Systemy alarmowe – rodzaje czujek (część 3)

Założeniem tej części jest opisanie sposobu działania czujek, które spotykamy w systemach alarmowych. Będzie trochę pojęć technicznych, ale mimo to opis będzie dążył w kierunku upraszczania pewnych skomplikowanych sformułowań. Celem nie jest więc wywód akademicki, a przybliżenie czytelnikowi rodzajów i sposobu funkcjonowania czujek.

Czujka czy czujnik? Oto jest pytanie.

Z mądrych źródeł (np. branżowe normy) można dowiedzieć się, że gotowe urządzenie to czujka, natomiast właściwy sensor wewnątrz urządzenia to czujnik. W przypadku czujki ruchu, czujnikiem będzie piroelement. Czy jest nam to potrzebne? Do rozumienia tematu – nie, ale warto wiedzieć, że istnieje oficjalne nazewnictwo.

Czujka ruchu PIR

Zaryzykuję tezę, że czujka ruchu PIR to najczęściej spotykany element w „klasycznych” instalacjach alarmowych. Co ta czujka wykrywa? Nazwa to wyjaśnia – ruch (konkretnie ruch, a nie samą obecność człowieka/psa/kota itp.). Aby zrozumieć działanie takiej czujki, dobrze jest rozszyfrować skrót „PIR”.

• PIR – Passive Infrared – czyli pasywna podczerwień.

Słowo „pasywna” jest tu kluczowe. Mówi nam to, że urządzenie nie wysyła nic w przestrzeń. Takie urządzenie tylko odbiera „dane” z otoczenia. Gdyby było aktywne, to pewnie coś by wysyłało, ale nie jest. Jest pasywne. Jak to działa? Każdy obiekt, którego temperatura jest większa od zera bezwzględnego (około -273 st. C), emituje promieniowanie cieplne. Człowiek jest znacznie cieplejszy niż zero bezwzględne, a więc to promieniowanie tutaj na pewno występuje.

Czujka obserwuje więc otoczenie (np. poprzez tzw. soczewkę Fresnela lub optykę lustrzaną) i jeżeli zauważy zmiany w rozkładzie promieniowania w podczerwieni, to odpowiednio reaguje. Chcąc to uściślić, należy zaznaczyć, że sama widoczność przez czujkę miejsc o różnym rozkładzie promieniowania nie wystarczy. Jak już zostało wyżej napisane, musi być ruch. Czyli czujka musi zobaczyć, że coś, co ma inną „temperaturę”, przemieszcza się względem „reszty” otoczenia (o innej temperaturze). Niektórzy mówią, że ta czujka reaguje na zmiany ciepła – coś w tym jest. Może nie jest to fachowe określenie, ale upraszczając całą tą otoczkę związaną z szeroko pojętą fizyką, można to tak interpretować.

Nieoficjalnie, nie trzymając się konwencji, można napisać, że: czujka ruchu PIR widzi ruch, kiedy coś o jednej temperaturze przemieszcza się po obszarze, który ma inną temperaturę.

Ktoś teraz może powiedzieć, że w takim razie czujki PIR nie są doskonałe i są podatne na fałszywe alarmy. To prawda! Nikt jednak nie napisał, że to jedyne słuszne rozwiązanie i że czujki są idealne. Należy po prostu mieć świadomość ich działania. Co się na przykład stanie, kiedy włączy się w obiekcie dmuchawa z ciepłym powietrzem, podczas dozoru systemu alarmowego? Istnieje bardzo duża szansa, że czujka PIR potraktuje ten ciepły strumień powietrza jako „ruch”. W konsekwencji włączy się alarm, który nazywamy popularnie „fałszywym alarmem”. Przykłady można mnożyć.

Pamiętajmy też, że czujka czujce nie jest równa. Istnieją mechanizmy i rozwiązania w czujkach, które starają się jak najlepiej dopasować swoje parametry pracy do bieżącej sytuacji (np. tzw. kompensacja temperatury).

Pomimo swoich wad, czujki ruchu PIR to jedne z tańszych elementów instalacji alarmowej (choć są też drogie – bardziej zaawansowane modele). Czujki są chętnie stosowane i odpowiednia ich regulacja, montaż oraz konfiguracja pracy w systemie pozwalają na długą i efektywną pracę.

