Přednáška 11

Transkript

Přednáška 11

1
IONIZAČNÍ DETEKTOR KOUŘE
Měřená veličina: pevné částice kouře
Použití: detektor kouře
Použitá technologie: změny vodivosti ionizační komory
Obecné souvislosti
Doutnající ohně vytváří kouřové aerosoly, plyny a jsou doprovázeny vyzařováním tepelné
energie. Jeden či oba tyto fyzikální jevy jsou využívány v protipožárních detektorech pro
signalizaci požáru v jeho ranné fázi. Ionizační typ detektorů kouře je nejvhodnější pro
aerosoly malých částic, které jsou typické pro otevřené ohně.
Principy měření
Malý radioaktivní zdroj, nejčastěji 241Am, ionizuje vzduch uvnitř komory otevřené
okolnímu vzduchu. V případě nepřítomnosti kouře prochází komorou malý elektrický
proud v řádu 10 – 20 pA. Malé pevné částice vznikající spalováním, které vnikají do
komory, fungují jako rekombinační centra pro ionty. Pohyblivost kouřových částic je
výrazně menší než pohyblivost iontů, proud iontů se snižuje. V moderních iontových
detektorech je užita referenční komora, aby byla zvýšena stabilita a detektor byl odolný
vůči atmosférickým efektům. Referenční komora je větrána skrze malý otvor sfiltrem, který
částice kouře nevpustí. Referenční i kouřové komory jsou citlivé na teplotu, vlhkost a
změnu tlaku, jejich vliv na citlivost poplašného zařízení je elektronicky kompenzován.
Ionizační protipožární detektor
2
Metrologické parametry použitých senzorů
Evropský standard EN 54-7 definuje požadovanou ciltivost detektoru na koncentraci kouře
pro různé typy kouře. Citlivost detektoru zůstává stabilní při proudění vzduchu s rychlostí
do 0.5 m/s. Okolní teplota má malý vliv na funkci detektoru.
Silné stránky
Ionizační detektor patří mezi velmi spolehlivé a robustní přístroje, byl optimalizován šest
desetiletí. Citlivost detektoru je optimální pro takový spalovací proces, který produkuje
malé částice a aerosoly (pyrolýza, hoření plamenem, doutnání).
Slabé stránky
Pro doutnání za přítomnosti pouhého tepla je citlivost detektoru malá. Senzor obsahuje
radioaktivní zdroj 241Am s nominální aktivitou 33 kBq. Detektor proto patří do kategorie
nevýznamných radioaktivních zdrojů a nepředstavuje pro uživatele žádné nebezpečí.
Obecná doporučení pro použití
Detekror by měl být instalován v místnostech s okolní teplotou do 49°C. Inteligentní
detektory komunikují pomocí digitálních sběrnic a velmi často obsahují algoritmy pro
vlastní periodické testování. Velmi často jsou take kompatibilní s dvouvodičovou
analogovou sběrnicí. Pravidla pro instalaci a údržbu jsou podobné jako v případě
fotoelektrických kouřových detektorů. Po skončení životnosti musí být ionizační detector
kouře správně recikloán nebo likvidován.
Odkazy
Duct Application of Smoke Detectors, aplikační brožura, System Sensor LtD.
http://www.systemsensor.com/html/applicat.html
O. Gassmann, H. Meixner (eds) : Sensors in Intelligent Buildings, Wiley-VCH, 2001
http://www.scientificinstruments.com/Aerospace/UVFD/uvflame.htm
Honeywell Home and Buidinng Control
http://www.honeywell.com
National Safety Products
http://www.testproducts.com/fire_smoke
National Institute of Standards
http://smokealarm.nist.gov/calib.htm
použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)
Praha & EU: Investujeme do Vaší budoucnosti
Evropský sociální fond
3
OPTICKÝ DETEKTOR KOUŘE
Měřená veličina: Kouřové aerosoly a částice
Použití: Protipožární detektor
Použitá technologie: Optický rozptyl světla
Obecné souvislosti
Doutnající oheň vytváří kouřové aerosoly a plyny, a vyzařuje teplo. Jeden či oba tyto
fyzikální jevy jsou využity v protipožárních detektorech pro signalizaci požáru v jeho ranné
fázi. Optický typ protipožárních detektorů je výkonnější pro střední a velké částice
aerosolu, které jsou typické u doutnajících ohňů. Detektory kouře ionisačního typu jsou
nejcitlivější vůči malým, neviditelným kouřům s velikostí částic pod 0,2 µm. Optické
detektory rozptylového typu jsou nejcitlivější vůči viditelným částicím v rozsahu 0,5 až 2
µm. Citlivost optických detektorů založených na pohltivosti jsou na velikosti částic
v podstatě nezávislé.
Principy měření
Modulované (přerušované) světlo ze světelného zdroje (LED) s optikou je promítáno skrze
začerněnou komoru. Tato komora je otevřena pro kouř, který má být zjištěn. Přijímač
(detektor) světla je zaměřen k promítanému paprsku pod „úhlem rozptylu β”. Část světla se
odráží k přijímači světla. Napětí na detektoru světla spouští alarm. Velikost úhlu rozptylu
určuje citlivost na různé rozměry částic. Zpětný rozptyl (β>>900) je citlivější na malé
částice typické pro otevřené ohně, dopředný rozptyl (β<900) je lepší pro větší částice
doutnajících ohňů. Úhel rozptylu β je často nastaven na 900.
Paprskové optické detektory kouře otevřeného typu využívají průchodu světelného paprsku
chráněnou zónou. Paprsek se odráží reflektorem a je detekován blízko vysílače. Kouř ve
dráze paprsku snižuje intenzitu odraženého světla.
Citlivost na koncentraci kouře m (dB m-1) je v souladu s evropským standardem EN 54-7.
Standard určuje požadovanou citlivost k různým typům kouře. Dosah bodového typu
detektoru kouře je obvykle 5 až 10 metrů. Dosah paprskových detektorů může být až 100
metrů
4
Optický detektor kouře
Silné stránky
Relativně levný sensor s velmi rychlou odezvou.
Slabé stránky
Proudění vzduchu může způsobit, že kouř nezasáhne senzor. Prach může způsobit falešný
poplach. Optické detektory kouře jsou málo citlivé na rychle hořící ohně, které produkují
plameny a pouze velmi malé, neviditelné kouřové částice.
Optický detektor kouře může být použit pouze v uzavřených prostorách, většinou je
umístěn pod stropem. Detektory kouře jsou také umísťovány do trubek klimatizace.
Maximální rozestup ve velkých prostorách je 9 metrů. Každý detektor kouře by měl být
pravidelně čištěn (obvykle vysavačem) a měla by být zkoušena jeho funkčnost (obvykle
každý rok). Při hledání vhodného umístění detektoru je třeba vzít v úvahu možný efekt
„inverze“ (stratifikace): pokud má vzduch pod stropem teplotu vyšší než je teplota kouře,
pak kouř zůstane naspod.
Odkazy
Duct Application of Smoke Detectors, aplikační brožura, System Sensor LtD.
http://www.systemsensor.com/html/applicat.html
5
TEPLOTNÍ DETEKTOR OHNĚ
Měřená veličina: teplota
Použití: požární bezpečnost
Použitá technologie: termoelektrický článek a další
Obecné souvislosti
Systémy na zjištění ohně využívají detektory, které jsou založené na různých principech,
aby zjistily ohně různého typu a vyhnuly se planým poplachům. Některé ohně vytváří
množství kouře a zvyšování teploty je pomalé, určité ohně je jednoduché rozpoznat pomocí
plamenů. Třetím komplementárním principem je teplotní měření. Detektory tohoto typu
měří teplotu buď přímo, nebo jako její změny v prostoru a čase. Teplotní detektory mohou
být buď bodové, nebo lineární. Digitální lineární detektory tepla v sobě mohou spojovat
bodovou citlivost s lineárním pokrytím. Detektory s optickými kabely jsou užívány ke
špičkovým aplikacím (například pro bezpečnostní systémy v tunelech) a jsou popsány
samostatně v Praktické ukázce II.05.
Principy měření
Jakékoli senzory teploty, včetně NTC termistorů a odporových teploměrů ( RTD), mohou
být využity pro požární bezpečnostní systémy. Rozšířené jsou termočlánky, které mohou
jednoduše změřit teplotní gradient. Velice spolehlivé detektory rychlosti zvyšování teploty
jsou založeny na principu roztahování vzduchu: pokud se vzduch uvnitř uzavřené komory
roztahuje rychleji, než by mohl uniknout kalibrovaným větracím otvorem, pak výsledný
zvýšený tlak vychýlí membránu a tím rozpojí elektrický kontakt, což aktivuje poplašný
signál. Teplotní detektory založené na tepelné roztažnosti sepnou při nastavené teplotě.
Jestliže teplota rychle roste, detektor sepne dříve
díky své prediktivní schopnosti. Jestliže teplota
poklesne pod poplachovou úroveň, detektor se
automaticky uvede do neaktivního stavu.
Některé teplotní spínače jsou nevratné a po
sepnutí musí být vyměněny. Takové typ jsou
většinou založeny na eutektických kovech.
Pružina, kterou zadržuje eutektický kov, se ve
chvíli, kdy detektor dosáhne teploty tání tohoto
kovu, uvolní a způsobí uzavření elektrického
obvodu. Analogové lineární detektory teploty
jsou podobné fire-wire užívanému v leteckém a
kosmickém průmyslu.
Lineární detektor teploty (Proctowire)
6
Digitální lineární detektory tepla mohou spojovat bodovou citlivost s lineárním pokrytím.
Jsou založeny na mechanickém principu: snímací kabel se skládá ze dvou kovových vodičů
samostatně izolovaných polymerem citlivým na teplo. Izolované vodiče jsou vzájemně
navinuty tak, aby se mezi nimi vytvořilo tlakové mechanické napětí, dále jsou ovinuty
ochranou páskou a povrch je tvořen vnějším pláštěm. Při jmenovité teplotě povolí izolace
z teplotně citlivého polymeru tlaku mezi vodiči, to způsobí, že se mohou pohnout a
dotknout a to spustí poplašný signál.
Senzory velikosti zvýšení teploty jsou většinou přednastaveny na teplotní růst 80C /min.
Senzory stálé teploty spínají obvykle při teplotě 570C nebo 700C.
Silné stránky
Teplotní senzory jsou velice robustní, nemají žádné pohyblivé části a jsou odolné vůči
prachu a jiným znečištěním.
Slabé stránky
V některých případech nemohou tepelné senzory užité samostatně oheň detekovat: pokud je
například teplo z ohně v tunelu odfouknuto prouděním vzduchu, pak může být zvýšení
teploty jen velmi malé. Některé ohně vytvářejí jen malé teplo, ale jedovaté plyny. Teplotní
senzory by proto neměly být používány samostatně ale v kombinaci s detektorem kouře.
Teplotní senzory by měly být použity jako součást komplexu monitorovacích systémů.
Pokud jsou nainstalovány do kuchyně či do průmyslových prostor, kde je možné očekávat
vyšší teploty, pak je třeba méně citlivé senzory změny teploty.
