Kapacitivt stängsel

Planering och tankar kring eventuella framtida projekt.
Pen
Inlägg: 207
Blev medlem: 16 september 2006, 09:15:51
Ort: Stockholm

Kapacitivt stängsel

Inlägg av Pen »

Kapacitiva stängsel. Ja, det finns ju sådana - typiskt kring skyddsobjekt. Men hur svårt ät det att bygga ett själv?

Jag har redan ett hönsnätssaket runt tomten - huvudsakligen för att inte hunden ska rymma. På staketpinnarna skulle man kunna fästa en friledare - typ kostängsel - och sedan mäta kapacitansen mot jord. Jag hittar att en människa ligger på ca 100 pF mot oändligheten. Gissar att det är i huvudsak är vattendipolen som ger den kapacitansen och att det inte är nödvändigt att helt nudda elektroden.

Tänkte att jag skulle hitta motsvarande siffra på en hundra meter lång friledning 1 meter ovan mark men det gör jag inte just nu. Men min gissning är mellan 1-10 nF. En människas närvaro skulle kanske ändra kapacitansen någon procent isåfall.

Som detektor tänker jag att man laddar upp stängslet med konstant ström och sedan mäter tiden att passera två spänningsreferenser. Tid går ju att mäta näst intill oändligt exakt.

Tiden jämförs mot en referens som är ett lågpassfiltrerat medelvärde av uppmätta tider. Filtrets tidskonstant ska vara kort nog att följa med förändringar i t.ex. luftfuktighet.

Vad tror ni om detta? Eller kommer t.ex. ett häftigt störregn att misstolkas som intrång? Svajande buskar i närheten?

Stängslet är ju så långt att friledningen måste modelleras som transmissionslina. Jag tror inte att man kan utnyttja det utan det gäller snarare att reducera dess inverkan genom att ladda med så låg ström och mäta under så lång tid att reflektionerna "ebbar ut" (approximativt en icke utbredd kapacitans). Detta är inte trivialt. 1 mA laddström som möter Z = 100 ohm (jag tar värdet för partvinnad tråd - det är säkert några gånger högre för en friledning) skulle ge ett språng på 0.1V per löptid som är omkring 600ns. Av detta följer också att rampen blir språngartad med ungefär 0.1V/600ns så länge inget stör utbredningen. Dessa språng istället för linjär ramp stör ju också själva tidmätningen. Upplösningen blir väl inte bättre än 600ns. Hur kringgår man detta alternativt utnyttjar det till sin fördel?

Kanske är det helt fel att mäta tid? Kanske ska man istället titta på den reflekterade vågens språng men det är betydligt svårare att se en skillnad på någon % på det viset.

Slutligen har vi rådjur som hoppar in på tomten över stängslet. Själva hoppet är så kort (och elegant) att det nog skiljer sig mot en gärningsman. Däremot kan man ju inte hindra att det sedan uppehåller sig i närheten av stängslet. Skyddsobjekten brukar ha ett högt mekaniskt stängsel med de kapacitiva tåtarna på insidan. Dels förhindrar det djuren att ta sig in, dels skärmar anagligen det mekaniska stängslet den kapacitiva inverkan föremål på utsidan. Men jag vill bortse från rådjuren till att börja med.
Pen
Inlägg: 207
Blev medlem: 16 september 2006, 09:15:51
Ort: Stockholm

Re: Kapacitivt stängsel

Inlägg av Pen »

Kopplade upp och mätte, fast bara med 10m lina uppspänd lite slumpmässigt ovan betongolvet. Och ja, det blir väldigt trappstegsformat. Fast Z verkar snarare vara över 500 ohm i en luftledning och hastigheten verkar närma sig ljusets. Men resonemanget ser tyvärr ut att stämma.

Det går tydligt att se om någon är i närheten av ledningen på oscilloscopet (alltså att bilden ändras), men det är för trappigt för att kunna mäta ramptid.

Kan det vara så att man ska mäta överhörningen mellan två ledare istället? Eller till och med differens - två ledare med samma signal i motfas på samma avstånd från en mittledare. Nästan som en jordfelsbrytare. Normalt tar de ut varandra men om någon befinner sig i närheten blir det obalans. De stängsel jag har sett har alltid flera ledare på samma avstånd från varandra.

Jag tänker mig en HF trafo med mittanslutning till tre parallella ledare. Med en strömtrafo i mittledaren mäter man om det finns obalans i systemet.
Pen
Inlägg: 207
Blev medlem: 16 september 2006, 09:15:51
Ort: Stockholm

Re: Kapacitivt stängsel

Inlägg av Pen »

Provade även den "balanserade" metoden men det fungerade väldigt dåligt. Det blir alldeles för liten koppling mellan de tre linorna av ett närmande föremål. Balanseringen blir inte tillräckligt bra - det blir inte alls noll i viloläge.