Czujka ruchu PIR+MW

To kolejny rodzaj czujek, które popularnie nazywamy czujkami dualnymi. Dualna, ponieważ posiada dwa tory detekcji: znany nam już detektor „PIR” oraz „MW”. Czym to jest?

• MW to MicroWave, czyli mikrofala.

O ile tor „PIR” jest torem „pasywnym”, to już tor mikrofalowy jest torem aktywnym. Oznacza to, że taki tor już nie tylko obserwuje otoczenie, ale też coś wysyła do tego otoczenia. A tak naprawdę to najpierw „coś” wysyła, a potem czeka i obserwuje, w jakiej formie to „coś” do czujki powróci. „Substancja”, którą czujka PIR+MW wysyła do otoczenia to nic innego jak fala radiowa o bardzo wysokiej częstotliwości (GHz).

Czujka PIR+MW posiada antenę, która generuje taką falę. W normalnych warunkach  – fala leci przed czujkę i odbija się od przeszkody, czyli np. od ściany po drugiej stronie pomieszczenia. Kiedy taka fala wraca, to może ona mieć inną częstotliwość (bo np. odbiła się wcześniej od poruszającej się w pomieszczeniu osoby). Działanie oparte jest więc na efekcie Dopplera.

Czy to ma jakieś szczególne znaczenie dla czujek ruchu? Tak. Dla fali mikrofalowej temperatura obiektu nie ma znaczenia, czyli może zobaczyć coś, co czujka ruchu PIR nie zobaczy. Dodatkowo, czujka mikrofalowa nie zobaczy powietrza. Ciepło generowane przez naszą wspomnianą dmuchawę nie spowoduje naruszenia toru mikrofalowego.

Czy widzisz już różnicę i zalety stosowania takiej czujki? To, co na pewno możemy stwierdzić to fakt, że czujka dualna (PIR+MW) generuje mniej fałszywych alarmów. To ważne. Dzieje się tak, ponieważ najczęstszym kryterium zadziałania czujki ruchu dualnej jest to, aby oba tory (PIR oraz MW) zarejestrowały ruch.

To dlaczego nie stosujemy tylko takich czujek? Z kilku powodów: nie zawsze jest taka konieczność. Np. w sypialni, w której nie ma ryzyka pojawienia się zewnętrznego, niekontrolowanego źródła ciepła – czujka dualna może nie być konieczna. Cena również często odgrywa tutaj rolę. Jednak nie o to chodzi w artykule, aby podawać „za i przeciw”. Chodzi o podstawowe zrozumienie zasad działania poszczególnych rodzajów czujek. Dlatego zapraszam do dalszej części.

Czujki otwarcia okien i drzwi

Zaliczamy do grupy najtańszych czujek do systemów alarmowych. Koszt od około 15zł. za sztukę. Czujki otwarcia okien i drzwi (czujki magnetyczne, kontaktrony -> nie „kontraktrony”) to elementy składające się z dwóch części:

• magnes – montujemy na ruchomym skrzydle okna/drzwi
• kontaktron – montujemy na ościeżnicy/ramie okna

Kontaktron to ogólnie mała rurka szklana, w której znajdują się dwie małe elektrody. Kiedy znajduje się on w polu magnetycznym, te dwie małe elektrody stykają się, więc zamykają one obwód elektryczny. Kiedy pole magnetyczne „ginie”, to te dwie elektrody się „otwierają” i prąd nie płynie. Ot cała filozofia.

W naszym przypadku: kiedy okno jest zamknięte, to magnes i część z kontaktronem są obok siebie. Styki takiej czujki są więc zwarte (prąd płynie). Kiedy natomiast ktoś otworzy okno, magnes oddala się od kontaktronu i w konsekwencji styki czujki się rozwierają (prąd nie płynie).

Działanie czujki jak widać jest dość prymitywne, ale okazuje się, że  taki mechanizm jest stosowany na całym świecie od dziesiątek lat i ma się całkiem dobrze. Czujki otwarcia warto montować przynajmniej w kluczowych miejscach: drzwi wejściowe, garażowe, balkonowe, tarasowe, wyłazy na dach, brama wjazdowa. A jeżeli to możliwe, to czujki takie dać w każdym oknie. W niektórych przypadkach, nawet po dwie sztuki (skrzydło prawe i lewe).