Odkazy
Protectowire Company, Inc.
http://www.protectowire.com
Fire Sensors for Preventing Tunnel Disasters, OKI Technical Review, Number 3,
Volume 68 September 2001, available at http://www.oki.com/en/otr
National Institute of Standards – Fire research
http://fire.nist.gov
GE security
http://www.gesecurity.com
7
DETEKTOR TEPLA S OPTICKÝMI VLÁKNY
Měřená veličina: teplota
Použitá technologie: optická vlákna
Obecné souvislosti
V dopravních tunelech je nezbytné případný požár rychle zjistit a lokalizovat: oheň
produkuje tepelnou vlnu, která je prouděním vzduchu v tunelu rychle přenášena. Pro to,
aby byl správně aktivován systém rozprašování vody, je nezbytné, aby byla informace o
místě ohně k dispozici do 3 minut od jeho započetí a s přesností 2 až 4 metry. To zajistí,
aby se oheň nepřenesl na další auta a tím pádem bude udržen pod kontrolou do chvíle, než
přijede zásahová jednotka. Zařízení na měření teploty pomocí optických kabelů jsou dobře
uzpůsobena rozloženému měření teplot v tunelech, elektrárnách, chemických továrnách a
při výstavbě silnic. Jsou také užívána pro sledování geotermálních procesů a pro
bezpečnostní kontrolu jaderných elektráren. Hlavní aplikací jsou bezpečnostní systémy pro
sledování ohňů v tunelech, kde nejsou běžné protipožární hlásiče vzhledem k extrémním
podmínkám prostředí spolehlivé.
Principy měření
Laserový zdroj vyzařuje světlo do optického kabelu. Mechanické napětí vyvolané
tepelnými změnami vyvolá zvýšený zpětný rozptyl, který se měří optickým detektorem.
Část zpětně rozptýleného světla má vzhledem k Ramanově (nepružnému) rozptylu odlišnou
vlnovou délku od původního světla emitovaného laserem. Ramanovská část zpětně
rozptýleného světla se skládá ze dvou složek: jedna, nezávislá na teplotě, má vyšší
frekvenci (Stokesův pruh), zatímco nižší frekvence (Anti-Stokes) na teplotě závislá je.
Optický kabel Fibrolaser
8
S využitím optické reflektometrie lze dosáhnout rozlišení zhruba 1,5 metru. Systém
s vysokým rozlišením má prostorové rozlišení 50 cm pro 2 km délky kabelu. Kabel se
skládá z jádra s rozměrem 50 µm a pláště o průměru 125 µm. Celkový průměr včetně všech
ochranných vrstev je 8 mm.
Silné stránky
Hlavní výhodou distribuovaného systému s optickými vlákny ve srovnání s bodovými
detektory tepla je, že cena je dána převážně laserem a detektorem a nezávisí příliš na délce
kabelu. Distribuované měření teploty je významný nástroj, který umožňuje přesné
hodnocení kabelů a přenosového vedení založené na aktuálních podmínkách v terénu.
Malý objem a nízká váha, pružný, jednoduchá instalace. V samotném měřeném prostoru
nejsou žádné pohyblivé části ani elektronika. Lze ho instalovat i na místech, která nadále
nebudou dostupná. Optický kabel je možné umístit i v aplikacích s nebezpečím výbuchu
(až do zóny 0). Lze samostatně přizpůsobit zvláštním podmínkám: drsné prostředí, vysoká
mechanická odolnost, odolný vůči vysokému tlaku, teploty do 400°C. Čidlem je čistě
pasivní optický kabel, téměř bez nutnosti údržby a odolný vůči elektromagnetickému
rušení, mechanickým vlivům, atmosférickým podmínkám, extrémním teplotám, agresivním
chemikáliím, prachu a nečistotám
Slabé stránky
Ve srovnání s Ryleighovým rozptylem světla je v případě Ramanova rozptylu
zaznamenáván signál zpětného odrazu, který je tisíckrát menší. Lokálně distribuovaný
Ramanovský senzor teploty s užitím obecně známé technologie OTDR (Optical Time
Domain Reflectometry- Optická reflektometrie v časové oblasti) proto může být realizován
pouze za použití drahých pulzních laserových zdrojů s vysokým výkonem (obvykle laser
v pevné fázi) či s použitím rychlého průměrování signálu.
Délka kabelu může být až 4 km.
Odkazy
LIOS Technology, Germany
http://www.lios.biz/b/index.htm
Siemens
http://www.fibrolaser.com
9
UV SENZOR PLAMENŮ
Měřená veličina: plameny
Použitá technologie: detektor UV záření
Obecné souvislosti
V budovách, tunelech a průmyslových provozech je třeba zjistit a lokalizovat oheň rychle.
To umožňuje aktivovat rozprašovací hasicí systém a regulovat oheň než dorazí zásahové
síly. Ve srovnání s detektory kouře zjišťují detektory plamenů oheň velice rychle. Záření
z ohně je zjištěno ihned. Pro ohně, které neobsahují uhlík, jsou účinnější detektory
ultrafialového záření. Aplikace: petrochemické provozy, chemické provozy, rafinerie,
ropné plošiny, laboratoře na testování turbinových motorů a raketových motorů, hangáry
pro letadla a místa, kde se doplňuje palivo. Rychlé optické UV/Infračervené detektory
s reakční dobou pod 5 milisekund aktivují automatický hasicí systém Spectrex v kabinách
obrněných vozidel. Systém chrání posádku obrněných vozidel před nahromaděným tlakem
způsobeným výbuchem paliva, omezí poškození pokožky a minimalizuje množství
toxických plynů, které vznikají jako vedlejší produkt.
Principy měření
Ultrafialové (UV) detektory používají coby měřící prvek obecně buď polovodičový senzor
založený na karbidu křemíku SiC nebo nitridech hliníku AlN, nebo plynem naplněnou
trubici. Populárním UV detektorem je fotonka: je založena na fotoelektrickém efektu
v baňce naplněné plynem. Dopadající fotony způsobují emisi elektronů z fotokatody. Tyto
elektrony jsou přitahovány anodovou elektrodou, jež je pozitivně polarizována vnějším
napětím, a tím vzniká elektrický proud. Velikost tohoto proudu je úměrná intenzitě UV
záření.
UV detektor plamenů
10
Detekce až do vzdálenosti 50 metrů
Pro určité situace reakční čas v milisekundách, maximální doba odezvy mezi 3 a 5
sekundami
Šířka pásma zhruba 185 – 260 nm s optimální spektrální citlivostí kolem 200 nm. Může být
využit v systémech potlačení výbuchu plynu s akční dobou pod 100 milisekund.
Silné stránky
Rychlá reakce, plameny detekovány typicky do 3 sekund
Citlivost na všechny typy plamenů
Odolnost vůči slunečnímu záření
Slabé stránky
Detektor plamene nereaguje na nehořící ohně (např. jako doutnání). Svařování elektrickým
obloukem, elektrické oblouky, rentgen užívaný v nedestruktivním testování materiálů a
radioaktivní materiály mohou produkovat takovou úroveň UV záření která aktivuje UV
detekční systém. Přítomnost plynů či par pohlcujících UV záření ztlumí UV vyzařování
ohně, a nepříznivě tak ovlivní schopnost detektoru „uvidět“ plamen. Přítomnost olejové
mlhy či olejového filmu na okénku detektoru bude působit stejně.
Detektory plamenů jsou velmi rychlé, opomíjejí však nízkoteplotní procesy hoření.
Většinou jsou jen součástí multisenzorového přístroje či sítě. Kouřové detektory mohou
odhalit pyrolýzu (způsobenou teplem z vnějšího zdroje) a doutnání (nízkoteplotní proces
hoření). Výrazně snížit počet falešných poplachů může užití celého spektra detektorů ohně.
UV detektory ohně mají celou řadu průmyslových a komerčních způsobů uplatnění
v případě, že by hrozba náhlého ohně mohla obsahovat uhlovodíková paliva jako benzín,
hydraulickou kapalinu, barvy, rozpouštědla, letecký benzín, acetylen, hořlavé kovy,
pyrotechnické ohně, ohně hydrazinového či vodíkového paliva.
Odkazy
Spectrex Inc.
http://www.spectrex-inc.com/sharpeye/ES-2020U-UB.htm
Protectowire Co., Inc.
http://www.protectowire.com/documents/ds-9132.pdf
MSA
http://www.msanet.com/catalog/product825.html
11
INFRAČERVENÉ DETEKTORYPLAMENE
Měřená veličina: plamen
Použitá technologie: pyroelektrický detektor infračerveného záření
Obecné souvislosti
Běžné požární detektory nemusí být pro zjištění požáru v těžkém průmyslu kvůli svému
dlouhému reakčnímu času vhodným řešením. Spektrum záření plamenů pokrývá velký
rozsah vlnových délek a je specifické pro hoření pevných látek. Detekce oblastí
infračerveného a ultrafialového záření umožňuje aktivaci vysokorychlostního poplašného
zařízení. Detektory infračerveného záření jsou obecně vhodné pro ohně, ve kterých hoří
uhlík. Multispektrální detektory infračerveného záření se hodí pro prostředí se silným
zářením na pozadí či dokonce pro zjištění neviditelného hoření vodíku. Infračervené
detektory jedné frekvence jsou vhodné ke zjištění uhlovodíkového plamene v drsném
prostředí. K předcházení falešných poplachů může dobře posloužit kombinace
infračerveného a ultrafialového detektoru. Mezi aplikace patří: sledování účinnosti
spalování, bezpečnost v uhelných dolech, bezpečnost vrtných plošin, petrochemická
výroba, provozy na zpracování uhlí, plynové turbíny, letecké hangáry, muniční sklady,
výroby polovodičů, linky k lakování aut.
Principy měření
Záření z plamene prochází sledovacím okénkem z materiálu propouštějícího infračervené
záření, k pyroelektrickému čidlu s maximální citlivostí okolo 4,4 µm. Pyroelektrický senzor
reaguje na rychlé změny amplitudy zaznamenávaného infračerveného záření. Pomalé
změny i stálý zdroj infračerveného záření senzor také registruje, vhodným zpracováním
jsou ale potlačeny.
Příklad detektoru infračerveného záření FL4000 (General Monitors)
12
Detekční vzdálenost je např. až 70 m od hořícího benzínu. Vždy však záleží na rozsahu
ohně a druhu hořcí látky. Typická reakční doba < 0.5 s, minimální reakční doba < 40 ms,
maximální reakční doba dosahuje jednotek sekund, v závislosti na hořící látce a rozsahu
ohně. Zorné pole senzoru dosahuje až 110°, typicky 90°.
Silné stránky
Komerční detektory jsou většinou zkonstruovány tak, že stálé zdroje infračerveného záření
ignorujía reagují pouze na proměnné (mihotající se) infračervené záření. Detektor
infračerveného záření kombinovaný s ultrafialovou fotonkou tvoří velice robustní detektor
plamenů, přístroj téměř vylučuje falešné poplachy. Pokud je zjištěn pouze ultrafialový
(například obloukové svařování) či pouze infračervený podnět (velké rozpálené objekty),
není vyvolán poplach.
Slabé stránky
Pokud má být zabráněno falešným poplachům, měl by být detektor během blízkého
