Bezpečnostní aplikace senzorů
Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti.
P. Ripka, 2010
Bezpečnostní aplikace senzorů Detekce kovových objektů, výbušnin, toxických chemikálií, jedovatých plynů Požární detektory, detekce průniku osob .. Monitorování stavu stavebních prvků (structural health monitoring) (např. ocelových lan), detekce zemětřesení...
Detekce kovů • Kovové předměty ve stavebních konstrukcích (např. výztuha železobetonu, před vrtáním do stěn) • Detekční rámy u vchodů • Převážně metodou vířivých proudů - aktivní detektory
• Hluboké objekty při zemních pracích • Aktivní metody s velkými cívkami • Pasivní stejnosměrná magnetická metoda: s gradiometry dosah až 6 m
Funkční principy detektorů kovu
• Pulsní – – – – –
Ebinger 420GC Guartel MD8 Minelab F1A4 and F3 Schiebel AN19 (PSS12) Vallon 1620 and VMH2.
• Kontinuální (CW) – CEIA MIL D1 – Foerster Minex 2FD – Ebinger 420SC
• (Magnetometry): fluxgate, Cesiový
Pulsní detektor: průběh magnetického pole šířka pulsu 370 μs, opakovací frekvence 225 Hz.
Dvoutónový CW detektor: 2 400 Hz a 19 200 Hz.
Detektory pracující ve frekvenční doméně vs. v časové doméně
• V časové doméně: vždy pulsní pole • V kmitočtové doméně: většinou CW, ale ne vždy Potlačení budicího pole: Pulsní buzení: měří se po jeho vypnutí CW: diferenciální („gradientní“) cívky
Statický a dynamický mód ‘dynamické detektory: reagují jen při pohyby detekční hlavy • Dynamický mód pomůže potlačit konstantní pozadí (např. větší kovový objekt jako potrubí nebo plot) • Vyžadují zkušeného operátora • Dynamické detektory: např. Guartel MD8, Minelab F1A4 a Vallon • Přepinatelné Statické - dynamické: např. Ebinger 421GC
Diferenční detekční cívka dvojité D
Maximum signálu pod jednou D cívkou Nulový signál uprostřed „Záporné maximum“ pod druhou cívkou Přesná pozice se určuje dle nulového signálu
Použito v detektorech CEIA MIL D1, Foerster Minex 2FD a Guartel MD8
Velikost cívek • Mělké a malé objekty – malé cívky • Hluboké objekty – velké cívky Typické velikosti cívek:
Minohledačka: 20 cm Hledač bomb: 1 m
Detektory s velkými cívkami
Ebinger UPEX 740 M Geonix EM61
Kompenzace vlivu magnetické zeminy nebo cihelného zdiva
Signál z magnetické zeminy nebo cihelného zdiva je zanedbatelný po cca 20 µs. Dokonalejšího potlačení se dosáhne vícenásobným vzorkováním a zpracováním signálu nebo použitím budicích pulsů různých délek.
U CW detektoru je možno dosáhnout potlačení mag. signálu správným nastavením fáze synchronního detektoru. Většího potkačení se dosahuje použitím dvoutónového nebo vícetónového buzení (chirp mod)
Magnetometry
• Fluxgate – Ebinger Magnex – Foerster Ferex – Schiebel Dimads (3-axis)
• Cesiový • Protonový
Ebinger Magnex
Geometrics Cesiový gradiometr
Geometrics multisenzorové pole MTADS
8 Cesiových magnetometrů (3) Geonics EM-61 pulsní detektory kovů
Využití zvířat pro detekci výbušnin
A: průzkum pomocí vycvičených psů B: psi hodnotí odebrané vzorky (vzduchové filtry) Používají se i krysy a hmyz (včely, vosy)
Další metody detekce nevybuchlé munice a dalších nebezpečných objektů • Zemní radar (Ground-penetrating radar - GPR) • Elektrická impedanční tomografie • Rentgenový detektor (X-ray backscatter detection) • Infračervený a multi-spektrální detektor • Akustická detekce • Detekce výbušnin
Zemní radar (GPR)
– Je potřeba dielektrického kontrastu (nerozliší plast od suchého písku) s – Pro dobré geometrické rozlišení je třeba krátká vlnová délka, tedy vysoká nízká frekvence (min. 800 MHz), na těchto kmitočtech ale značný útlum ve vlhkých materiálech – Vhodné i pro kovové objekty
Detekce výbušnin a toxických chemikálií
– Nukleární kvadrupolová rezonance (NQR) – Neutronová analýza: Thermal neutron analysis (TNA), Fast neutron analysis (FNA), Neutron backscatter – Detektory ba principu iontové mobility (Ion drift spectrometers, ion mobility spectrometers IMS) – Fluorescenční polymerové detektory – Electro-chemické „nosy“
Krystalové mikrováhy (Quartz microballance)
Páry jsou absorbovány polymerní krycí vrstvou a změní hmotu krystalu a tím i jeho rezonanční kmitočet Používají se molekulárně značkované polymery jako detektory specifických toxinů
Plynové detektory s povrchovou akustickou vlnou (Surface Acoustic Wave (SAW) gas detectors)
Detekční limity: 0.6 to 1.25 ppm pro AC (Hydrogen cyanide HCN); 0.3 to 0.6 ppm pro CG (Cyanogen chloride ClCN); 0.2 to 0.4 ppm pro SA (Arsine AsH3); 0.5 to 1 ppm pro Cl2 (Chlorine), 0.6 to 1.1 mg/m3 pro GB (sarine); 1.6 to 4 mg/m3 pro HD (sulfur mustard).
