CZUJKI PASYWNE PODCZERWIENI

  |   Artykuły SSWiN   |   No comment

Pasywne czujki podczerwieni [PIR – passive infrared detectors], stanowią element ochrony wewnętrznej. Zasada działania tych czujek polega na wykrywaniu zmiany promieniowania cieplnego z zakresu dalekiej podczerwieni przez czujnik piroelektryczny, którego sygnał elektryczny analizowany jest przez układ elektroniczny czujki. Określenie „pasywne” odnosi się do faktu, że detektory te są w stanie działać bez potrzeby generowania, czy wypromieniowania własnej energii. Czujka pasywna nie emituje energii, ale wykrywa zmiany promieniowania podczerwonego ze źródeł znajdujących się w jej polu widzenia.

Każde ciało, w temperaturze wyższej od zera bezwzględnego, emituje promieniowanie termiczne. Prawo Wiena określa zależność między temperaturą ciała, a długością fali emitowanego promieniowania:

l = 2899 / T
gdzie: l – długość fali wyrażona w mikrometrach [mm] T – temperatura bezwzględna w Kelwinach [K]

W temperaturach niższych od około 500°C każde ciało emituje promieniowanie podczerwone – niewidzialne dla oka, natomiast w temperaturach wyższych – promieniowanie widzialne. Analizując obiekty pod kątem wykrywania ich promieniowania przez czujkę PIR, najbardziej interesującym przedziałem widma promieniowania podczerwonego jest zakres średniej i dalekiej podczerwieni. Ponieważ wykrywane obiekty przemieszczają się, a ponadto będą wykrywane w powietrzu – zakres promieniowania zawęża się do tak zwanego „okna atmosferycznego”, gdzie promieniowanie podczerwone o długościach fal 3 ÷ 5 mm i 8 ÷ 12 mm jest stosunkowo mało tłumione. Fala o długości 10 mm jest emitowana przez obiekty o temperaturze ok. 35°C a więc przez ludzi i małe zwierzęta (psy, koty itd.).

Oczywiście najbardziej interesuje nas człowiek: ciało ludzkie emituje promieniowanie podczerwone o długości fali ok. 10 mm. Zauważyć należy, że moc promieniowania emitowanego przez człowieka jest niewielka w stosunku do promieniowania tła (otoczenia) i trudno jest wykryć zmianę poziomu promieniowania wynikłą z ruchu człowieka w całej przestrzeni objętej zasięgiem czujki.

Dlatego stosuje się złożone układy optyczne do odpowiedniego uformowania pola widzenia czujki. Może być ono uformowane w kilkadziesiąt wiązek w kilku płaszczyznach za pomocą odpowiedniego obiektywu w formie soczewki Fresnela. Może być też ukształtowane za pomocą optyki zwierciadlanej do postaci kurtyn poziomych lub pionowych. Każdorazowo, gdy człowiek wchodzi lub wychodzi z wiązki bądź kurtyny w polu widzenia czujki – sensor wykrywa i rejestruje zmianę widma promieniowania IR. Każda taka zmiana jest analizowana i, jeżeli jest dostatecznie duża, stanowi kryterium alarmu.

Zaznaczyć jednak trzeba, że gwałtowna zmiana temperatury może w tych warunkach spowodować wygenerowanie fałszywego alarmu. Powolne, stopniowe zmiany temperatury nie spowodują reakcji czujki. Najczęściej w czujkach pasywnych podczerwieni stosuje się różnicowe czujniki piroelektryczne, które zapewniają dużą odporność na zmiany temperatury otoczenia i ruchy ciepłego powietrza (konwekcja). Dodatkowo czujki PIR potrafią uczyć się promieniowania termicznego monitorowanej przestrzeni i wówczas dostrzegać zmiany w tym promieniowaniu spowodowane przez obecność lub ruch osoby.