svařování plynem (je přítomen skutečný plamen) či obloukem (možné zažehnutí plamene)
vypnut.. Funkčnost detektoru bývá často omezena pouze na ohně, ve kterých je spalován
uhlík.
Detektor by měl být umístěn tak, aby jeho zorné pole pokrývalo pouze ohrožené místo a
bylo tak zabráněno falešným poplachům vyvolaným jinými zdroji v zorném poli. Pro
připevnění přístroje se doporučuje pevný povrch, který se netřese. Mlha, plyny a prach
mohou fukci zařízení negativně ovlivnit. Jakákoli fyzická překážka ve výhledu přístroje, a
to včetně kouře, může způsobit selhání. Významně utlumit záření mohou i plastová či
skleněná okna. Problémy s venkovním užitím může zapříčinit voda či led na sledovacím
okénku přístroje.
Odkazy
General Monitors:
www.generalmonitors.com
Detector Electronics Corporation: www.detronics.com/flame.cfm
Land Instruments International: www.landinst.com
13
KATALYTICKÝ SENZOR PLYNU (PELLISTOR)
Identifikační údaje
Měřená veličina: plyn
Použitá technologie: měření reaktivního tepla katalytického spalování
Obecné souvislosti
Pellistor patří do skupiny termokatalytických senzorů. Tyto senzory jsou založeny na
měření reakčního tepla, které je vytvořeno katalytickým spalováním hořlavých plynů.
Změny teploty, které jsou způsobeny reakcí, jsou závislé na měřené koncentraci plynu.
Principy měření
Pellistorové detektory se skládají z perličky z inertního materiálu (obvykle kysličníky
hliníku) se zapuštěnou platinovou (případně iridiovou) cívkou. Cívkou prochází proud tak,
aby ji ohřál na teplotu, při které dochází k oxidaci plynu (okolo 500°C). Oxidace plynu
teplotu článku ještě zvýší a tak dojde ke zvýšení odporu platinové cívky. Ze změřeného
odporu lze určit odpor cívky a tedy koncentraci analyzovaného plynu. V praxi se
k eliminování vlivu teploty okolí, vlhkosti a dalších rušivých vlivů používá ještě kontrolní
článek bez katalytické vrstvy. Oba články jsou zapojeny do můstku a chráněny víčkem ze
sintrovaného kovu. Pro většinu plynů je výstup můstku lineární, a to až do výbušné
koncentrace. Alarm je normálně nastaven na 20% úrovně výbušné koncentrace.
Katalytický pellistor (e2v technologies)
Metrologické vlastnosti pellistorů jsou většinou vztaženy na metan.
Minimální detekovatelná koncentrace:
Typicky 0.1 % metanu
14
Citlivost:
Spotřeba energie:
Reakční doba:
Linearita
Typicky zhruba 20 mV/% metanu
<1W
<2s
Lineární až do 3 % metanu (typicky)
Silné stránky
Technologie byla vyvíjena přes třicet let; pellistory jsou mnohostranně použitelné a
relativně levné. Katalytické pellistory jsou citlivé na nejhořlavější plyny a páry a mají při
malých koncentracích velmi krátkou reakční dobu. Pellistory mohou být v provozu několik
let, je třeba je ale každých 6 měsíců rekalibrovat, protože jejich citlivost se konstantně
snižuje.
Slabé stránky
Převodní charakteristika senzorů je monotonní jen v omezeném rozsahu, při vyšších
koncentracích plynu senzory dávají nejednoznačné výsledky. Pokud je měřen jiný plyn, než
na jaký je detektor kalibrován, pak je nutné přístroj rekalibrovat. Pokud je indikátor
vystaven určitým látkám či plynům, může být vratně či nevratně poškozen či „otráven“. To
vede ke snížení citlivosti. Poškození látkami obsahujícími olovo či silikon je nevratné.
Problém “otravy” senzoru je možné vyřešit vhodným filtrem. Toto opatření však vede ke
snížení citlivosti senzoru. Filtry je třeba pravidelně vyměňovat. Většina výrobců sice nabízí
detektory „odolné vůči otravě“, dlouhotrvající vystavení rušivým látkám může přesto
senzor poškodit. Protože Pellistor ve skutečnosti měří teplotu, je ho třeba umístit do
prostoru bez průvanu. Ve výbušném prostředí je třeba připojit k přístroji vhodný odlučovač
plamenů ze sintrovaného kovu. Po tom, co byl senzor vystaven dlouhotrvající koncentraci
sledovaného plynu, je třeba senzor zkontrolovat a rekalibrovat. Poloha přístroje ve
sledovaném prostoru má výrazný vliv na jeho funkce.
Odkazy
Crowcon Detection Instruments: www.crowcon.com/talking_gas_pellistor_systems.htm
e2v technologies: e2vtechnologies.com/introduction/
Sixth Sense company: www.sixth-sense.com/products/catalytic.htm
15
INFRAČERVENÝ DETEKTOR FREONŮ/ CO2
Měřená veličina: koncentrace plynu
Použití: zjištění plynu
Použitá technologie: pohlcování infračerveného záření
Obecné souvislosti:
Freon, amoniak a kysličník uhličitý je obtížné zjistit elektrochemickými články či jinými
obvyklými metodami. V infračerveném vlnovém pásmu však mají tyto plyny velmi
specifické absorbční spektrální čáry, které jsou jednoduše zjistitelné infračerveným
spektrometrem. Důležitou aplikací infračervených senzorů je sledování CO a CO2
v měření kvality vzduchu např. pro řízení ventilace. Uplatnění nalézají tyto systémy
v systémech ventilace v garážích a tunelech a také v bezpečnostních systémech.
Principy měření
Infračervené senzory plynů užívají selektivní pohlcování infračerveného záření.
Fotoakustické články jsou založeny na měření odchylek tlaku plynu v dutině, které jsou
způsobeny selektivním pohlcováním infračerveného záření. Selektivní pohlcování zvyšuje
teplotu plynu, což způsobuje zvýšení tlaku. V případě střídavého buzení má signál tlaku
stejnou frekvenci jako světelné impulsy. Rozdíly tlaku jsou zaznamenávány akustickým
mikrofonem. Infračerveným zdrojem může být klasická žárovka, xenonový blesk,
infračervená LED či laserová dioda.
CO senzor SmartScan (kTSensor);sensor úniku plynu Simrad
16
Infračervené sensory plynů mohou zjistit následující plyny:
Plyn
spektrální čára(µm)
3.4
CH4, C2H6, C3H8, C4H10
CO2
4.25
CO
4.7
Freon
8.35
NH3
10.45
Komerčně dostupné sensory CO pro ventilaci garáží a tunelů mají rozlišení 2 ppm a
přesnost 10 ppm. Dlouhodobá stabilita je u nich 10 ppm/rok. Rozsah měření je většinou do
1000 ppm. Senzory CO2 mohou mít rozlišení až 0,1 ppm a přesnost 5 ppm.
Silné stránky
Specifická odezva, výtečná selektivita. Krátká reakční doba (může být 1 sekunda).
Otevřený typ infračerveného senzoru může měřit na dálku (například analýza kouřových
plynů).
Slabé stránky
Přístroje jsou většinou citlivé na teplotu, nečistotu a prach v analyzovaném vzduchu. Ke
kompenzaci těchto vlivů jsou proto často užívány senzory s dvojí vlnovou délkou.
Infračervené senzory nedokáží zjistit O2, N2, H2 a vzácné plyny.
Fotoakustické infračervené senzory plynů jsou ideální pro domácí sledování CO2
v inteligentních ventilačních a klimatizačních systémech. Dalšími oblastmi užití jsou
bezpečnostní detektory úniku amoniaku, freonů a uhlovodíků.
Odkazy
kTSensor, Norway
www.ktsensor.com/gassensors.html
Simrad Optronics, Norway
www.simrad-optronics.no
Det-Tronics, USA
www.detronics.com
J. Chou: Hazardous Gas Monitors, McGraw-Hill and SciTech Publishing, 1999
RS Dynamics
www.rsdynamics.com
17
ELEKTROCHEMICKÝ SENZOR PLYNU
Použití: detekce plynu
Použitá technologie: elektrochemické články
Obecné souvislosti
Elektrochemické senzory plynů mohou zjistit malou koncentraci nebezpečných plynů,
například fosgenu či fosfínu. Elektrochemické senzory CO jsou užívány v kombinaci
s detektory kouře v protipožárních poplašných systémech.
Principy měření
Základní elektrochemický senzor se skládá z hydrofobní polopropustné membrány, která
propouští některé plyny a dvojice elektrod v elektrolytu. Měřený plyn difunduje skrz
membránu do elektrolytu a mění potenciál na snímací elektrodě. Výsledný proud mezi
snímací elektrodou a protielektrodou je v řádu 100 nA pro koncentraci plynu 1 ppm.
Některé senzory mají třetí elektrodu, aby kompenzovaly polarizační efekt. Tzv.
potenciostat zajišťuje, aby napětí (pracovní potenciál) mezi snímací a referenční/kontrolní
elektrodou bylo konstantní
Elektrochemický senzor plynu (ATMI Sensoric), Draeger
Elktrochemický sensor plynu může zjišťovat širokou škálu různých plynů včetně CO, SO2,
NH3, NO2, Cl2, H2, HCl, H2S, PH3, SiH4, C2H40, HCN.
Plyn
H2
Rozsah (ppm, typicky)
0 – 2000/4%
18
H 2S
CO
HF
NH3 (čpavek)
Fosgen COCl2
0 - 100
0 – 300/1000
0 - 10
0 – 100/1000
detekční minimum 0.02 ppm
Silné stránky
Elektrochemické články mají lineární charakteristiku, jsou citlivé v řádu ppm, mají nízkou
citlivost na teplotu a vlhkost a jsou odolné vůči otřesům i šokům jakéhokoli druhu. Mají
také velmi malou spotřebu energie.
Slabé stránky
Elektrochemické články mají dlouhou reakční dobu (10 až 120 sekund) a omezenou
životnost (2 až 3 roky). Ve srovnání s polovodičovými či katalytickými senzory jsou také
drahé.
Některé chemikálie (např. BF3, BCI3, BBr3) mohou být zjištěny nepřímo pomocí reakce
s vlhkostí přítomnou v okolním vzduchu. Vytvoří totiž plyn, pro jehož detekci existuje
speciální elektrochemický senzor (např. HF, HCI, HBr). Senzory toxických plynů budou
fungovat bez přerušení pouze pokud vzorek plynu obsahuje alespoň 1% kyslíku. Pokud je
úroveň kyslíku nižší než 1%, pak je třeba zařízení promývat alespoň 30 minut z každé
hodiny čistým vzduchem.
Odkazy
Chemical Sensors and Biosensors, Chapter 6 in P. Ripka, A. Tipek (eds) : Master Book of
Sensors, BEN, 2003
Envin Scientific ltd., UK
http://www.envinsci.co.uk/
MiCS, Switzerland
http://www.microchemical.com/
Sensoric
http://www.sensoric.de/
Draeger
www.draeger.com
Crowcon
www.crowcon.com
19
POLOVODIČOVÉ SENZORY PLYNŮ
Použití: zjištění přítomnosti plynu
Použitá technologie: vodivost
Obecné souvislosti
Ke kontrole kvality vzduchu v budovách je třeba levný a spolehlivý senzor na měření
koncentrací plynů. Polovodičový senzor plynů založený na oxidech kovů byl tradičně
užíván pro sledování výskytu CO. Jinou důležitou aplikací jsou bezpečnostní detektory
toxických a hořlavých plynů jako čpavku, zemního plynu, vodíku, sirovodíku , alkoholu,
toluenu a xylenu. V poslední době byl zaveden tento typ senzoru také pro kysličník
uhličitý.
Principy měření