Så jag är tillbaks till "rampmetoden". Skulle man bara få bort trappstegen i rampen så skulle det fungera. Eller så får man ladda under så lång tid att trapporna inte spelar någon roll - antingen med mycket låg ström eller hög slutspänning. Med reviderad transmissionshastighet så tar en resa tur och retur i friledaren omkring 0.5 us. För 0.1% upplösning måste man då rampa under 0.5 ms.
E Kafeman
Inlägg: 3238
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Kapacitivt stängsel

Inlägg av E Kafeman »

Trappstegen du ser är förmodligen pga impedansmässig missanpassning.
Om området som ska bevakas är ett slutet utrymme så kommer en upphängd mettalltråd att gå ett helt varv?
Det blir då en induktiv loop som kan tunas till hög resonans, högt Q-värde, mha av av kapacitans.
Eventuella reaktiva förändringar i närheten av loopen kommer förstärkas av Q-värdet.
Mata loopen med 50-100kHz så det blir en kort loop relativt vågländ och matcha till specifik impedans eller tuna till högsta möjliga resonans-impedans. I normal-läge ska då energin hos reflektioner vara små.
Det bör på detta sätt gå att detektera små förändringar, såsom en människa, på flera meters avstånd. En människa blir en resistiv och induktiv last, dvs den utgör ingen kapacitiv last.
I normalläget förväntas eventuell reflektion att ha obefintlig reaktans, och vid behov kunna kompenseras för långsamma förändringar såsom fukt eller temperatur.

Det går göra många alternativa lösningar, t.ex. med dubbla helt passiva loopar (interferometri, passiv doppler-radar) men är betydligt mer krävande vad gäller detekterings-utrustning.
Det behöver iofs inte bli dyrt, finns internet-exempel på de som använt två billiga SDR TV-pluggar och mha dessa kunnat se när och var små-fåglar flyttar sej på tomten.
Haken är att det behövs något rätt processorkrävande som bearbetar signalen TV-pluggarna lämnar ifrån sej för att kunna avgöra om villkoret för larmnivå uppfylls.
Här en video som visar att man kan se även på långt håll med två sådana TV-donglar:
Det man ser är på detta avstånd är flygplan och meteor-spår. Det är passivt system men bygger på att det finns en radio-sändare som oavsiktligt skapar reflektionerna.

Om man lämnar EM-vågorna så finns ultra-ljud. Det är rätt enkelt att inom ett riktat område mäta förändringar i VSWR även om det finns mellanliggande hinder såsom träd.
Med två eller fler enheter kan ett flerdimensionellt utrymme bevakas. En-dimensionellt:
För flerdimensionellt krävs att data sammanförs från övelappande enheter för gemensam bearbetning.
Med flera sändenheter i array så kan dessa fasas för svepning så att man slipper mekaniska rörelsen.

För stängsel har det länge funnits laser som komplement. Även laser kan svepa på olika sätt om man vill har flerdimensionell bevakning.

För att detektera djur och människor är IR-sensorer behändigt då dessa kan ställas för att bara reagera om föremålet är inom "rätt" temperatur-span.
En FLIR-kamera är dyr men man kan komma långt med en 50-lapp. De allra enklaste är typ pir-sensorer.
Lite mer avancerat kan man använda en IR-termometer och låta den svepa mha av servo-motorer och på så sätt bygga upp bilder eller barriärer.
Användarvisningsbild
Biker
Inlägg: 6090
Blev medlem: 23 november 2005, 04:51:36

Re: Kapacitivt stängsel

Inlägg av Biker »

Om man har en liten spegel så krävs det mindre servmotor för och låta den scanna och skicka till sensorn än att köra hela sensorn
Pen
Inlägg: 207
Blev medlem: 16 september 2006, 09:15:51
Ort: Stockholm

Re: Kapacitivt stängsel

Inlägg av Pen »

Oj, det var ett långt svar. Ska läsa det noga sen, jag lovar. Några snabba kommentarer.

Den induktiva metoden:
Ja, min slinga skulle kunna gå runt hela tomten och vara sluten. Men till skillnad från den kapacitiva varianten så kommer den också att påverkas av vad som händer mitt i centrum, d.v.s. inne i mitt hus. Det skulle jag helst vilja undvika, speciellt som hunden springer omkring därinne. Sedan är väl människan extremt lite ferromagnetisk, men med väldigt högt Q värde kanske det skulle gå. Men jag gillar den här metoden eftersom den är lika enkel i installation - bara en tråd eller rent av hönsnätet självt. Jag tror att mätningen måste vara differentiell med dubbla spolar på något sätt. Metalldetektorer har väl alltid det och det borde vara svårare att detektera människor än mynt.