Sercem pasywnej czujki podczerwieni jest sensor piroelektryczny. Czujnik taki zawiera standardowo dwa, a czasem cztery elementy światłoczułe, wykonane z kryształu wykazującego efekt piroelektryczny. Efekt piroelektryczny to zjawisko powstawania ładunków elektrycznego na powierzchni kryształów dielektrycznych pod wpływem zmiany ich temperatury (ale tylko dla temperatur niższych od temperatury punktu Curie tego materiału). Przykładowo podczas ogrzewania jeden koniec pręta piroelektryku staje się dodatni, a drugi ujemny (przy ochładzaniu będzie odwrotnie). Wartość wytworzonego w ten sposób ładunku elektrycznego zależy od szybkości zmian temperatury (wynosi ok. 10 ÷ 15 C/cm2). Efekt piroelektryczny występuje tylko w kryształach nie posiadających środka symetrii i z co najwyżej jedną zwykłą osią symetrii (np. dla turmalinu, kwasu winowego).

Sensor piroelektryczny reaguje tylko na zmiany temperatury, więc jego charakterystyka spektralna jest praktycznie niezależna od długości fali w zakresie od nadfioletu do dalekiej podczerwieni. Dla SSWN nie jest ważne zobrazowanie przestrzennego, czy dwuwymiarowego rozkładu temperatury, a jedynie wykrycie zmian w tym rozkładzie. Pojawiający się intruz w polu widzenia czujnika powoduje zmianę pierwotnej, zapamiętanej „mapy temperatur”. Zmiana taka może wynikać z faktu detekcji ciepłego fragmentu twarzy na tle znacznie zimniejszej ściany lub – np. zimą – zimnego ubrania intruza na tle, w tym przypadku, cieplejszej ściany. Niestety zaburzenia w rozkładzie temperatury o podobnym charakterze zmian powodują inne czynniki, głównie: przeciągi i operacja słoneczna. Skuteczna eliminacja wykrywania zmian w rozkładzie temperatur z naturalnych przyczyn, a zarazem podniesienia skuteczności detekcji zmian wynikłych z poruszania się intruza, wymaga podzielenia sfery pola widzenia detektora na kilka czy kilkadziesiąt fragmentów. Oznacza to, że detektor będzie reagował na zmiany temperatury w bardzo małych wycinkach sfery, dla których zmiana w jednym lub dwu wycinkach na skutek pojawienia się intruza wpływała na zmianę reakcji detektora na poziomie wyższym od poziomu szumów. Podział realizuje się przez ustawienie na osi optycznej detektora przesłony ze szczelinami wydzielającymi mniejsze pola widzenia piroelementu. W wielkim uproszczeniu można powiedzieć, że poruszający się intruz pojawia się kolejno w widzianych przez czujnik strefach, powodując detekcję większej ilości promieniowania i powrót detektora do stanu wyjściowego w momencie, gdy intruz schowa się za przesłoną. Detektor będzie się zachowywał jak źródło napięciowe generujące sygnał przemienny, podobnie, jak w przypadku naprzemiennego nagrzewania i studzenia jego powierzchni. Jeżeli odpowiedni układ elektroniczny zacznie zliczać maksima przebiegu sygnału, to dla danego ustawienia progu zliczania, zostanie wygenerowany sygnał alarmu. W czujkach o charakterystyce widzenia tzw. kurtynowej do detektora piroelektrycznego docierają dwie lub trzy wiązki. Pozostałe czujki PIR mają przeważnie od kilkunastu (tzw. czujki korytarzowe) do kilkudziesięciu stref detekcji (czujki przestrzenne szerokokątne i dookólne).

Dla ograniczenia fałszywych alarmów odcina się niepotrzebne promieniowanie widzialne za pomocą specjalnego filtra światła białego wykonanego jako płytka germanowa i umieszczonego zwykle w obudowie detektora piroelektrycznego. Zastosowanie płytki germanowej lub innego filtra światła białego jest konieczne w celu eliminacji zakłóceń powodowanych np. włączaniem i wyłączaniem oświetlenia. Niestety jego obecność to wytłumienie 15 ÷ 20% energii promieniowania docierającej do płytki detektora. Ponadto pamiętać trzeba, że efektowi piroelektrycznemu zawsze towarzyszy efekt piezoelektryczny, dlatego czujki PIR są bardzo wrażliwe na wstrząsy i wibracje.