Nejrozšířenější snímací látkou je SnO2, který má vlastnosti polovodiče a díky struktuře
krystalových zrn má velký aktivní povrch. Ionty kyslíku jsou za zvýšené teploty
adsorbovány na hranici zrn. Tyto ionty tvoří potenciálovou přehradu, která zabraňuje
nosičům náboje ve volném pohybu. Pokud je přítomen redukční plyn, množství iontů se na
hranici zrn snižuje, to zvýší vodivost. Selektivnost SnO2 může být zvýšena legováním.
Senzor s oxidem kovu (Envin)
20
Plynové se senzory s SnO2 mohou zjistit následující plyny:
Plyn
C2H6 (Metan)
H2
CO
CO2
NH3 (čpavek)
mezní zjistitelná hodnota(ppm)
500
30
30
350
30
Rozsah (ppm, typ.)
10 000
1000
1000
5000
300
Silné stránky
Levný, malé rozměry, může mít nízkou spotřebu energie.
Slabé stránky
Pomalá odezva, nízká selektivita. Senzor by měl být zahříván, k čemuž je obvykle třeba
příkonu asi 250 mW. Nové miniaturizované typy senzorů jsou vyrobeny technologií
MEMS. Vrstva citlivá na plyn je vyrobena z nanočástic uložených na miniaturní vyhřívané
destičce v podobě tenké dielektrické membrány. Tato konstrukce umožňuje, aby ohřívač
spotřebovával málo energie.
Senzory mohou mít dlouhou dobu náběhu po zapnutí, ta závisí na vlhkosti a povětrnostních
podmínkách při uskladnění. Počáteční akce během této spouštěcí doby je způsobena
resorbcí plynů z povrchu senzoru a může spustit falešný poplach. Je třeba zvážit užití
kompenzačních obvodů proti vlhkosti a teplotě.
Odkazy
Figaro Japan/USA
http://www.figarosensor.com
Envin Scientific ltd., UK
http://www.envinsci.co.uk/
MiCS, Switzerland
http://www.microchemical.com/
21
PIR (PASIVNÍ INFRAČERVENÝ SENZOR)
Měřená veličina: tepelné záření
Použití: detekce vloupání
Použitá technologie: změna elektrické polarizace
Obecné souvislosti
PIR senzory jsou dnes hlavním základním prvkem pro střežení prostoru, v systémech proti
vloupání a pro detekci živých objektů. Živé objekty (lidé či zvířata) jsou pohyblivými
zdroji infračerveného záření s vlnovou délkou okolo 10 µm. Výhoda moderních PIR
senzorů je způsobena především tím, že jsou schopny rozlišit osoby od ostatních
přirozených zdrojů záření.
Principy měření
PIR může být založen na třech různých mechanismech: bolometr (dT založený na změně
elektrického odporu), termoelektrický senzor (dT senzor založený na Seebeckově jevu) a
pyroelektrický senzor (typ dT/dt- založený na změně elektrické polarizace). V současnosti
PIR senzory užívají hlavně pyroelektrický princip se dvěma aktivními prvky vyrobenými
z tantalátu lithia nebo titanitanu zirkoničitého. Dobré selektivity PIR lze dosáhnout
využitím optického filtru, zrcadla a Fresnelovy optiky. Optický systém rozděluje střeženou
oblast do různých pásem pokrytí.
[m]
120°
2,5
max. 40 cm
7 [m]
“Čočka na domácí zvířata”(JS-7906 – S laskavým souhlasem Jablotronu). Čočka
předchází tomu, aby byla senzorem detekována zvířata menší než 40 cm.
22
Základní parametry detektorů PIR:
pokrytí (zorné pole) – typicky 12 x 12 m, 900 - 1100
rozsah teplot – typicky –20 až +50 0C
kompenzace teploty
odolnost vůči vysokofrekvenčnímu rušení – typicky 50 – 65 V/m do 1 GHz, 200
V/m na GSM kmitočtech
Počet prvků – typicky dvojité nebo čtyřnásobné senzory
Energetická náročnost – typicky 5 – 15 mA při 12 V
Silné stránky
Filtrace infračerveného signálu, odolnost proti bílému světlu, netečnost k domácím
zvířatům.
Slabé stránky
Senzor není schopen detekovat velmi pomalu pohyblivý objekt, nebo objekt mající stejnou
teplotu jako okolí. Falešné poplachy mohou být způsobeny vlivem prostředí nebo
nesprávným nastavením.
Multisenzorové systémy používají také aktivních infračervených senzorů, podlahových
nášlapných tlakových spínačů, mechanických a magnetických spínačů a nástražných drátů.
Dražší jsou mikrovlnné, ultrazvukové a video senzory
Odkazy
www.epa.gov/safewater/watersecurity/guide/alarms.html
crowsystems.com/expert.htm
smarthome.unibw-muenchen.de/upload/publications/Iva02.pdf
www.alertelectrical.com
23
DOPPLEROVSKÝ DETEKTOR POHYBU
Měřená veličina: pohyb
Použití: zjištění vloupání
Použitá technologie: mikrovlnná a ultrazvuková
Obecné souvislosti
Poplašné systémy ke zjištění vloupání jsou založeny na různých fyzikálních jevech. Jsou to
zejména pasivní infračervené detektory (PIR), detektory založené na změnách tlaku,
seismických jevech, akustických vlnách, clonění světla a detektory využívající elektrického
pole. Dopplerovy senzory detekují pohyb pomocí ultrazvuku a mikrovln.
Principy měření
Díky Dopplerově jevu dochází ke frekvenčnímu posunu mezi vysílaným a přijímaným
signálem, pokud je vlna odražena od objektu v pohybu.
Mikrovlnná energie (obvykle vytvořená v mikroproužkovém oscilátoru) je vysílaná
všesměrovou anténou. Tyto vlny jsou měřeným objektem odraženy zpět a detekovány
přijímačem, který buď využívá stejnou anténu, nebo má samostatný anténní systém. V
některých ultrazvukových senzorech je využita impulsní metoda měření vzdálenosti.
impulsy. Jiným způsobem měření vzdálenosti je využití systému s kontinuální vlnou, který
se používá u ultrazvukových i mikrovlnných senzorů.
Ultrazkukový detektor pohybu (Migatron), kombimovaný PIR/mikrovlnný senzor
(Smarthom), mikrovlnnýsenzor (Sedco)
24
Ultrazvuk: Typické pokrytí sledované plochy 50 m2.
Typická provozní frekvence 25 to 40 kHz
Mikrovlny: frekvenční pásmo 9 to 10 MHz nebo 24 MHz, detekční vzdálenost do 30 metrů.
Ultrazvukový Dopplerův systém: detekční vzdálenost 10 m pro pohyb rukou, 20 m pro
pohyb celého těla. Ultrazvukový systém měření vzdálenosti: rozlišení 1 mm, rozsah 0.15
až 8 m .
Silné stránky
Detektory nejsou citlivé na světlo, horké body, malá zvířata, kolísání teploty či zrcadlové
odrazy. V tomto způsobu pokrytí nejsou žádná slepá místa a oproti PIR detektorům
zajišťují dopplerovské senzory větší pokrytí. V určitých případech může být ultrazvukovým
senzorem díky odrazům vln zachycen i pohyb za překážkou. Mikrovlny jsou odráženy
kovovými předměty a pronikají sklem, dřevem a dalšími materiály.
Slabé stránky
Ultrazvukové senzory jsou citlivé na rušivé signály, například vzdušné turbulence, vibrace,
pohyb záclon,elektromagnetické rušení a pohybující se lopatky ventilátoru.
Ultrazvukové detektory pohybu jsou většinou použity ve spojení s PIR detektory. Tato
kombinace je výhodná kvůli širšímu pokrytí: ultrazvukový systém je citlivý na radiální
pohyb, zatímco detektor PIR je citlivější na pohyb tečný. Jednoduché ultrazvukové senzory
jsou používány také ke spínání a vypínání v systémech osvětlení a klimatizačních
systémech. Ultrazvukové detektory pohybu jsou obecně využívány v poplašných systémech
automobilů. Mikrovlnné Dopplerovy detektory pohybu jsou také často spojeny s PIR, aby
se snížil počet falešných poplachů .
Odkazy
Pass & Seymor http://www.passandseymour.com/pdf/T093.pdf
Lightsearch
http://www.lightsearch.com/resources/lightguides/sensors.html
Migatron
http://www.migatron.com/
Bosch
http://www.boschsecuritysystems.com
Infineon
http://www.infineon.com
Sedco
http://www.mssedco.com/D38.html
25
BEZPEČNOSTNÍ KAMERY
Měřená veličina: obraz
Použití: bezpečnost
Použitá technologie: CCD, CMOS
Obecné souvislosti
Součástí bezpečnostních systémů je často CCTV (closed circuit TV- uzavřený televizní
obvod, systém průmyslových kamer). Signál z kamer je automaticky analyzován pomocí
detekce pohybu, případně pomocí rozeznávání obrazu. Signály jsou přenášeny buď k tomu
určenou kabeláží,nebo sítěmi určenými pro veřejnou komunikaci či radiovými vlnami.
Principy měření
Většina bezpečnostních kamer je založena na principu CCD, který je nejčastěji používán i
v běžných kamerách. Kamery CMOS umožňují vysokou rychlost závěrky (30 ns) a
umožňují signál zpracovávat přímo na čipu. Příkladem je odečítání obrazu (například bez
aktivního osvětlení a s osvětlením. Čip CMOS může být také opatřen synchronizovanou
uzávěrkou. Bezdrátové kamery mohou snímat obraz v reálném čase, s vysokým rozlišením
a jejich aplikace zahrnují střežení objektů a dálkové monitorování. Některé modely pracují
na baterie.
Kopulovitá kamer odolná proti vandalismu (KT&C KPC)
26
High-end kamera:
CCD senzor 1/3 palce s hardwarovým rozlišením až 1Mpixel
dálkově konfigurovatelné (například zoom)
citlivost 0.1 lux pro černobílý obraz, 1 lux pro barevný
zabudovaná funkce DSP, integrovaný detektor pohybu,
vysoce kvalitní skleněná čočka, polohovací systém
Standartní kamera:
levná technologie typu webových kamer
typické rozlišení: 640x480 pixelů
nízká spotřeba energie
černobílá
levná čočka z umělé hmoty
Silné stránky
Obrazové senzory umožňují omezit falešné poplachy. Mohou být využity také ke kontrole
vstupu. Automatické systémy mohou provést lokalizaci objektu, jeho rozpoznání a
sledování. Ve srovnání s detektory pohybu (ultrazvukové, mikrovlnné či PIR) mohou
obrazové systémy zjistit přítomnost nehybných objektů či nehybných lidí. CMOS kamery
umožňují in-pixel zpracování signálu (například pro detekci pohybu), jsou méně citlivé na
vibrace a změny osvětlení. CCD kamery jsou díky rozšířenosti své technologie levné.
Slabé stránky
Obrazové systémy nejsou dostatečně spolehlivé, vždy by měly být použity spolu s jiným
detektorem typu PIR či mikrovlnného senzoru pohybu. Pro CCD kamery je třeba
zpracování obrazu, jsou citlivé na změnu osvětlení (např. mraky).
V zobrazovací 2-D technice se používá buď proužkových metod, nebo metody měření doby
letu (podobně jako v laserovém dálkoměru). Jsou známy také stereoskopické metody, ale
jsou obvykle méně přesné.
Odkazy
Sensors in Intelligent buildings (eds O. Gassmann, H. Maixner), Wiley-VCH, 2001
surveillance-video
http://www.surveillance-video.com
Korea Technology & Communications(KT&C)
http://www.ktnc.co.kr
Matco
http://www.matco.com/
27
SENZOR KONSTRUKČNÍHO STAVU
Měřená veličina: únava (materiálu), deformace
Použití: stavební inženýrství