IR-sensorer, kameror mm som övervakar en icke skymd cirkelsektor:
Dessa metoder går bort för det skulle behövas väldigt många för täckning. Kostnaden är en betydande faktor men det värsta är att dra fram el till alla dessa på ett snyggt sätt.

Laser:
Ja, en laserstråle skulle kunna gå förutsatt att man inte måste gödsla med lasrar och detektorer. En enda laser och speglar kanske - 100m borde inte vara något problem. Fast då måste speglarna verkligen vara fixerade med precision. Alternativt ha något diffus spridning men då förlorar man ju ljus.

Ultraljud:
Låter intressant. Jag ska kolla vidare. Antar att du menar att den skulle kunna övervaka mer än en icke skymd cirkelsektor med rätt detektorer.
alexanderson
Inlägg: 780
Blev medlem: 18 januari 2017, 14:59:43

Re: Kapacitivt stängsel

Inlägg av alexanderson »

Försök med 4 ledare.
De 4 ledarna roteras i fyrskruv med 1/4 varv mellan varje stolpe.
Då får varje ledare samma kapacitans mot jord.
E Kafeman
Inlägg: 3238
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Kapacitivt stängsel

Inlägg av E Kafeman »

Loop-antenn är i sej en balanserad struktur. Behövs inga extra ledare såvida man inte vill öka parallell-kapacitansen, vilket man iofs vill men absolut inte inte på antennen utan vid antennen matningspunkt, i avsikt att få högt Q-värde genom att konjugat-matcha antennens impedans. Det man möjligen skulle vinna på flera ledare är att i detta fall marginellt minska induktiva förluster, men det biter sej själv i svansen, då man får mindre induktans att tuna med vid antennens matningspunkt och sämre antenn.
Induktansen kommer högst troligt att vara oönskat låg redan med en tråd.
Denna typ av staket-slingan måste matas med frekvens långt under självresonansen för att kunna få vettigt Q-värde, vilket ger att användbara antenn-induktansen blir låg.

Vad man brukar göra om antenn-loopen är extremt mycket kortare än våglängden är istället att göra själva loopen flervarvig för att få upp induktansen och därmed förhoppningsvis höjer verkningsgraden. Man vill ha en induktans som har hanterbara värden relativt frekvensen och övriga komponenter, vilket typiskt är 1-1000 Ohm, men kan man välja så är det alltid bättre att göra en loop enkelvarvig med acceptabel induktans, för bästa effektivitet.
I kortvågsmottagare där man vill ha extremt liten antenn som ska rymmas inuti radion är det vanligt med flervarviga loopantenner för att få upp induktansen och inte sällan lindad på en ferrit-kärna för att ytterligare höja antenn-effektiviteten. I sammanhanget, för att kunna höra svaga stationer bra krävdes bra selektivitet vilket ofta åstadkoms genom aktivt förstärkt Q-värde, genom att mata ut så mycket av den förstärkta signalen som möjligt tillbaka till antennen tills man var nära självresonans.

Om man hellre vill koppla antennen som en monopol eller vandringsvågs-antenn är antennen balanserad mot jord och det är det man ska förhålla sig till.
En inte helt ovanlig åtgärd man brukar göra i sådana sammanhang är att försöka göra jord-referensen mer effektiv. Kan göras t.ex. genom att gräva ned metallnät strax under markytan.
Eftersom kopplingen till jord är den viktigaste faktorn som avgör antennens impedans så kan t.ex. fukt i jorden påverka impedansen. Kan ha stor betydelse om lyckas tuna till högt Q-värde för en viss impedans. Ett nedgrävt metallnät kan då stabilisera antennen för olika väder.

Det man vill åstadkomma i detta fallet är en närfälts-antenn som man avsiktligt vill ska påverkas så mycket som möjligt av förändringar nära antennen.
Skruvade ledare hör till transmissionsledare där man vill ha så dålig antenn som möjligt, för att få låga förluster och distorsion på balanserad signal som överförs mellan två ändpunkter.


Huvudsaklig anledningen till att man kan detektera en människa i närheten av antennen är i huvudsak pga att den undantränger luft vilket har en dielektricitetskonstant på drygt 1, jämfört med människokroppen på ca 40-50.

Fortfarande gäller att känsligheten avtar kraftigt med avståndet från antenn.tråden. En hund 4-5 meter bort är npg svår att detektera.