Czujki pasywne podczerwieni wykrywają najlepiej ruch człowieka przecinającego pod kątem prostym sektory wykrywania, czyli ruch prostopadły do ich osi optycznych. Maksimum czułości czujki dla ruchu w poprzek „wiązek” pola widzenia jest spowodowane tym, że przy przekraczaniu granicy takiej wiązki, sygnał elektryczny z elementu detekcyjnego zmienia znak. Natomiast czułość PIR dla ruchu poosiowego jest znikoma. Jednakże dzięki temu, że najnowsze soczewki Fresnela stosowane w tych czujkach mają już po kilkadziesiąt wiązek obserwacji, nawet poruszanie się dokładnie w kierunku czujki musi spowodować przecięcie kilku wiązek, a w konsekwencji wyzwolenie alarmu.

Czujki PIR są wyposażone w układ, którego zadaniem jest koncentracja promieniowania podczerwonego ze stref „widzenia” na piroelemencie. Spotyka się dwa rozwiązania: układy optyczne oparte na technice lustrzanej lub soczewki Fresnela. Analizując obie te konstrukcje pod względem zdolności do wykrywania intruza, jako zadania naczelnego, można dojść do wniosku, że oba rozwiązania są równorzędne, ale też oba rozwiązania mają swoje wady. Potwierdzeniem tego mogą być czujki, oferowane przez liczną grupę producentów, mające oba rozwiązania: pewne strefy widzenia uzyskuje się w oparciu o technikę luster, zaś inne przy wykorzystaniu soczewek Fresnela.

Podstawowym zadaniem układu optycznego w czujkach PIR jest skoncentrowanie promieniowania z danej strefy widzenia na płytce piroelektryka. Ideałem byłoby uzyskanie na płytce obrazu w postaci punktu, co dałoby w efekcie najskuteczniejsze podgrzanie jego powierzchni. W praktyce nie jest to możliwe, ale wystarczające jest zmniejszenie wiązki promieniowania do wymiarów płytki detektora ok. 1 mm2.

Dla przypomnienia: soczewka Fresnela (soczewka schodkowa lub soczewka pierścieniowa), została skonstruowana w 1822 r. przez Augustina Jeana Fresnela. Zbudowana jest jakby z koncentrycznych pierścieni, będących pocienionymi fragmentami klasycznej soczewki. Często zbudowana jest z dwóch warstw – rozpraszającego kolimatora i skupiającego kolektora. Soczewka Fresnela stosowana jest w reflektorach i latarniach morskich, reflektorach samochodowych, rzutnikach pism oraz w sygnalizatorach ulicznych i kolejowych. W dużych reflektorach czasem zewnętrzne pierścienie wykonuje się jako pierścienie odbijające. Istotną zaletą takiej soczewki jest jej znacznie mniejsza grubość, a zatem i ciężar – niż soczewki tradycyjnej, co ma szczególne znaczenie w przypadku soczewek o dużych średnicach. Wadą soczewek Fresnela są zniekształcenia biegu promienia świetlnego powstające na krawędziach pierścienia. Wada ta jednak jest zupełnie nieistotna przy zastosowaniu tych soczewek w czujkach PIR.

Najpowszechniej stosowanymi czujkami PIR są czujki z soczewką szerokokątną, o maksymalnym kącie pola widzenia 90° ÷ 130° i standardowym zasięgu 12 ÷ 15 m. Pamiętać należy, ze dla promieniowania IR nieprzezroczyste są ściany, meble, zasłony i … szkło! Dlatego w pomieszczeniach umeblowanych bądź pomieszczeniach o nieregularnych kształtach mogą tworzyć się martwe strefy. W takich przypadkach przydatne są czujki PIR z innymi niż szerokokątne soczewkami (spotyka się powszechnie soczewki wymienne):
kurtynowe (jedna wąska kurtyna pionowa lub pozioma), zasięg 15 ÷ 18 m
korytarzowe (2 … 3 wiązki) mające wąski kąt widzenia, ale duży zasięg rzędu 20 ÷ 50 m
sufitowe, czyli dookólne, o kącie widzenia 360 stopni dzięki konstrukcji opartej na 9 ÷ 18 kurtynach rozmieszczonych dookólnie.