Použitá technologie: impedance, Braggova difrakce
Obecné souvislosti
Průzkum mostů z roku 1997 prokázal, že 32% mostů ve Spojených Státech je buď
zastaralých, nebo konstrukčně nevyhovujících. Proto je výrazně zapotřebí systémů, které
jsou schopny sledovat a kvantifikovat narušení stavebních konstrukcí. Senzory únavy jsou
namontovány na sledovanou konstrukci (například svařovanou ocel). Senzory měří
spotřebovanou část projektované životnosti a umožňují inženýrům odhadnout zbývající
životnost. Pokud jsou senzory správně umístěny, mají stejnou historii zatížení jako stavba,
a poskytují proto přesný záznam kumulativního únavového poškození.
Senzory z optických vláken, založené na Braggově difrakci, mohou být vloženy do nových
betonových konstrukcí. Mohou měřit rozložení napětí uvnitř betonu a zjistit místní zvýšení
napětí. To může být způsobeno například korozí ocelových výztuh.
Principy měření
Senzor únavy (materiálu) obsahuje kovovou destičku přilehlou ke kritickému spoji. Cykly
zatížení způsobují zvětšení únavové trhliny, které je elektricky detekováno. Únavové
senzory se tak liší od tenzometru: zatímco tenzometr je zcela reverzibilní senzor (pokud
není silně přetížen), únavové senzory mění své parametry nevratně, a proto uchovávají
historii zatížení. Elektrický odpor únavového senzoru se zvyšuje a v některých případech
může být elektrický kontakt dokonce rozlomen.
Senzor únavy Crackfirst firmy TWI
28
Výrobci neposkytují podklady pro metrologické vlastnosti únavových senzorů. K vyjádření
jejich nejistot ani neexistují standardy.
Silné stránky
Pasivní senzory jsou napájeny jen v okamžiku odměru a mají tak minimální spotřebu
energie. Některé systémy užívají bezdrátové technologie.
Slabé stránky
Senzory jsou dlouhodobě vystaveny působení prostředí, takže je klíčová jejich spolehlivost.
Není možné, aby selhání jednoho senzoru zasazeného do betonové stavby vyřadilo celý
systém. Všechny senzory proto musí být zdvojeny.
Mezi typické způsoby užití senzorů konstrukčního stavu patří:
Doprava: "off-road" vozidla, kamiony, koleje, lodě
Stavební inženýrství: mosty, stožáry, věže a jeřáby, vrtné soupravy
Energetika: stožáry větrných elektráren, vrtné plošiny Výroba: Strojní součásti s
cyklickým namáháním
Senzory jsou často připojeny bezdrátově. U některých pasivních senzorů mohou být údaje
odečítány dálkově. V případě strojních zařízení je často využívaným principem metoda
akustické emise.
Odkazy
J. G. Webster (ed.): Measurement, instrumentation and sensors handbook, CRC / Chapman
and Hall, 1999
Qinetic
www.qinetiq.com/home/commercial/transport/aviation/health_and_condition_monitoring/
monitoring_structural_health.html
TWI
http://www.twi.co.uk/j32k/unprotected/band_1/c1352.html
Microstrain
http://www.microstrain.com
TWA
Furgo Ltd.
http://www.furgo.co.uk/
29
SNÍMAČ OTISKŮ PRSTU
Měřená veličina: zobrazení otisku prstu
Použití: ověření identity
Použitá technologie: CCD
Obecné souvislosti
Otisk prstů je jedinečným biometrickým parametrem. Jiné systémy využívají rozeznání
tváře, duhovky či hlasové rozpoznávání. Otisky prstů byly za posledních více než 140 let
celosvětově srovnávány a nebyly nalezeny žádné dvě oblasti kůže dvou lidí (a to včetně
jednovaječných dvojčat), které by si ve význačných znacích odpovídaly.
Principy měření
Jednočipový čtecí systém užívající technologii CCD (Charge Coupled Devices – nábojově
vázaná struktura) obsahuje matici kondenzátorů. Součástí čipu jsou často obvody
základního předzpracování signálu. Senzorový díl je obvykle vybaven signálním
procesorem a databází známých snímků. V jiných případech jsou naměřené rysy zaslány do
centrální databáze, kde probíhá jejich prověření. Tento systém je dnes běžně užíván
cizineckými úřady USA. Některé snímače otisku prstů pracují na principu ultrazvuku,
taková zařízení jsou ale dražší. Na optickém principu je založena menšina senzorů.
Teplotní senzory zaznamenávají teplotní rozdíly mezi hřebeny a brázdami linií otisků prstu.
Systémy pro vstup se senzory Secugen
30
Scanovací senzory: Rychlost scanování max.20 cm/s, velikost matice 256*8 pixelů
Standardní senzory: LQFP pouzdro se 144 vývody, rozměr 20 x 20 x 1.55 mm, od 96 x 96
do 256*256 pixelů
Selhání identifikace: 5% pro veřejnost, 1% pro pracovníky úřadu
Silné stránky
Otisky prstů jsou jedinečné a nemohou být jednouše napodobeny vytvořením kopie.
Rozeznávací systémy jsou spolehlivé a rychlé. Uživatelé sebou nemusí nosit žádné karty,
jež by mohly být ukradeny či duplikovány. Užívání systému je jednoduché, není třeba
žádného zaškolování. Systém načítá užitím vhodné frekvence otisk prstu živé a velice
vodivé vrstvy kůže, která se nachází přímo pod vnější suchou povrchovou pokožkou.
Činnost senzoru je proto méně ovlivněna různým stavem povrchu kůže, včetně suché,
opotřebované, zrohovatělé, špinavé či mastné kůže.
Slabé stránky
Kapacitní senzory otisků prstů jsou kvůli vysoké permitivitě vody citlivé na vlhkost.
Optické senzory jsou citlivé na nečistoty a potíže u nich nastávají při snímání staré
opotřebované kůže.
Jednotlivé otisky jsou nahrány do databáze a osobní rysy jsou rozeznávány pomocí
daktyloskopických principů. To umožňuje do značné míry zredukovat objem dat. Nově
načtené otisky jsou srovnány s uloženými daty pomocí specalizované metody DSP.
Indikace živosti kůže umožňuje odhalit falešné umělé otisky. K tomuto účelu je používána
řada patentovaných metod založených na rozeznávání barvy, teploty, pulsu či obsahu
kyslíku v krvi. Scanovací senzory dovolují zmenšení snímací plochy. To je důležité při
užití v oblasti mobilních telefonů.
Odkazy
DELSY electronic components AG
Authentec
http://www.authentec.com/
UltraScan
http://www.ultra-scan.com/
SecuGen
http://www.secugen.com
Fingerprint Cards
http://www.fingerprints.com
31
32
KAPACITNÍ SENZORY VZDÁLENOSTI
Měřená veličina: vzdálenost
Použití: zajištění proti krádežím,bezpečnost práce
Použitá technologie: kapacita
Obecné souvislosti
Senzory kapacity mohou sledovat přítomnost vodivých i nevodivých těles na vzdálenost
zhruba 100 mm od svých snímacích elektrod. Užívány jsou pro samovypínací spínače
(bezpečnostní spínače, které zjišťují, zdali je ruka obsluhy stroje na rukojeti či volantu), pro
senzory dotyku či přiblížení při sledování objektů (například v muzeu) či jako
podpovrchové senzory kroku pro zabezpečovací systémy. Mohou být rovněž využity pro
neviditelné bezpečnostní spínače (skryté spínače poplachu v bankách). Mezi další aplikace
patří předcházení srážkám (jako komplementární součást společně s radarem, ten může na
malé vzdálenosti selhat). Kapacitní senzory jsou díky vysoké permitivitě vody užívány ke
zjišťování úniků vody, zjištění ledu a zjištění deště na předním skle vozidla. V lékařských
přístrojích jsou užívány pro odhalení bublin.
Principy měření
Senzory s "otevřenou elektrodou" přesně zachycují změnu kapacity mezi měřící elektrodou
a zemí. Zemní referenční elektrodou je buď kovový povrch přístroje, nebo samostatná
elektroda. Požadavky na elektroniku pro zpracování signálu jsou značné: v klidu (jenom
pomalé změny v čase a v teplotě) je kapacita v řádu stovek pF a požadovaná citlivost v
jednotkách fF, či ještě lepší.
sortiment kapacitních senzorů (firmy) Sick
Metody pro zpracování jednoduchého signálu užívají převodníky kapacity na frekvenci. Ty
jsou založeny na astabilních multivibrátorech a převodnících kapacita/napětí se střídavě
vázanými operačními zesilovači. V nejnáročnějších aplikacích jsou obvody ke zpracování
33
signálu založeny na přenosu náboje (obvody se spínaným kondenzátorem- SC, nábojoé
pumpy.).
Jmenovitá provozní vzdálenost (typický kompaktní senzor): 50.0 mm,
Hystereze spínací vzálenosti 2.0 % až až 20.0 %
reprodukovatelnost ≤ 2.0 %
Provozní teplota -25 °C ...+ 70 °C
Silné stránky
Kapacitní senzory mohou zjistit jak vodivé, tak nevodivé předměty. Nemusí být viditelné a
z principu je elektroda přístroje velmi plochá.
Slabé stránky
Kapacitní senzory jsou velice citlivé na vlhkost a povrchové znečištění. Vliv vlhkosti a
znečištění může být potlačen technikou aktivního stínění. Detekční vzdálenost je omezena
na zhruba 100 mm.
U některých kapacitních senzorů je ke snížení šumu využita technologie rozprostřeného
spektra (spread spectrum). To znamená, že budící impulzy mají různou náhodnou délku a
rozložení. Výsledné spektrum tak ztrácí svůj diskrétní charakter.
Odkazy
and Hall, 1999
Qinetic
www.qinetiq.com/home/commercial/transport/aviation/health_and_condition_monitoring/
monitoring_structural_health.html
TWI
Microstrain
http://www.microstrain.com
34
DOTYKOVÉ SENZORY TLAKU
Měřená veličina: vodivost, kapacita
Použití: zjištění přítomnosti
Použitá technologie: vodivá pryž, elastické dielektrikum
Obecné souvislosti
Senzory rozložení tlaku jsou široce využívány k vyhodnocení roznesení váhy u bot, židlí a
postelí. Dotykové senzory (jinak také nazývané haptické či taktilní senzory) jsou užívány
pro bezpečnostní systémy k monitorování zatížení podlah, sedadel, postelí a pro tzv.
„umělou kůži“.
Umělá kůže je užívána např. k detekci řidičových rukou na volantu. Snímače na sedadle
jsou užívány k zjištění přítomnosti cestujícího a odhadu jeho váhy. To je využíváno pro
indikaci nezapnutého bezpečnostního pásu a k optimalizaci rozložení síly airbagu a
činnosti bezpečnostního pásu. Snímání rozložení tlaku může být také použito v zařízeních
zjišťujících počátek spánku. Senzory tlaku jsou rovněž používány v mechanických rukách,
a to ke sledování síly úchopu, aby bylo sníženo riziko poškození předmětu přílišnou silou,
či aby se zabránilo vyklouznutí při příliš malé síle. Lůžkové senzory sledují i velmi malé
pohyby pacienta a spouštějí poplach, pokud se pacient nehýbe nebo pokud se nachází v