Czujka dymu

W systemach alarmowych chcemy chronić nie tylko mienie, ale też życie. Pomóc nam mogą w tym np. czujki dymu. Opiszę działanie czujki dymu, którą najczęściej spotykamy w instalacjach alarmowych. Jest to tzw.:

• optyczna czujka dymu

Co ma wspólnego optyka z pożarem? Jak wgłębimy się w to bardziej to okaże się, że ma to sens. Wyobraź sobie, że widzisz palący się przedmiot. Takiemu zjawisku często (nie zawsze) towarzyszy pojawienie się dymu. Widzisz ten dym? Ok, czujka też go widzi. Słowo „widzi” jest to kluczowe.

Działanie takiej czujki wygląda w następujący sposób:

Wewnątrz urządzenia znajduje się źródło światła (najczęściej podczerwień, czyli człowiek tego nie widzi). Światło to świeci przed siebie, tylko nie na element odbiorczy (detektor światła). W czujce jest właśnie „odbiornik” tego światła, ale jest on umieszczony w taki sposób, aby to źródło z odbiornikiem bezpośrednio się nie widziały.

Czujka dymu uzna, że jest zagrożenie pożarowe w momencie, kiedy na odbiorniku pojawi się takie światło. Już pewnie wiesz co będzie dalej. Jeżeli teraz dym wleci do tzw. „komory optycznej”, to światło generowane przez źródło zacznie się  odbijać od tego dymu w różnych kierunkach.  Część tego odbitego światła zapewne wleci na odbiornik. To całe działanie. Myślę, że tutaj też mogą cisnąć się na usta słowa, że to „prymitywne”. Ale znów muszę napisać, że takie rozwiązanie stosuje się od wielu lat w czujkach dymu i ma się dobrze.

Pamiętajmy, że opisujemy ogólne, uproszczone zasady działania. Każdej czujce towarzyszy kawałek elektroniki, która analizuje sygnał, oblicza go itd. Są to naprawdę przemyślane rozwiązania. Czujka dymu to koszt od 100zł. w górę. Jeżeli chcesz czuć się bezpiecznie również od strony tego zagrożenia, warto przemyśleć zakup takich czujek.

Czujki gazów palnych oraz czujka czadu

Przeznaczam na to osobny akapit, bo kilka spraw wymaga wyjaśnienia. Przede wszystkim nie są to czujki optyczne. W środku tych urządzeń znajdują się wyspecjalizowane detektory. Czy warto montować czujkę czadu? Warto.

Nie będziemy się wgłębiać w procesy elektrochemiczne, które powodują wyzwolenie opisywanych w tym akapicie czujek, ale kilka faktów, które warto znać:

• czujkę gazu metanu (gaz ziemny) – montujemy wysoko (bo gaz lżejszy od powietrza, więc leci do góry)
• czujkę gazu propan-butanu (LPG) – montujemy nisko (bo gaz cięższy od powierza, więc leci na dół)
• czujkę czadu (tlenku węgla CO, a nie CO2, bo to już dwutlenek węgla) – montujemy około 1-1.5m nad podłogą

Powyższe dane należy oczywiście skorygować, jeżeli dany producent określa to inaczej.

Czujka zalania wodą

Czujka ta nie chroni nas przed włamaniem, ale w ciekawych instalacjach taka czujka jest często spotykana. Przykładowe miejsca to nie tylko łazienka, ale np. kuchnia (pod zmywarką) oraz pomieszczenie, gdzie jest główny zawór wody. Wtedy można dodatkowo wyposażyć instalację elektryczną w elektrozawór do wody. Współgra to bardzo dobrze (mamy to sprawdzone).

Zasadniczo czujka zalania to urządzenie, które posiada sondę (np. na wypuszczonym kablu). Sonda składa się najczęściej z dwóch elektrod. Jeżeli obie elektrody zostaną zalane, to układ czujki wykryje przepływ niewielkiego prądu i urządzenie wygeneruje alarm. Sondę umieszczamy na takiej wysokości, na jakiej chcemy wykryć zalanie – czyli najczęściej przy samej podłodze.

