escuadras metálicas no magnéticas. La unión cntie el núcleo \ las escuadras se lle\a a cabo mediante tomillos
Las dimensiones de la caía de plástico deben peí mil ir la colocación del elemento sensoí > las conexiones necesarias en su interioi I n la pane suπenor de la ca)a se realiza una abertura que permite la salida al exterior del soporte que se comunica solidaí lamente la parte móvil del elemento sensor con el alambre.
El sistema de cerramiento de la instalación de protección peπmetral debe constar de ti es tipos de postes el pumero tipo es el que alberga los sensoies en su interior, uno por cada alambre de valla, de modo que todos los alambres deben atravesar dicho poste por su interior para poder fiíar el sensoí La caía del sensor, descrita pieviamente. se acopla en el mteπor del poste según la distnbuciυn de
escuadras que proporcione mayor rigidez al conjunto. Otros son los que se sitúan en los extremos del cerramiento y se encargan de soportar los anclajes de los alambres continuos horizontales de una determinada longitud. De esta clase habrá dos tipos uno en el que los alambres permanecen fijos y otro situado a una determinada distancia que disponga de tensores para poder regular la tensión de los alambres. Esta tensión se puede escoger a voluntad según las necesidades de sensibilidad. El tercer tipo de poste es el encargado de limitar la tensión mecánica vertical transformándola en desplazamientos horizontales detectables por el sensor. Gran parte del éxito del funcionamiento del sistema se debe a estos postes ya que su misión consiste en evitar el desplazamiento excesivo del alambre en la dirección vertical.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña la presente memoria descriptiva de varias figuras ilustrativas que se describen a continuación.
La figura 1 muestra un esquema del campo magnético B creado por un hilo conductor indefinido por el que circula una corriente de intensidad I, y (a) es el radio del campo.
La figura 2 muestra un esquema del campo magnético (B) creado por un solenoide de longitud L formado por N espiras y por el que circula una corriente de intensidad I, y (a) es el radio de cada espira.
La figura 3 muestra un esquema de los elementos fundamentales del sensor: tubo exterior no magnético con bobinado en serie-oposición (a) y núcleo magnético con bobinado (b)
La figura 4 muestra el funcionamiento del sensor: elementos centrados y señal del secundario nula (a), deslizamiento del secundario y elementos descentrados con señal del secundario distinta de cero (b), y (V) es el potencial.
La figura 5 consta de dos partes: (a) esquema del funcionamiento del circuito electrónico y (b) diagrama electrónico del circuito
La figura 6 es un esquema del sistema de protección perimetral en el que se muestras los tres tipos de postes descritos: sensorizado, de anclaje y tensor, por el secundario.
EXPOSICIÓN DEL MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores se desarrolló un prototipo de valla con las siguientes características.
Los elementos del sensor presentan las siguientes dimensiones:
- Arrollamiento en torno a un núcleo de hierro.
Diámetro del hilo: 0.2 mm Número de vueltas: 540 Diámetro del núcleo de hierro: 5 mm
Longitud del arrollamiento: 20 mm Longitud del núcleo de hierro: 70 mm Resistencia eléctrica: 6 Olim - Dos arrollamientos en serie oposición.
Diámetro del hilo: 0.1 mm Número de vueltas: 625 Diámetro del arrollamiento: 0.8 mm Longitud del arrollamiento: 20 mm
Resistencia eléctrica: 50 Ohm
Una vez fabricados se procedió a su calibración midiendo la resistencia entre los extremos de los hilos en cada arrollamiento.
Las dimensiones de la caja de plástico en la que se fija el elemento sensor fueron 120 mm de largo. 56 mm de alto y 40 mm de fondo. En la parte superior se realizó una apertura de 60 mm de largo por 20 mm de ancho con objeto de permitir la salida al exterior del soporte que comunica solidariamente la parte móvil del
elemento sensor con el alambre. El soporte consiste en un paralelepípedo macizo de PVC de 47 mm de alto por 40 mm de ancho y 10 mm de fondo en el que se ha realizado un agujero a lo ancho del soporte de 120 mm de diámetro con objeto de
fijar la parte móvil del elemento sensor. En su parte superior, a 3 mm y 8 mm se han
realizado dos agujeros de 4 mm de diámetro para fijar, mediante una varilla en forma de U con rosca en sus extremos, el soporte a los alambres.