nebezpečné pozici.
Podlaha se senzory tlaku dokáže rozeznat jak přítomnost osoby, tak její pohyb.
Domácí zvířata mohou být odlišena jednoduše podle naměřeného tlaku. Ploché snímací
prvky jsou většinou ukryty pod kobercem.
Taktilní senzor tlaku Tekscan Flexiforce
Principy měření
Podstata většiny dostupných senzorů dotyku spočívá ve změně odporu nebo kapacity
s tlakem. U kapacitních senzorů působící síla stlačuje pružné dielektrikum, tím se snižuje
vzdálenost elektrod a zvyšuje kapacita. Dielektrické vlastnosti polymerových materiálů
většinou zůstávají beze změn.
35
Princip odporoých senzorů tlaku je založen na kovových částicích rozptýlených v gumové
matrici. Jakmile působící síla zdeformuje gumu, kovové částice jsou stlačeny k sobě a
odpor se sníží.
Systém k měření tlaku těla Tekscan:
- Prostorové rozlišení ( vzdálenost mezi čidly): 1 cm
- tloušťka: 0.1 mm
– rozsah tlaku: 0.4 psi
– rozlišení tlaku: 8 bit
– maximální vzorkovací kmitočet: 127 Hz
Silné stránky
Systémy detekující sílu kroků jsou v bezpečnostních systémech využívány zatím spíše
vzácně, a tak je vetší pravděpodobnost, že nebudou při vloupání narušitelem deaktivovány.
Zařízení sloužící pro spínací aplikace jsou levná.
Slabé stránky
Odporové tlakové senzory jsou nelineární, jednotlivé senzory mají velký rozptyl
parametrů, jsou citlivé na teplotu, vykazují samovolné odchylky a omezenou životnost.
Senzory tlaku založené na kapacitě jsou omezeny parazitní kapacitou, protože základní
kapacita senzoru není vysoká a elektrody mají relativně velký povrch.
U dotykových senzorů tlaku bývá třeba pravidelně kompenzovat posuv nuly a pokud
možno rovněž kalibrovat citlivost.
Odkazy
Sensors in Intelligent buildings (eds O. Gassmann, H. Maixner), Wiley-VCH, 2201, pp.
293-304.
Tekscan, Inc. USA
http://www.tekscan.com
Pressure profile systems, Inc
http://www.pressureprofile.com/index.php
Interlink Elektronics, USA
www.interlinkelec.com
36
SENZOR ROZBITÍ SKLA
Měřená veličina: vibrace a zvuk
Použití: domovní zabezpečovací systémy
Použitá technologie: piezoelektrická
Obecné souvislosti
Ve 40% případů vloupání do domácnosti se zloději dostávají do bytu rozbitím okna.
Jazýčkové detektory na oknech a dveřích jsou aktivovány pouze pokud se okno (dveře)
otevře. Senzory rozbití skla jsou proto důležitou součástí domovních zabezpečovacích
systémů.
Existují dva typy zvukových senzorů rozbití: kontaktní senzory připevněné přímo k
povrchu a bezkontaktní senzory založené na mikrofonu. Zvukové detektory či detektory
charakteristického zvuku jsou také nazývány audio diskriminátory. Tato zařízení zjišťují
zvuk rozbíjeného skla, a proto mohou zabezpečit všechna okna v místnosti.
Principy měření
Většina kontaktních senzorů rozbití skla je založena na piezoelektrickém jevu- jsou také
nazývány "rázové senzory". Napětí vytvořené vibracemi může senzor rovněž napájet, takže
není třeba napájení z obvodu či bateriemi. Zvuk rozbíjeného skla má natolik specifickou
povahu, že může být v signálu z mikrofonu snadno identifikován.
Kontaktní senzor rozbití skla (GM 5150)
37
Jeden piezoelektrický kontaktní senzor rozbití skla zabezpečuje okenní tabulku
s úhlopříčkou až 3 metry. Akustické senzory mají detekční rádius 5 až 10 metrů, s
minimálním rozměrem skla 0,6 x 0,6 m. Výrobci neposkytují podklady pro metrologické
vlastnosti senzorů rozbití skla. K vyjádření jejich nepřesnosti ani neexistují standardy.
Spotřeba energie: 5 mA / 5 na 15 V pro audio senzory; některé kontaktní senzory mohou
pracovat bez vnějšího napájení. Některé akustické senzory mohou být testovány tleskáním
rukou.
Silné stránky
Jediný akustický senzor rozbití skla může zabezpečit celou místnost. Ideálními místy pro
aplikaci těchto senzorů jsou neobydlené prostory jako muzea či kanceláře mimo pracovní
dobu. Citlivost zařízení může být v takových případech nastavena na maximum, to pak
umožní zjistit každý pokus o tiché vniknutí do místnosti.
Slabé stránky
Kontaktní piezoelektrické senzory by měly být připevněny na každou tabulku skla, systém
je proto pro některá klasická okna ve starých budovách drahý a složitý. Pokud jsou skla
opatřena bezpečnostní fólií, pak je citlivost těchto senzorů snížena. Akustické detektory
nemohou být využity v hlučných místech. Určité zvuky, například klepání na sklo klíči,
štěkání psa či kovové rány na tvrdém povrchu, mohou způsobit falešný poplach.
Kontaktní senzory by měly být připevněny do rohu okna. Tyto rázové senzory působí proti
vloupání také jako vizuální odstrašující prostředek. Zvukové senzory by měly být
instalovány mimo zdroje hluku (například ventilátory, dveře, reproduktory, sací ventily
klimatizace). Zvukové senzory jsou užívány v bezpečnostních systémech aut. Propojení
akustických a kontaktních senzorů do jednoho systému může výrazně snížit množství
falešných poplachů. Vibrační senzory jsou používány rovněž pro zabezpečení trezorů a
bankomatů.
Odkazy
J. G. Webster (ed.): Measurement, instrumentation and sensors handbook, CRC, 1999
www.smarthome.com/7356.html, www.explainingsecuritysystems.com/glassbreak/
Sentrol
http://www.sentrol.com
Jablotron
www.jablotron.cz
38
39
POLOHOVÝ SNÍMAČ
Měřená veličina: poloha
Použití: okna a dveře
Použitá technologie: jazýčkové kontakty
Obecné souvislosti
Zaznamenání otvírání dveří a oken v rámci zabezpečení budov a v domácích
spotřebičích (chladničky, mikrovlnné trouby, pračky apod.) vyžaduje jednoduché, levné,
robustní a spolehlivé bezkontaktní spínače polohy. Jazýčkové spínače jsou pasivní zařízení,
nespotřebovávající energii. Spínají se magnetickým polem malého permanentního
magnetu, který je přichycen k cílovému místu. Ostatní typy senzorů používaných k těmto
účelům jsou méně spolehlivé a vyžadují napájení (optické, Hallovy, magnetorezistory,
ultrazvukové).
Principy měření
Jazýčkový spínač se skládá z páru kontaktů z magnetických materiálů tradičně uzavřených
do skleněných trubiček. Povrch kontaktu je kvůli elektrickým vlastnostem potažen
ušlechtilým kovem. Základní variantou jazýčkových kontaktů jsou tzv. "zapínací" typy,
kontakt je v nich tedy bez přítomnosti vnějšího magnetického pole rozpojen. Působí-li
paralelně s jazýčkovým spínačem magnetické pole, jazýček se zmagnetuje. Překrývající se
konce jazýčků tvoří opačné magnetické póly a jsou k sobě přitahovány. Pokud je
magnetická síla dostatěčná k tomu aby překonala vratnou sílu, jazýčky se k sobě přitáhnou.
Jazýčkové kontakty v klidu sepnuté a bistabilní senzory se vyrabějí za použití vnitřní
předmagnetizace. Tyto typy spínačů rozlišují polaritu magnetického pole. K dispozici jsou
i miniaturní (do velikosti 5 mm) jazýčkové spínače typu SMD (pro povrchovou montáž).
Jazýčkové kontakty (Shield, Ademco)
40
Aktivační vzdálenost je závislá na typu kontaktu a také na velikosti a síle permanentního
magnetu, typickou hodnotou je 5 mm. K dispozici jsou senzory s aktivační vzdáleností od
1 mm do 40 mm. Hystereze je typicky 1 až 10 mm. Životnost kontaktu je zhruba 107
spínacích cyklů při proudu 10 mA. Dostupné jsou jazýčkové kontakty až do proudu 1.5 A.
Izolační odpor mezi kontakty je 1015 ohmů, odpor v sepnutém stavu je pouze 50 miliohmů.
Rozsah provozní teploty je -50°C až 150°C. Délka senzoru je 5 mm až 20 mm.
Silné stránky
Jazýčkové senzory jsou jednoduché, levné, robustní, odolné vůči elektrostatickým výbojům
i rušivým elektromagnetickým polím.. Mají vysoký izolační odpor a malý odpor
v sepnutém stavu. Mohou být citlivé na polaritu (klidové a bistabilní typy).
Slabé stránky
Jazýčkové senzory nemohou být užity pro detekční vzdálenost větší než 40 mm. Při určité
orientaci magnetu mohou být při lineárním pohybu výsledkem vícenásobná sepnutí
kontaktu.
Jazýčkové kontakty jsou užívány v mnoha dalších aplikacích, například v senzorech
rychlosti jízdního kola. Mezi dostupné permanentní magnet patří ferrity (levné, slabé,
křehké, nízká teplotní stabilita), NdFeB (velice silné), AlNiCo (vysokoteplotní, silnější než
feritové), a SmCo (silné, nejdražší, tepelně stabilní).
Impulsy z jazýčkových spínačů jsou často užívány k měření rychlosti otáčení. Tento princip
může být využit v průtokoměrech,
elektroměrech,, ABS motorových vozidel či
rychloměrech. V jazýčkových teplotních spínačích je k uzavření magnetického obvodu
mezi dvěma permanentními magnety užit ferit s nízkým Curriovým bodem.
Odkazy
Master book of Sensors, CTU-BEN-Skoda Auto 2003 (Leonardo CZ/PP-134026)
Reed Relays and Electronics India Limited
http://www.reed-sensor.com
Ademco (Honeywell security)
http://www.ademco.com.hk
Meder Electronic
http://www.meder.com/
41
SVĚTELNÁ ZÁVORA
Měřená veličina: přítomnost, poloha
Použití: provádění dozoru
Použitá technologie: optická
Obecné souvislosti
Evropské směrnice o používání strojů (98/37/EEC) vymezuje použití ochranných
zón okolo strojů. Tato zařízení umožňují provoz vysokorychlostních strojních zařízení bez
obav z úrazu či poškození náčiní. Pravidla zabezpečení se týkají rozřazování, lisování,
tlakové filtrace a balící techniky.
Světelná závora je nejrozšířenějším elektronickým bezpečnostním zařízením. Mezi
další zařízení patří laserové skenery, optoelektronická odrazová zařízení a rohože. Světelná
závora je využívána i v jiných aplikacích, například v bezpečnostních systémech proti
krádežím či pro inteligentní dopravní systémy.
Principy měření
Optické zabezpečovací zařízení se světelnou závorou vytváří řadu paprsků mezi zdrojem a
detektory. Pokud nějaký objekt, jako ruka obsluhy, protne jeden z paprsků, kontrolní obvod
tohoto paprsku zaznamená přerušení, zpracuje ho, a případně sepne poplašné zařízení.
Inteligentní světelné opony rozeznávají, které paprsky byly přerušeny a určí podle toho
velikost objektu.
Příklady světelných závor
42
Kontrola pracovní oblasti:
rozlišení 14mm pro detekci prstu