Om metallsökare, finns lite olika varianter på design, men grundprincipen är ungefär densamma som för de detektorer som används för att söka träreglar.
De kan balanseras genom att justera spolens matchning och frekvens för att få högt Q-värde. För att förenkla designen är det ofta en separat sändspole och det kan finnas flera mottagarspolar för bättre yttäckning. Spolen "ser" till hälften luft, till hälften jord, vilket är det som dominerar spolens påverkan, men det tunar man bort så väl som möjligt genom att kompensera för reaktiva laster, för störst känslighet för avvikelser från denna miljö.
Det innebär att ett mynt kan detekteras pga de totala dielektriska egenskaperna som spolen är tunad för, förändras. Metall har nära oändlig dielektricitetskonstant så även ett litet mynt kan detekteras om den är nära spolen.

Finns andra aspekter som är mer komplicerade, men ett enkelt experiment att detektera "människa" eller något annat med likvärdiga elektriska egenskaper är att ratta in en en FM-radio med teleskopantenn, till en lagom svag FM-sändare. Chansen är stor att mottagen signal ändrar sej med mer än 10 dB i någon riktning, om man viftar med en hand 10 cm framför antennen. I somliga fall kan man få påtaglig reaktion på flera meters avstånd. Häng ett grytlock i ett snöre och svep framför antennen, så blir påverkan obetydlig om locket är mindre än antenn-längden. Ett mynt i ett snöre lär inte påverka mottagnings-kvaliteten så mycket att det är hörbart.
Anledningen till att handen ger större påverkan är att den påverkar flervägsutbredningen (multipath), främst som absorbent.
Om man analyserar FM-radions mottagen signals förändring av fasläge pga av förändringar i närheten av antennen blir skillnaderna ännu tydligare, men det är här man kommer in på behovet av frekvensreferens för att kunna detektera fasläge och man snubblar in på det område som kallas för interferometri.
Pen
Inlägg: 207
Blev medlem: 16 september 2006, 09:15:51
Ort: Stockholm

Re: Kapacitivt stängsel

Inlägg av Pen »

@Kafeman: Det där var en bra och uttömmande teoretisk analys för Q-värdesmetoderna. Kan du komplettera med en lika bra analys av mitt ursprungliga förslag som snarare byggde på en modell av staketet som en transmissionsledning?

Anpassat till experimentet så får man se det som att jag med idealt oändlig impedansmissmatchning (strömgenerator = oändligt motstånd) skickar in ett strömsprång och observerar antalet reflektioner det tar att nå en viss spänning. Med en störning i dielektrikat på vägen (människa) så reduderas spänningssprånget något per reflektion. Ska man vara riktigt petig så skapar det förstås en extra motfasad reflektion.
E Kafeman
Inlägg: 3238
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Kapacitivt stängsel

Inlägg av E Kafeman »

Förstår inte din metod men gissar att det rör sej om någon form av TDR.
Vad du kan åstadkomma med denna metod beror på vilka mätverktyg och instrument som finns tillgängliga. VNA/generator/oscilloskop med evt FFT/IFFT.
Inte för att det är nödvändiga verktyg, men det underlättar avsevärt. Enbart multimeter och ett analogt oscilloskop räcker en bra bit om man kan hantera dom väl och har gott om tid.

Lite allmänt om TDR-mätning och ett gör-det-själv exempel.
Korrekt änd-matchad transmissions-lina ger inga reflektioner.
Det är bra för det är den situationen som är enklast att arbeta vidare med men att utföra ändmatchningen kräver mer eller mindre jobb beroende på vilka mät-resurser som finns och hur bredbandigt man kan matcha både resistivt och reaktivt.
Ett enkelt sätt att mät-analysera en sådan transmission är att från pulsgenerator skicka ut en kort puls på linan.

Enkel försöksuppställning kan se ut så här:
På pulsens fallande flank singel-triggas ett oscilloskop.
Svep-tiden på oscilloskopet ska motsvara knappt dubbla ledningslängden. Vad som skvalpar runt efteråt är bara skräp.
Oscilloskopet ska visa ett rakt streck om matchningen är ideal. Det är det utgångsläget som ger bäst möjlighet att se yttre störningar.