Pamiętajmy jednak, że sama czujka wygeneruje tylko alarm. System może nas powiadomić o zagrożeniu, wyśle SMS, załączy sygnalizatory, ale nie unikniemy zalania. Jeżeli chcemy być jeszcze bardziej bezpieczni, wspomniany wyżej elektrozawór warto zamontować.

Czujka stłuczeniowa

Najczęściej oparta na mikrofonie. Czujka taka non-stop słucha, ale spokojnie, nasze rozmowy nie trafiają na żadne serwery :) Przynajmniej nie z czujek, o których tutaj wspominam. Myślę, że wszyscy zgodzimy się co do jednego: tłuczenie szkła jest słyszalne. Jest to dźwięk o wysokiej częstotliwości.

Czujka słyszy ten dźwięk, ale to nie wystarcza, aby został wygenerowany alarm. Gdyby tak było, to głośna muzyka, piski itp. mogłyby ją aktywować (i czasami tak jest – to tylko elektronika, nie jest doskonała). Kryterium powstania alarmu jest to, aby czujka wykrywała dwa dźwięki:

•  najpierw dźwięk o niskiej częstotliwości (uderzenie w szybę)
•  potem dźwięk o wysokiej częstotliwości (tłuczenie się szkła)

Te dwa dźwięki muszą następować po sobie. Może się zdarzyć, że głośna muzyka wywoła taki alarm (jeżeli czujka jest ustawiona do trybu pracy 24h, czyli non-stop). Czujki tego rodzaju montujemy przy oknach i bardzo często przy dużych przeszklonych witrynach sklepowych.

Czasami można w sieci usłyszeć głosy, że taka czujka nie jest potrzebna. Przecież skoro ktoś wybije szybę i wejdzie, to w środku wykryje go czujka ruchu. Dobrze, a co jeżeli ktoś wybije szybę, ale do środka nie wejdzie? Czy wtedy już na alarmie nam nie zależy? Dla tych, którzy chcą mieć alarm nawet w takim przypadku – stosowanie czujek zbicia szyby jest jak najbardziej wskazane.

Czujka wibracyjna

Przykład użycia: rama okna, drzwi, sejf itp. Czujka wykrywa wstrząsy i jeżeli przekroczą one ustaloną wartość (konfigurowalne), zostaje wygenerowany alarm. Taka czujka posiada wbudowany sensor piezoelektryczny i wibracje powodują, że układy elektroniczne wykrywają zmiany napięcia w takim sensorze.

Czujki te wymagają regulacji, aby zbyt lekkie wstrząsy nie powodowały alarmów. Należy doświadczalnie ustawiać czułość do momentu, kiedy jej czułość zacznie spełniać nasze oczekiwania.

Czujka przemieszczenia

Nie jest tak popularna i nie każdy producent ma ją w ofercie. Zdecydowałem się na jej opis, bo to naprawdę ciekawe urządzenie. Czujki przemieszczenia posiadają wbudowany np. akcelerometr, który wykrywa zmiany położenia. Kiedy użytkownik uzbraja system, czujka może zapamiętać aktualne położenie. Od tej pory zmiana tego położenia powoduje, że czujka wygeneruje alarm.

Zastosowań może być wiele, np. w muzeach. Czujka przyczepiona do eksponatów, np. ram obrazu, może poinformować, że ktoś „ściągnął” obraz albo go przechylił.

Bariery podczerwieni

Pewnie większość czytelników kojarzy te urządzenia. To takie „fotokomórki”, które używamy przy automatyce bram. Jednak w alarmach używamy pojęcia „bariera podczerwieni” (są też mikrofalowe). Taka bariera składa się z dwóch elementów:

• nadajnik (nadaje sygnał w podczerwieni)
• odbiornik (odbiera sygnał z nadajnika)

Sygnał jest nadawany cały czas, ale niekoniecznie musi to być jeden i ten sam sygnał. Może on być zmodulowany w taki sposób, że tylko „swój” odbiornik pozna ten sygnał. Zapobiega to podmianie urządzenia, np. gdyby ktoś chciał wycelować w odbiornik silnym zewnętrznym źródłem światła podczerwonego. Bariera nie powinna się na to nabrać.