rozlišení 30mm pro detekci ruky či končetiny
Kontrola vniknutí do oblasti:
dosah paprsku 70 metrů
Silné stránky
Světelné závory poskytují optimální bezpečnost, a tak umožňují vyšší produktivitu. Oproti
mechanickým zábranám jsou ergonomičtějším řešením. Ideálně se hodí pro aplikace, kde je
nutný častý a jednoduchý přístup obsluhy k rizikové oblasti provozu.
Slabé stránky
Kondenzace vlhkosti a špína mohou snížit spolehlivost systému.
Světelné závory pro kontrolu pracovní oblasti užívají k vytvoření infračervené clony
dvojici dlouhých optických hlav. Tyto závory jsou dostupné v rozlišení 14 mm a 30 mm
pro rozlišení prstů nebo ruky. Pro ochranu rozlehlejších prostor mohou být závory
kaskádovitě řazeny.
Při kontrole proti vniknutí do prostoru se ochranná infračervená zábrana vytváří dvojicí
zářič - přijímač s jednotlivým paprskem. Funkce „zatemnění“ dovoluje vyřazení části
světelné závory, aby nebyla aktivována pohybem předmětů spojených s normální činností
zařízení.
Odkazy
P. Ripka, A. Tipek (eds) : Master Book of Sensors, BEN, 2003
J. Taylor: European Machine Safeguarding Equipment.Market, IEN Europe 2005/4, p.10
Rockwell Automation:
www.ab.com/safety/prod_directory/pres_sens_safe_devices/safety_light_curtains
43
ČIDLO ÚNIKU KAPALINY
Měřená veličina: kapalina
Použití: detekce úniku
Použitá technologie : vodivost, kapacitní odpor
Obecné souvislosti
Čidlo úniku/-prosakování kapaliny je možné umístit na podlahu, do suterénu nebo
kamkoliv jinam, kde hrozí povodně. Čidla úniku se také často využívají ke sledování
efektivity jímkových čerpadel. Skládají se z čidla vody a bezdrátového vysílače. Čidlo
úniku může být použito na jakémkoliv objektu nebo předmětu, který je třeba chránit před
poškozením vodou.
Dalším možným použitím je vnik vody do podvodních elektronických zařízení. Řídicí
moduly pro podmořskou montáž se kvůli ochraně a izolaci komponent naplní silikonovým
olejem. Voda prosakující do řídicího modulu může škodit jeho chodu. Protože přístup a
otevření modulu kvůli opravě mohou být velmi drahé, techniky vždy nezajímá jen
informace prosakuje/neprosakuje, ale i jak rychle voda proniká do modulu.
Principy měření
Čidla úniku jsou založena na změně kapacity nebo odporu mezi fixními elektrodami při
přítomnosti vlhka či vody. Senzory kapacity využívají vysoké hodnotu permitivity vody:
zatímco technologická voda má v závislosti na salinitě permitivitu přibližně 57-85,
permitivita pro vzduch a plyny je přibližně 1 a pro minerální oleje a další uhlovodíky od 1,8
do 2,5.
SeCap čidlo úniku vody
44
SeCaP čidlo úniku vody na principu kapacity:
Rozměry 225mm(L) x 70mm(W) x 46mm(D)
Tlakový rozsah 1 - 450 bar
Teplotní rozsah -40 to +85° C
Výstup: 4 - 20 mA
Citlivost 1 %
Hledačky úniku se zvukovou signalizací:
šířka pásma max. 0.1 - 1.2kHz / min. 0.4 - 0.6 kHz
Silné stránky
Senzory kapacity lze také použít ke zjišťování přítomnosti vody v palivových soustavách.
Slabé stránky
Závislost kapacity na teplotě může způsobovat hrubé chyby, proto je třeba monitorovat
teplotu a provádět korekce. Stejnosměrné detektory vody na bázi odporu mohou trpět
inherentní elektrolýzou, oxidací a erozí.
Pro měření zvýšené hladiny vlhkosti ve sklepech a koupelnách a úniku v klimatizačních a
zavlažovacích systémech lze senzor umístit na plochu anebo na podlahu pod koberec.
Pro zjišťování úniku vodovodních trubek zapuštěných v betonu se používají mikrofony,
které zesilují vibrace betonového povrchu.
Vibrometry s magnetickým senzorem se používají na hydranty, vrata nebo na domácí
rozvody. Hluk, který se vyšle z místa úniku, je přenesen pomocí integrovaného
reproduktoru anebo sluchátek bez toho, aby nabíral přídavné rušení. Hladina hluku se
zobrazuje na detektoru v dB. Místo úniku tak může být přesně lokalizováno (vibrometr
není citlivý na vnější hluk).
Odkazy
Sentech
http://www.sentech.no/Products/wld.htm
Wegamet
http://www.wagamet.ch/e/htm/log1.htm
Wayscale Aqualeak
http://www.wayscale.com/1_zone_water-detection.shtml
Floodguard
http://www.floodguards.com/floodguards-accessories.htm
45
SENZOR ZRYCHLENÍ
Měřená veličina: zrychlení a vibrace
Použití: výtahy, jeřáby
Použitá technologie: kapacitní, piezoelektrické, piezorezistivní, přenos tepla
Obecné souvislosti
Akcelerometry se používají v bezpečnostních systémech, automobilech, jeřábech,
výtazích či pračkách. Další aplikací je zabezpečení proti krádeži – zde se sleduje pohyb
objektů. Střídavé akcelerometry (piezoelektrické) měří vibrace, například zpomalení otáček
pračky při odstřeďování. Stejnosměrné akcelerometry měří lineární či úhlové zrychlení
(např. aktivují bezpečnostní brzdu ve výtahu) a také inklinaci (např. pro užití v jeřábech).
Akcelerometry se také používají v detektorech zemětřesení.
Principy měření
Pro akcelerometry se většinou používají kapacitní a piezo senzory. Kapacitní senzory jsou
založeny na velmi malém křemíkovém nosníku vetknutém v dutině křemíkového bloku.
Při piezorezistivní metodě změní mechanické napětí v nosníku odpor piezo krystalu, který
je k nosníku přichycen. Jiný princip se používá u mikroelektromechanických akcelerometrů
a inklinoměrů. Tato zařízení jsou založena na tepelné výměně.Systém se skládá ze zdroje
tepla uprostřed čtyř termočlánků. Teplo se přenáší konvekcí, zrychlení způsobuje změnu
teplotního profilu.
Senzor zemětřesení (Yamatake)
46
Akcelerometry založené na tepelné vodivosti: max. kmitočet 160 Hz
Senzor zemětřesení: Rozsah měření 2000 Gal, 3 osy, přesnost 5%
Kapacitní mikroelektromechanické akcelerometry:
v rozmezí od 1.7g do 100g, max. šířka kmitočtového pásma 400 Hz až 6 kHz
teplotní rozsah -40 až 125 0C
rozlišení 1 mg při 60 Hz
teplotní offset 0.1 mg/0C
dvojosý senzor : chyba vzájemné orientace os 0.1 deg, chyba orientace soustavy v pouzdře
1 deg
Silné stránky
Akcelerometry založené na výměně tepla: velmi robustní, levné, měří i stejnosměrné
zrychlení
Piezo akcelerometry: vysoký max. kmitočet
Kapacitní akcelerometry: Měří i stejnosměrné zrychlení, rychlá reakce, přesné, možnost
autotestu.
Slabé stránky
Akcelerometry založené na výměně tepla: pomalé, nižší přesnost
Piezoelektrické akcelerometry: chyby při nízkých kmitočtech a stejnosměrném zrychlení
Kapacitní akcelerometry: stále nedostatečně přesné pro navigaci
Karta pro ochranu osobních počítačů před krádeží je vybavena akcelerometry. Když se
počítač pohne bez zadání hesla, spustí se alarm. Heslo může mít podobu pohybu, například
určitou sekvenci naklánění zařízení.
Motocykly Honda používají akcelerometry, aby zastavily motor při převrácení.
Senzory abnormálního vychýlení se používají jako bezpečnostní zařízení ve vlacích,
jeřábech a výtazích. Jsou zde použity tříosé akcelerometry.
Akcelerometry se používají také v pračkách k detekci abnormálních vibrací, když se na
jedné straně bubnu nakupí prádlo při odstřeďování.
Odkazy
K.Vierinen, J. Valjakka, J. Pitkanen: Micro Mechanical Accelerometers in Physics
Laboratory
Kone corporation,
http://www.kone.com
Pasco instruments
http://www.pasco.com/
Memsic
http://www.memsic.com
47
SENZOR ZATÍŽENÍ OCELOVÉHO LANA
Měřená veličina: napětí lana
Použití: Výtahy, jeřáby, lanové mosty
Použitá technologie: senzor síly
Obecné souvislosti
Senzory zatížení se používají v jeřábech, ve výtazích a také na mostech s lanovou
konstrukcí. Hlavním důvodem pro použití monitorovacích systémů zatížení je předejít
přetížení. Dalším použitím je optimalizace ovládání výtahu či jeřábu, aby při širokém
hmotnostním rozsahu nákladů byl dodržen stejný rychlostní profil. Ve výtazích mohou
senzory zatížení identifikovat přítomnost dítěte. U jeřábů se používají rovněž jako váhy
zavěšených břemen.
Některé výtahy užívají k monitorování zatížení kabiny senzory zatížení podlahy
namísto senzorů zatížení ocelového lana.
Rezonanční senzory používají pro vyhodnocení zatížení lana jiné technologie.
Principy měření
Většina senzorů zatížení ocelového lana je založena na senzoru síly s měřením
mechanického napětí tenzometrem. Prvním typem je zařízení, které je přichyceno přímo na
lano (mezi dva konce) anebo mezi lano a hák.
Jiné uspořádání nevyžaduje přerušení lana při instalaci. Tyto senzory se nazývají jezdce.
Sestávají ze tří válečků. Prostřední váleček je pevně přichycen k senzoru síly tak, aby
trochu ohýbal lano mezi dvěma bočními válečky. Zatížené lano má tendenci se napínat, a
tak působí tlakem na senzor síly. Indikátor to zobrazuje přímo zatížení lana.
Zátěžové buňky na ocelová lana (Micelect)
Rezonanční senzory pro ocelová lana používají princip závislosti kmitočtu přirozené
rezonance struny na síle (nebo napětí). Tato technologie se používá u některých jeřábů
(Dynatension od Tension Measurements, Inc., USA).
48
Technické údaje pro senzor ILC 2 vyráběný firmou Micelect:
Provozní zátěž : 3500 kg
Bezpečné zatížení: max. 150 % provozní zátěže
Maximální přetížení: 200 % provozní zátěže při odchylce 0.5 mm
Hystereze: pod 0.1 %
Celková přesnost: 0.1 %
Teplotní koeficient citlivost: < 0.01 % / 0C
Kolísání teplotního ofsetu: < 0.02 % FS / 0C v rozsahu od -10 do + 50 0C
Silné stránky
Senzory zatížení ocelového lana se snadno upevňují, většinou bez nutnosti přerušení lana.
Jsou nastavitelné pro velký rozsah průměrů lan.
Slabé stránky
Senzory je nutné individuálně kalibrovat a periodicky rekalibrovat.
Citlivé senzory napětí lana je možné použít také k monitorování otřesů lana. Některé otřesy
způsobují jen určité nepohodlí, jiné jsou však nebezpečné pro strukturní stav zařízení. To
je zvláště důležité u mostů s lanovou konstrukcí a pro pohony vysokozdvižných výtahů. Se
zvyšující se délkou lana klesají rezonanční kmitočty, čož ztěžuje aktivní tlumení otřesů.
Odkazy
E. Marchesi, A. Hamdy, R. Kunz: Sensor Systems in Modern High-rise Elevators, in
Micelect