Pulsgenerator kan byggas av en enda 74F14. En av inverterarna får bli en repeterande pulsgenerator genom att ställa pulskvoten typ 10/90 mha av två motstånd en diod och en kondensator.
Resterande fem inverterare kopplas parallellt på pulsgeneratorn som buffertdrivare samt eventuellt en en snabb diod alternativt matchande staket-resistans. Värdet är inte kritiskt för denna testuppställning, 100-600 Ohm någonstans vilket även ger kretsen ett kortslutningsskydd. Om diod används eller inte beror lite på vad man vill mäta.
Dioden kan göra att mindre reflektioner blir tydligare då de inte lastas av utgångsstegets impedans, men resulterar i ett mätfel av absolut amplitud relativt större reflektioner och kan orsaka störande efter-reflektioner/ringningar, samma puls kan återkomma flera gånger inom tidsfönstret.. Ju bättre matchning i bägge ändar, ju bättre kan man se vad som verkligen händer, med minst störningar.
Staketlinans slutände kan vara svår att matcha korrekt utan mätinstrument, i synnerhet eftersom man helst ska matcha både resistivt och reaktivt,men vanlig vridpot kan duga i denna uppställning. Man vrider potten för minsta utslag på oscilloskopet. I princip kan man tidsmässigt klippa bort ändmatchningen från reflekterande signal men dålig matchning skapar problem för efterföljande bearbetning och kan även ge ringningar långt efter, som då stör nästa puls.
Det kan vara svårt att ansluta potten till en lågimpediv jord, temporärt kan man använda vad som, några kvadratmeter hönsnät liggandes på fuktig backe t.ex.
Gör man testet inomhus så kan man låta en RF-jordad lina löpa utefter golvet parallellt för att ge en ändjord, i brist på bättre.
Motståndet ska så effektivt som möjligt äta upp signalen så att evt. restsignaler är absorberade när nästa puls kommer.

Denna sidan visar i stora drag ovan mätteknik.

Hur bra man än impedans-matchar med denna teknik (UWB TDR), så är det svårt att få bra avstånds-detektion. Föremål på meter-avstånd ger troligen inte nämnvärd impedans-störning. Människokropp på decimeter-avstånd eller direkt beröring av linan med ett finger bör däremot synas mycket väl.
Det är främst att man mäter bredbandigt och inte nyttjar resonanta antenn-egenskaper som begränsar. Att det inte finns någon medveten riktverkan begränsar även det systemets detekteringsförmåga.
Förbättringar genom efterprocessande är av samma typ som används för UWB aperture radar. Tekniken är densamma, fast istället för radar-antenn används staket-tråden.
Är man intresserad av efterprocessandet finns mängder med littratur och ett intresseforum för hemma-mekare finns här.
Pen
Inlägg: 207
Blev medlem: 16 september 2006, 09:15:51
Ort: Stockholm

Re: Kapacitivt stängsel

Inlägg av Pen »

Nja, jag får vara mer tydlig med min metod. Den bygger inte på impedansmatchning utan på motsatsen. Impedansen i sändar/mätände är totalt missanpassad men känd - oändlig eftersom jag använder en konstant strömgenerator. Impedansen i den bortre änden är också totalt missanpassad - oändlig eftersom den lämnas öppen.

Innan mätningen påbörjas är strömgeneratorn nollad och sedan skickar man in en konstant ström under en tid som motsvarar minst 1000 reflektionstider. I båda ändarna blir det totalreflektion och spänningen stegras ett snäpp motsvarande I*Z0 (vid varje reflektion). Jag mäter sedan tiden det tar att uppnå - I*Z0*1000. Om något föremål närmar sig så ändrar sig Z (i snitt) något och därmed också tiden det tar att nå I*Z0*1000. Detta synsätt är givetvis förenklat - mer teoretiskt korrekt blir det en impedans missmatch där föremålet är och därmed en liten negativ reflektion som gör att det tar längre tid att uppnå den förutbestämda spänningen.

När jag kopplar upp detta och testar (en mycket kort sträcka) så kan man tydligt se de förväntade diskreta sprången vid reflektionerna i början men ju längre tiden går desto mer linjärt rampformat blir det. Det beror antagligen på att impedansen ingalunda är konstant längs staketet eftersom terrängen varierar kraftigt. Jag inbillar mig att detta faktum (rampformningen) i själva verket är gynnsamt för mätningen. Den ideala transmissionen med konstant Z och rena språng kan aldrig ge bättre upplösning än 1/1000 med ovanstående ansats. En ramp har inte den begränsningen.

Hoppas metoden framgick bättre med den här beskrivningen. Därmed inte sagt att den är bra eller dålig. Men den skulle vara relativt enkel att implementera.

Ett direkt problem som jag insett är att strömmen måste vara tämligen låg (storleksordningen mA) för att I*Z0*1000 ska bli rimligt låg - i annat fall blir det ett snarare ett kostängsel med 1000-tals volt på slutet. Vid fuktig väderlek blir det kanske för stort resistivt strömläckage till jord. Detta har jag inte mätt ännu.
Skriv svar