Na koniec kilka słów o czujkach PIR typu QUAD. Zadaniem czujki PIR w SSWN jest: wykrycie ruchu intruza i nie wykazywanie reakcji na zjawiska inne niż przemieszczanie się intruza. Okazuje się jednak, że sprawa wcale nie jest taka prosta. Zarówno człowiek, jak szczur, kot, pies, zachodzące słońce, przeciąg w pomieszczeniu – powodują bardzo podobne zachowania piroelektryka: więcej lub mniej energii docierającej do piroelektryka to zawsze zmiana jego polaryzacji. Zastosowanie jednego elementu piroelektrycznego powoduje w takim przypadku brak możliwości odróżnienia zdarzeń o charakterze alarmowym od tzw. fałszywych alarmów spowodowanych np. wyżej wymienionym przeciągiem.

Dlatego skonstruowano sensor składający się z dwóch elementów piroelektrycznych położonych w poziomie obok siebie. Sensor taki „widzi” dwa razy więcej stref detekcji, niż w przypadku sensora z jednym elementem. W celu skutecznej eliminacji fałszywych alarmów sumuje się logicznie sygnały z obu elementów, przy czym elementy te są ze sobą połączone w taki sposób, że zmiana ich polaryzacji, na skutek detekcji promieniowania, jest zawsze przeciwna w jednym elemencie w stosunku do drugiego.

Rozwiązanie te nie jest doskonałe. Powstało pytanie: skoro można umieścić w detektorze dwa piroelementy, to dlaczego nie więcej? W skutku opracowano technologię Quad – w sensorze umieszczono 4 piroelementy. Elementy te mogą być umieszczone jeden obok drugiego w rzędzie powodując uzyskanie czterech leżących jedna obok drugiej stref detekcji, uzyskanych z jednej soczewki Fresnela, czy jednego lustra. W innym, częściej stosowanym rozwiązaniu, ułożono piroelektryki w dwóch rzędach po dwa elementy, dzięki czemu strefy detekcji zgrupowane są w grupy po cztery wiązki. Elementy piroelektryczne połączone są w pary, w których jeden element posiada czułość dodatnią a drugi ujemną. Można więc powiedzieć, że tego typu detektor to jakby dwa detektory z podwójnymi elementami piroelektrycznymi. W czujce typu Quad sygnał elektryczny z każdej pary piroelektryków jest przetwarzany oddzielnie w układzie analogowo-cyfrowym.

Aby intruz mógł być skutecznie wykryty pole dwóch stref detekcji, znajdujących się jedna nad drugą, powinno być w przybliżeniu równe polu, jakie przesłania intruz. Jeżeli jest to spełnione, to sygnały sumaryczne z obu par nie są zerowe i powodują wygenerowanie alarmu. Jeżeli w polu detekcji detektorów pojawi się małe zwierzę, to jego obraz mieści się jedynie w dolnych strefach, powodując powstanie sygnału tylko w dolnej parze elementów piroelektrycznych, co jest przez logikę czujki traktowane jako fałszywy alarm.

Podczas montażu czujek PIR trzeba koniecznie przestrzegać kilku podstawowych zasad instalacji czujek pasywnych podczerwieni:
czujka z uwagi na konwekcję nie powinna być instalowana bezpośrednio nad źródłem ciepła np.: grzejnikiem (jeżeli nie ma innej możliwości odległość czujki od grzejnika powinna wynosić ponad 1,5 m, ale lepiej zastosować czujkę dualną)
światło słoneczne nie powinno padać bezpośrednio w soczewkę czujki, ponieważ zawiera bardzo dużo promieniowania IR i przy nagłym przesłonięciu przez chmurę nastąpi wyzwolenie fałszywego alarmu
nie należy stosować czujek kurtynowych do ochrony nieszczelnych okien, gdyż ruch powietrza zostanie przez czujki wykryty i będą generowane fałszywe alarmy
przedmioty ruchome powinny być oddalone od soczewki czujki co najmniej o 3 m. Ich ruch i zmieniające się płaszczyzny odbicia promieniowania IR na pewno spowodują fałszywe alarmy
żaden sektor wykrywania czujki nie powinien obejmować miejsc o znacznej różnicy temperatur, jeżeli dotyczy to tylko jednego sektora można wyeliminować go przez zaklejenie fragmentu soczewki czujki specjalną folią nieprzepuszczalną dla promieniowania IR
czujka powinna być zainstalowana stabilnie, podłoże powinno zapewniać minimalne wibracje. Niedopuszczalne jest pozostawianie czujki wiszącej na przewodach
jeżeli w pomieszczeniach występują gryzonie – czujka powinna być zainstalowana tak, aby poruszające się gryzonie przemieszczały się w jak największej odległości od soczewki czujki.