Para permitir la comunicación entre el elemento sensor y la electrónica se colocaron cuatro conectores en la caja, dos para la alimentación del primario y otros dos para recoger la señal de los secundarios.
La distancia entre el poste sensor y el de anclaje fue de 25 metros con lo que se cubrieron 50 metros de instalación. El poste sensor alberga 15 sensores y la valla consta de 15 alambres de espino. La altura de estos elementos es de 2 metros. Los limitadores de tensión mecánica se sitúan cada 3 metros.
La conexión entre la valla sensorizada y el puesto de control, dónde se encontraba instalado el software y el hardware necesario para el registro de alarmas se utilizó un sistema de adquisición de datos denominado Sistema Dupline.
El Dupline es un sistema multiplexado de dos hilos capaz de recibir y enviar hasta 128 señales independientes, simultáneamente y en cualquier dirección, a distancias hasta 9 kilómetros. El Dupline es básicamente una red de transmisión en serie de 2 hilos con señales de tensión de frecuencia próxima a 1 kllz.
Las 128 funciones de contacto ( 1 tren de impulsos) pueden ser trasmitidas simultáneamente a través del Dupline. Por tanto, todas las unidades codificadas con el mismo código responderán a una determinada transmisión. Esto permite al usuario transmitir desde un solo transmisor a diversos receptores codificados con igual código, y, análogamente transmitir a un solo receptor.
La corriente que se hizo circular por el primario fue de 150 mA (AC). Un ensayo de calibración realizado en el laboratorio puso de manifiesto el comportamiento simétrico y lineal del sensor.
La Tabla I muestra los resultados de calibración del sensor alimentado con una corriente de 150 mA. En la primera columna aparece el valor del desplazamiento relativo entre el primario y el secundario (a la derecha o a la izquierda). Las dos siguientes columnas indican el valor del voltaje detectado.
TABLA I
Claims
1. Dispositivo magnético electrónico para control de sistemas de protección perimetral caracterizado porque contiene un Transformador Diferencial
Lineal de Voltaje que consta de un arrollamiento primario alrededor de un núcleo de hierro y de un secundario bobinado en serie-oposición, un circuito excitador del primario, y un circuito electrónico de tratamiento de ¡a señal recogida en el arrollamiento secundario.
2. Dispositivo magnético electrónico para control de sistemas de protección perimetral. según reivindicación 1. caracterizado por el desplazamiento relativo del secundario respecto al primario del Transformador Lineal de Voltaje.
3. Dispositivo magnético electrónico para control de sistemas de protección perimetrai. según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el voltaje inducido en el secundario cuando se desplaza respecto al primario es directamente proporciona al desplazamiento
4. Dispositivo magnético electrónico para control de sistemas de protección perimetral. según reivindicaciones anteriores, por el que el desplazamiento vertical experimentado por el alambre de una valla es transformado en horizontal mediante apropiados postes tensores
5. Dispositivo magnético electrónico para control de sistemas de protección perimetral, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por el disparo de una alarma cuando la señal del secundario alcanza un nivel crítico, siendo este nivel ajustable una vez colocado el sensor en la valla.
6. Dispositivo magnético electrónico para control de sistemas de protección perimctral, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por su aplicación preferente para la detección de la variación de la tensión mecánica en una valla alámbrica.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AU61625/00A AU6162500A (en) | 1999-07-30 | 2000-07-28 | Electronic magnetic device for the control of perimetric protection systems |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES009901732A ES2152903B1 (es) | 1999-07-30 | 1999-07-30 | Dispositivo magnetico electronico para control de sistemas de proteccion perimetral. |
| ESP9901732 | 1999-07-30 |
Publications (1)
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|---|---|
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| ES (1) | ES2152903B1 (es) |
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Also Published As
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|---|---|
| ES2152903B1 (es) | 2001-08-16 |
| ES2152903A1 (es) | 2001-02-01 |
| AU6162500A (en) | 2001-02-19 |
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|---|---|---|---|
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| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase | ||
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: JP |