http://www.micelect.com/english/products/cab.htm
Tension Measurements, Inc., USA
http://www.tensionmeters.com
Pacific Scale, Inc.
http://www.pacificscale.com/Cranescales.html
49
SENZOR ZATÍŽENÍ VÝTAHU
Měřená veličina: gravitační síla
Použití: Výtahy, budovy, mosty
Použitá technologie: senzor síly s měřením mechanického napětí tenzometrem
Obecné souvislosti
Senzory zatížení se v moderních výtazích nepoužívají jen k signalizaci přetížení kabiny
výtahu, ale i k řízení celého systému. Před každým rozjezdem je vypočítán potřebný
kroutící moment a jeho vyžadovaný profil. Kroutící moment je pak regulován po celou
cestu výtahu. Tak je zajištěna optimální rychlost i pro velmi rozdílné náklady.
Senzory zatížení se také používají v budovách a na mostech, aby se předešlo statickému
přetížení konstrukcí.
V některých výtazích se místo podlahových senzorů zatížení používají senzory zatížení
ocelového lana.
Principy měření
Zatížení v kabině výtahu je měřeno senzory síly umístěnými na podlaze kabiny výtahu.
Podlaha je často upevněna na čtyřech nosnících, které jsou vybaveny tenzometry. Další
možností je použití několika senzorů síly jako podpěr podlahy výtahu.
Senzory síly pro kabiny výtahů (Micelect)
50
Technické údaje pro senzor CAB 800:
Provozní zátěž : 800 kg/senzor, 4 až 8 senzorů , dohromady 3 200 až 6 400 kg
Bezpečné zatížení: max. 150 % provozní zátěže Maximální přetížení: 200 % provozní
zátěže při odchylce 0.5 mm
Hystereze: pod 0.1 %
Celková přesnost: 0.1 %
Teplotní koeficient citlivosti: < 0.01 % / 0C
Kolísání teplotního ofsetu : < 0.02 % FS / 0C při rozsahu od -10 do + 50 0C
Silné stránky
Systém zpětné vazby vybavený senzory zatížení umožňuje rychlý pohyb výtahu při
zachování maximální bezpečnosti a pohodlí. Po uvolnění brzdy je použit správný točivý
moment, aby se předešlo skokům ve zrychlení anebo dokonce chvíli nekontrolovaného
pohybu.
Slabé stránky
Systémy měřící zatížení výtahu jsou drahé, protože vyžadují speciální komplikovanou
mechanickou konstrukci podlahy kabiny. Senzory síly také vyžadují periodickou kalibraci
při údržbě výtahu.
Některé senzorové systémy pro měření zatížení mohou být také požity pro monitorování
rozložení zatížení podlahy. Když je kabina zatížena nerovnoměrně, mohou vzniknout silné
nežádoucí nízkofrekvenční vibrace. Pasažéři si většinou těchto vibrací nevšimnou, ale tyto
vibrace mohou způsobit nepřípustné posunutí kabiny vůči vodícím kolejím. Moderní
vysokozdvižné výtahy předcházejí těmto vibracím aktivními tlumícími systémy. U těchto
systémů bývá pro redukci stranových zrychlení od 1 Hz do 10 Hz vyžadován tlumící faktor
10. Maximální povolené stranové posunutí je většinou omezeno na +/- 3 mm nebo +/- 5
mm. Aktivní tlumící systémy užívají několik akcelerometrů , informace o rozložení
zatížení podlahy představuje další vstup pro jednotku řízení v reálném čase.
E. Marchesi, A. Hamdy, R. Kunz: Sensor Systems in Modern High-rise Elevators, in
Micelect
http://www.micelect.com/english/products/cab.htm
51
ELEKTROCHEMICKÝ SENZOR CO
Měřená veličina: koncentrace kysličniku uhelnatého
Použití: bezpečnost domácností
Použitá technologie: elektrochemická
Obecné souvislosti
Otrava oxidem uhelnatým (CO) vykazuje vysoký index úmrtnosti. Plynný CO vzniká při
nedokonalém spalování fosilních paliv. Po vdechnutí se CO naváže na krevní barvivo a
zamezuje tak funkci hemoglobinu transportovat kyslík do buněk v těle. V důsledku toho
nejdříve začne trpět mozek anoxií (nedostatečným zásobením kyslíkem), nastává ztráta
soudnosti a paralýza končetin a po krátké době smrt. Většina nehod je způsobena plynovým
topením na butan nebo krby, k otravám dochází také v garážích. Nový evropský standard
EN50291 z roku 2001 je daleko přísnější než předchozí standardy, takže kvůli nízké
citlivosti zamezuje používání starších polovodičových senzorů. Vývoj vedl k přesnějším a
spolehlivějším senzorům plynného CO, které jsou založeny na elektrochemické reakci.
Principy měření
Elektrochemické senzory detekují plyny měřením napětí, které vzniká při chemické reakci
CO + H2O -> CO2 + 2H+ + 2eOxid uhelnatý oxiduje na detekční elektrodě a vznikají vodíkové kationty. Na pomocné
elektrodě reagují vodíkové kationty (stejný počet jako vodíkové ionty na detekční
elektrodě) se vzdušným kyslíkem, čímž vzniká voda. Elektrické napětí, které vzniká při této
reakci je úměrné koncentraci plynu, takže koncentrace plynu může být určena na základě
naměřených hodnot elektrického napětí.
Electrochemický senzor CO (Nemoto)
52
Detekční rozsah: 0 až 1000 ppm pro senzory v domácnosti, až do 20 000 ppm pro
průmyslově využívané
Výstupní proud: 40 ± 10 nA/ppm
Opakovatelnost: lepší než ± 2 %
Doba měření: méně než 30 sec
Kolísání nuly: méně než 10ppm(-20 to 50°C)
Teplotní rozsah a vlhkost: -20 až 50°C, 5 až 90%
Kolísání citlivosti: méně než 5% ročně
Životnost: přes 5 let
Silné stránky
Výstup je přímo úměrný koncentraci plynu. Senzory jsou charakterizovány dobrou
reprodukovatelností, selektivností plynů a nízkým kolísáním. Jsou odolné vůči vlhkosti.
Mají stabilní charakteristiky s malým driftem. Protože neobsahují žádná topná tělesa,
spotřebovávají málo energie a je možné je napájet z baterií. Jsou malé a lehké, takže mohou
být použity v přenosných detektorech. Jsou odolné vůči vibracím a nárazům.
Slabé stránky
Kvůli omezenému rozsahu provozní teploty není možné používat elektrochemické senzory
CO k monitorování plynů v kotlích. Pro tento účel se používají katalytické senzory.
Obecná doporučení k použití
Elektrochemické senzory CO jsou také citlivé na vodík (50% citlivost ve srovnání s CO) a
méně citlivé na uhlovodíky.
Odkazy
Chemical Sensors and Biosensors, Chapter 6 in P. Ripka, A. Tipek (eds) : Master Book of
Sensors, BEN, 2003
International Sensor Technology
http://www.intlsensor.com/
Nemoto, Japan
http://www.nemoto.co.jp/column/09_ecco_e.html
Transducer Technology Inc., USA http://www.transducertech.com/products/pocketco.html
RAE systems
http://www.raesystems.com/chemical/143|
RKI instruments http://www.rkiinstruments.com
Draeger http://www.draeger.com/ST/internet/UK/en/Products/Detection/detection.jsp
53
PROUDOVÝ CHRÁNIČ
Měřená veličina: elektrický proud
Aplikace: elektrická bezpečnost
Použitá technologie: transformátor proudu, Hallův senzor
Obecné souvislosti
Proudové chrániče jsou velice účinnými bezpečnostními prvky, které měří rozdíl mezi
proudem dodaným do rozvodu a zpětným proudem. Tento rozdíl je způsoben poruchovým
proudem tekoucím do země například přes lidské tělo. Je proto důležité, aby byla citlivost
chrániče vyšší než životu nebezpečná úroveň proudu. Poruchové proudy v potrubí a v
mostech jsou někdy stejnosměrné či impulzní. Změna přirozeného magnetického pole může
indukovat vysoké proudy v dlouhých vodičích: v potrubí Aljašského ropovodu byl
pozorován proud 70 A. Takové proudy mohou způsobit vážnou elektrochemickou korozi,
což může být v případě kovových součástek mostů vážným nebezpečím.
Principy měření
Proudové chrániče užívají citlivý rozdílový toroidní proudový transformátor.
Tramsformátor má dvě primární vinutí, jedním teče proud dospotřebiče, druhýn se vrací
zpět. Za normálního stavu jsou proudy stejné a jejich magnetické účinky se vyruší.
V případě nežádoucího úniku proudu z obvodu je rovnováha porušena a v sekundárním
vinutí transformátoru se indukuje napětí. Toto napětí je zesíleno a použito k přerušení
obvodu. Tato aplikace předpokládá naprostou necitlivost transformátoru k poloze vodiče v
otvoru toroidu. Každá magnetická nehomogenita jádra zhoršuje parametry senzoru, jádra se
vzduchovou mezerou se proto pro střídavé chrániče nepoužívají. Stejnosměrné proudové
chrániče jsou většinou založeny na Hallově prvku ve vzduchové mezeře magnetického
jádra. Citlivější chrániče pracují v kompenzovaném zpětnovazebním režimu.
ABB třífázový proudový chránič s nadproudovým jističem
54
Jmenovitá citlivost: od 10 mA do 30 mA (standardní hodnota), dostupné rovněž 100 mA a
300 mA.
Maximální proud: 16 A až 100 A a více.
Maximální provozní napětí 253VAC, minimální provozní napětí 195V AC.
Provozní životnost alespoň 5000 spínacích cyklů.
Silné stránky
Proudové chrániče podstatně zvyšují bezpečnost elektrických rozvodů především v
domácnostech a u vedení ve vlhkém prostředí. Proudové chrániče lze rovněž použít ke
kontrole izolace velkých průmyslových strojů a rozvodů.
Slabé stránky
Proudové chrániče mohou vypnout i kvůli nepředvídatelným úkazům jako je blesk, dočasné
nárazy proudu či přechodné poruchy v hlavním přívodu energie. To může způsobit
například nežádoucí deaktivací alarmu. K předcházení takových událostí jsou dostupná
restartovací zařízení. Ta s určitým zpožděním zkontrolují stav závady, a pokud zjistí, že
chyba není trvalá, obnoví připojení energie.
Některé evropské země dříve užívaly dvouvodičový rozvod s vícebodovým uzemňením.
Vícebodové uzemnění omezovalo riziko průniku fázového napětí na zemní vodič při jeho
porušení. Tato technologie vylučuje použití proudových chráničů, zemní proudy ve velkých
smyčkách mohou navíc způsobit velké elektromagnetické rušení.Tyto proudy mohou být
měřeny proudovými kleštěmi, pokud není vodič přístupný (jako v případě podzemních
konstrukcí či ocelí vyztuženého betonu), pak může být jeho poloha a velikost určena
pomocí magnetometrických metod.
Odkazy
and Hall, 1999
Moeller
http://www.moeller.net/
ABB
www.abb.com
GEWISS SPA www.gewiss.com

Přednáška 11

Transkript

Podobné dokumenty

Červen 1951 - Supra Praha

TUNEL LIBOUCHEC NA DÁLNICI D8 – REKAPITULACE

Stáhnout dokument v pdf

ABSOLVENTSKÁ PRÁCE

ZDE - INV REAL sro

Návod analyzátor BOSTON

Bulletin 02

CZ - O SMT-info

lineární teplotní detektor protectowire

EZS - ostatní detektory - audio detektory tříštění skla