IONIZAČNÍ DETEKTOR KOUŘE

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.

Metrologické parametry použitých senzorů 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. Obecná doporučení pro použití 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 O. Gassmann, H. Meixner (eds) : Sensors in Intelligent Buildings, Wiley-VCH, 2001 http://www.scientificinstruments.com/Aerospace/UVFD/uvflame.htm použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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.

Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


7

DETEKTOR TEPLA S OPTICKÝMI VLÁKNY Měřená veličina: teplota Použití: požární bezpečnost 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 Metrologické parametry použitých senzorů 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. Obecná doporučení pro použití Délka kabelu může být až 4 km. Odkazy O. Gassmann, H. Meixner (eds) : Sensors in Intelligent Buildings, Wiley-VCH, 2001 LIOS Technology, Germany http://www.lios.biz/b/index.htm Siemens http://www.fibrolaser.com použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


9

UV SENZOR PLAMENŮ Měřená veličina: plameny Použití: požární bezpečnost 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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 O. Gassmann, H. Meixner (eds) : Sensors in Intelligent Buildings, Wiley-VCH, 2001 http://www.scientificinstruments.com/Aerospace/UVFD/uvflame.htm 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


11

INFRAČERVENÉ DETEKTORYPLAMENE Měřená veličina: plamen Použití: požární bezpečnost 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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


13

KATALYTICKÝ SENZOR PLYNU (PELLISTOR) Identifikační údaje Měřená veličina: plyn Použití: požární bezpečnost 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 parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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. Obecná doporučení pro použití 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 O. Gassmann, H. Meixner (eds) : Sensors in Intelligent Buildings, Wiley-VCH, 2001 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


17

ELEKTROCHEMICKÝ SENZOR PLYNU Měřená veličina: koncentrace 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

Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 O. Gassmann, H. Meixner (eds) : Sensors in Intelligent Buildings, Wiley-VCH, 2001 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 J. Chou: Hazardous Gas Monitors, McGraw-Hill and SciTech Publishing, 1999 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


19

POLOVODIČOVÉ SENZORY PLYNŮ Použití: zjištění přítomnosti plynu Měřená veličina: koncentrace 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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 O. Gassmann, H. Meixner (eds) : Sensors in Intelligent Buildings, Wiley-VCH, 2001 Figaro Japan/USA http://www.figarosensor.com Envin Scientific ltd., UK http://www.envinsci.co.uk/ MiCS, Switzerland http://www.microchemical.com/ J. Chou: Hazardous Gas Monitors, McGraw-Hill and SciTech Publishing, 1999 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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. Obecná doporučení pro použití 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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. Obecná doporučení pro použití 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 O. Gassmann, H. Meixner (eds) : Sensors in Intelligent Buildings, Wiley-VCH, 2001 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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). Obecná doporučení pro použití 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/ použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 Sensors in Intelligent buildings (eds O. Gassmann, H. Maixner), Wiley-VCH, 2001 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 http://www.twi.co.uk/j32k/unprotected/band_1/c1352.html Furgo Ltd.

http://www.furgo.co.uk/

použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 Sensors in Intelligent buildings (eds O. Gassmann, H. Maixner), Wiley-VCH, 2001 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)

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.).

Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 Sensors in Intelligent buildings (eds O. Gassmann, H. Maixner), Wiley-VCH, 2001 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)

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.

Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)

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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 Sensors in Intelligent buildings (eds O. Gassmann, H. Maixner), Wiley-VCH, 2001 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/ použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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 Obecná doporučení pro použití 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 Sensors in Intelligent buildings (eds O. Gassmann, H. Maixner), Wiley-VCH, 2001 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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. Obecná doporučení pro použití 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 Sensors in Intelligent buildings (eds O. Gassmann, H. Maixner), Wiley-VCH, 2001 Micelect http://www.micelect.com/english/products/cab.htm použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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 J. Chou: Hazardous Gas Monitors, McGraw-Hill and SciTech Publishing, 1999 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 použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


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 Metrologické parametry použitých senzorů 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.

Obecná doporučení pro použití 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 J. G. Webster (ed.): Measurement, instrumentation and sensors handbook, CRC / Chapman and Hall, 1999 Moeller http://www.moeller.net/ ABB www.abb.com GEWISS SPA www.gewiss.com použity materiály projektu Leonardo Da Vinci – PRACSENS Project (F/04/B/PP-151105)


IONIZAČNÍ DETEKTOR KOUŘE

Recommend Documents