Jeżeli z różnych względów nie można zastosować wyżej wymienionych zasad montażu, należy stosować czujki wysokiej klasy, a najlepiej czujki dualne PIR+MW lub PIR+US.

Cały czas używałem zwrotu »fałszywe alarmy«, zatem jestem winny wyjaśnienie, co on oznacza. Otóż wpływ warunków otoczenia na czujkę może powodować generowanie alarmu z przyczyn innych niż wtargnięcie intruza. I choć de facto czujka działa całkowicie prawidłowo, to takie właśnie alarmy, nieuzasadnione z punktu widzenia właściciela czy użytkownika systemu, powszechnie określa się jako „fałszywe”. A w rzeczywistości jest to tylko efekt błędów instalacyjnych, czasem możliwych do eliminacji na drodze regulacji czułości detektora. Najważniejszy jest jednak prawidłowy dobór miejsca montażu czujki – należy przede wszystkim unikać miejsc, gdzie pracę sensora zakłócić mogą:
padające na czujkę bezpośrednie lub odbite promieniowanie słoneczne
kołyszące się źródła światła
szybkie bądź silne zmiany temperatury (piece, kuchnie, kominki itp.)
ruch powietrza – konwekcja (klimatyzatory, ciągi wentylacyjne, kominki, otwarte okna itp.)
wysokie bądź silne dźwięki
silne promieniowanie elektromagnetyczne
zakłócenia radiowe, pioruny, wyładowania elektryczne
drgania, wibracje, zawieszenie czujki na niestabilnej ściance
duże zwierzęta
W celu zapewnienia pewnej i długotrwałej pracy czujek PIR należy unikać podczas montażu miejsc wystawionych na bezpośrednie oddziaływanie pary wodnej i par oleju.

Na specjalne omówienie zasługuje mało znany efekt klaustrofobiczny detektorów PIR. Otóż montaż takiej czujki w pomieszczeniu o wymiarach znacznie mniejszych od jej znamionowego zasięgu, powoduje wyraźne zaburzenia w jej normalnym funkcjonowaniu, co może być powodem powstawania fałszywych alarmów. Regułą jest, aby nie stosować czujek w pomieszczeniu mniejszym niż 30 lub nawet 50% ich standardowego zasięgu.

Największą wykrywalność uzyskuje się w odległości od czujki praktycznie równej jej zasięgowi pracy. Pole widzenia ma tu prawidłowe rozmiary i odpowiada w przybliżeniu rozmiarom człowieka. W bliskiej odległości od czujki pole widzenia czujki jest bardzo małe. Czujka oczywiście wykryje człowieka, ale również wykryje małe zwierzę lub promień słońca. Pamiętać trzeba, iż dla czujki słoń z odległości 15 metrów i myszka z odległości 50 cm są identycznie wielkie. Dlatego w pomieszczeniach, gdzie mogą występować małe gryzonie, czujki należy montować na wysokości powyżej 2 m. Albo stosować specjalne czujki PIR-PET, które są „odporne na małe zwierzęta.

Tu należy dodać, że czujki PIR stanowią podzespół czujek ruchu podwójnych i dualnych np. PIR + MW oraz PIR + US. Istnieją również czujki PIR przeznaczone do pracy na zewnątrz pomieszczeń.

Jeżeli nadal nie rozumiesz, jak działa czujka PIR i co powoduje »fałszywe alarmy« – przeczytaj następne rozdziały, bądź skontaktuj się z naszymi konsultantami.

No Comments

Post A Comment