Każde z urządzeń (nadajnik i odbiornik) posiada styk sabotażowy, który chroni dostępu do wnętrza bariery (tak jak zdecydowana większość urządzeń, które stosujemy w systemach alarmowych). Barierę zasadniczo podłączamy pod wejście centrali – podobnie jak zwykłe czujki ruchu PIR.

Zasada działania? Mniej więcej tak, jak to pokazują na filmach zza oceanu. Przecięcie wiązki podczerwieni generuje alarm. Podczas montażu należy pamiętać, aby słupki montażowe były bardzo solidnie osadzone w podłożu. Jakiekolwiek wahania słupka od wiatru mogą spowodować, że nadajnik i odbiornik się „rozminą”. Odbiornik potraktuje to jako alarm (wiązka podczerwieni nie będzie przecież w niego wycelowana).

Jeżeli przyjdzie decyzja co do montażu barier to pamiętajmy, że w zimę należy odśnieżać tor, po którym „leci” wiązka a w lato należy kosić trawę. Niby oczywiste, a jednak ludziom włączają się fałszywe alarmy… od nieskoszonej trawy (która przecież może przeszkodzić w transmisji).

Bariery podczerwieni stosujemy najczęściej na zewnątrz. Ich zadaniem jest wcześniejsze wykrycie intruza, zanim wejdzie do środka budynku (tak samo jak czujki ruchu zewnętrzne – je też montujemy po to, aby „szybciej” wykryć potencjalnego złodzieja).

Czujka przepełnienia zbiornika z cieczą

W wielu budynkach nie mamy miejskiej kanalizacji, tylko tzw. szambo. Cykliczne sprawdzanie jego zapełnienia może być uciążliwe. Za dosłownie kilkadziesiąt złotych można kupić czujki w postaci pływaków, które można zamontować w środku takiego zbiornika.

Jeżeli do pływaka dojdzie „ciecz”, to zacznie się on „kłaść” (domyślnie wisi w powietrzu na odpowiedniej wysokości). W takim prostym pływaku mamy dwie blaszki oraz kulkę. Położony pływak sprawia, że kulka zjeżdża w miejsce styku i następuje zwarcie dwóch elektrod. Bardzo prosta i niezawodna konstrukcja. Odpowiednie zaprogramowanie reakcji centrali może np. wysłać do nas SMS, że należy opróżnić szambo.

Chciałbym napisać, że tym oto akcentem kończy się 3 część cyklu artykułów na temat podstaw systemów alarmowych. Jednak artykuł skończymy na innej czujce, mniej kontrowersyjnej.

Czujka zmierzchu

Jest to kolejna pozycja i ostatnia w tym artykule. Czujki tej nie stosujemy do wykrywania intruza, ale jako źródło informacji o tym, czy jest jasno czy ciemno. Po co nam to? Np. do realizacji funkcji związanych z automatycznym sterowaniem oświetleniem. Uzależnienie oświetlenia od pory dnia jest bardzo efektywne. Nie tylko światło może się nam automatycznie zaświecać, ale też generuje oszczędności (np. automatycznie wyłącz światła, kiedy zrobiło się jasno).

Gdzie spotkać takie czujki? Można je znaleźć jako osobne urządzenia lub nawet wbudowane w czujki ruchu (nieliczne modele). Jeżeli planujesz budowę systemu alarmowego, który ma realizować również funkcje prostej automatyki budynkowej, przemyśl zakup takiej czujki. A jeżeli obiekt jest „większy”, to czujek może przydać się więcej, ponieważ z różnych stron budynku poziom naturalnego światła z zewnątrz może się różnić (np. część północna i południowa budynku) i sterowanie też musi być zróżnicowane.

Podsumowanie

Na tym kończymy kolejną (trzecią) część serii, która porusza sprawy związane z systemami alarmowymi. Artykuł nie wyczerpuje tematu w 100%, ale przynajmniej pozwoli nam uświadomić sobie, jak to działa od środka. Kolejna część będzie dotyczyć fałszywych alarmów, które są [niestety] nieodłączną częścią tych systemów.