HAZMATCAD by Microsensor Systems Inc.
Plynové chromatografy
Detektivita: Xylene 2.5 ppb ve vzduchu/0.1 ppb ve vodě Toluen 11 ppb/ 0.15 ppb Benzene 42 ppb/ 0,96 ppb. Stopy TNT, RDX, 2,4-DNT
Plamenově ionizační detektor (FLAME IONISATION DETECTORS – FID) Měří spalitelné molekuly Příklad: uhlovodíky v půdě
Používá vodíkový plamen
Fotoionizační detektor (PHOTO IONISATION DETECTORS)
Vzorkovaný vzduch nebo plyn se ionizuje 120 nm UV lampou 0.1 PPM to 2,000 PPM isobutylene equivalent
2200PRO PID detector by PhotoVAC
Ionizační detektor kouře Ionizační typ detektorů kouře je nejvhodnější pro aerosoly malých částic, které jsou typické pro otevřené ohně.
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. Referenční komora je větrána skrze malý otvor s filtrem, 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.
OPTICKÝ DETEKTOR KOUŘE • nejcitlivější pro viditelné částice v rozsahu 0,5 až 2 μm • Zpětný rozptyl (β>>900) je citlivější na malé částice typické pro otevřené ohně, dopředný rozptyl (β<900) je lepší pro větší částice doutnajících ohňů. • Detekční úhel často nastaven na 900. • Používá se i uvnitř kanálů HVAC
TEPLOTNÍ DETEKTOR OHNĚ Detekované veličiny: • teplotní růst 80C /min. • Dosažení teploty 570C nebo 700C. Technologie: • Jakýkoli elektrický teploměr • Mechanické detektory (tlak vzduchu v komoře s malým otvorem, bimetalické systémy…) • Lineární detektory
DETEKTOR TEPLA S OPTICKÝMI VLÁKNY Délka kabelu až 4 km Měří se (teplotně závislý) zpětný rozptyl Rozlišení cca 1 m Nevýhoda: potřebuje drahý optický laserový pulsní reflektometr Použití: hlavně v tunelech
Zpětný rozptyl: - Rayleghtův (pružný) = na stejné frekvenci - Ramanův (nepružný) = na jiné frekvenci .. Slabý signál - Stokesův pruh .. Teplotně nazávislý - Anti-Stokesův pruh …. Intenzita závisí na teplotě
UV SENZOR PLAMENE Velice rychlé Reaguje i na oheň bez obsahu uhlíku Nereaguje na doutnající ohně Použití i ve venkovních prostorách Hlavně v chemickém průmyslu a vojenských objektech Detektor: polovodičový, často i fotonka (fotokatoda, plynem plněná)
INFRAČERVENÉ DETEKTORY PLAMENE pyroelektrický detektor Reaguje na hoření uhlíku Použití v průmyslu, dolech, muničních skladech, skladech paliv… Detekční vzdálenost až 70 m
Infračervený senzor PIR (PASSIVE INFRARED SENSOR) Applikace: Detekce narušitele
[m]
120°
2,5
max. 40 cm
7 [m]
“Pet lens”(JS-7906 – Jablotron). Fresnelova čočka speciálního tvaru odstíní zvířata
MONITORY ŽIVOTNÍCH FUNKCÍ
• • • • • •
tepová frekvence EKG Monitory přítomnosti a pohybu, respirační senzory Mikrofony senzory tělesné teploty, kyslíku v krvi a transkutánní (PCO2) senzory.
Pletysmografie • Měření frekvence tepu pomocí IR diody • Možno použít i pro měření složení krve Oximetrické senzory měří neinvazně funkční nasycení tepenného hemoglobinu (SpO2). Krev nasycená kyslíkem pohlcuje v porovnání s nenasycenou jinak světlo. Množství světla různých vlnových délek pohlceného krví je užito k výpočtu poměru okysličeného hemoglobinu k celkovému množství hemoglobinu v tepenné krvi.
INFRAČERVENÝ DETEKTOR PLYNU Plyn spektr. čára(μm) CH4, C2H6, C3H8, C4H10 3.4 CO2 4.25 … nejvhodnější metoda CO 4.7 Freon 8.35 … nejvhodnější metoda NH3 (amoniak) 10.45 … nejvhodnější metoda a mnoho dalších: HC, SO2, NO2, …. Nefunguje pro O2, N2, H2 a vzácné plyny IR zdroje: klasická žárovka, xenonový blesk, infračervená LED či laserová dioda. Detektor: fotoakustický nebo polovodičový (fotodioda, fotoodpor) Další detektory: Modul Security
