Jak działa czujka ruchu PIR? Budowa, parametry i skuteczne zastosowanie w alarmach

Czujki PIR to nieodzowny element nowoczesnych systemów alarmowych. Dzięki zdolności wykrywania ruchu na podstawie zmian promieniowania cieplnego, zapewniają skuteczną ochronę domów i firm. W tym artykule wyjaśniamy, jak działają, z czego się składają i na co zwrócić uwagę przy ich wyborze oraz montażu.

Co to jest czujka ruchu PIR i jak działa?

Najpowszechniej stosowanymi w systemach alarmowych czujkami ruchu są czujki typu PIR. Stosowany w dalszej części artykułu skrót PIR pochodzi z angielskiego „Passive Infra Red detector”, czyli czujka pasywnej podczerwieni.

Działanie czujki PIR

Każdy obiekt wokół nas jest źródłem niewidzialnego dla nieuzbrojonego oka ludzkiego promieniowania cieplnego. Promieniowanie cieplne mieści się z kolei w zakresie promieniowania podczerwonego. Zasada działania czujki opiera się o to zjawisko.

W sytuacji w której mamy do czynienia z poruszającym się źródłem promieniowania cieplnego, którego temperatura istotnie odróżnia się od temperatury jego tła, czujka typu PIR jest w stanie wykryć zaistniałą zmianę termiczną.

Tak więc czujka ruchu PIR jest „odbiornikiem” promieniowania. „Nadajnikami” zaś są obiekty znajdujące się w polu widzenia czujki, np. ludzie.

Czujka nie musi w żaden sposób zasilać „nadajników”. Dlatego mówimy tu o wykrywaniu pasywnej podczerwieni, odmiennie niż to ma miejsce w przypadku barier, które aktywnie zasilają zarówno nadajniki jak i odbiorniki wiązek podczerwieni.

Podkreślam, że czujka PIR wykrywa ruch obiektu o temperaturze innej niż temperatura otoczenia. I tak siedząca nieruchomo osoba, mimo tego że będzie znajdowała się w polu widzenia czujki, nie zostanie przez nią wykryta. Zauważone zostanie dopiero jej przemieszczenie (ruch). Dla czujki nie ma przy tym znaczenia, czy poruszać będzie się człowiek, czy np. masa ogrzanego powietrza.

Budowa czujki PIR

Sercem urządzenia jest niepozorny pyroelement. Niewielki element elektroniczny którego zadaniem jest pomiar promieniowana podczerwonego i detekcja różnicy temperatur w różnych punktach obserwowanego obrazu termicznego. W czujkach stosowane są pojedyncze, podwójne, a nawet poczwórne pyroelementy.

Obraz termiczny padający na okienko pyroelementu jest wcześniej kształtowany przez zespół soczewek lub specjalnie zaprojektowane lustro czujki. Dzięki nim obraz podzielony jest na sektory. Przemieszczenie obiektu o innej temperaturze niż temperatura otoczenia z jednego sektora do drugiego skutkuje wykryciem przez pyroelement ruchu.

Sygnały elektryczne z pyroelementu są najczęściej analizowane przez specjalizowany układ scalony, który na wyjściu daje prostą informację: wykrycie ruchu lub brak wykrycia ruchu. Technika mikroprocesorowa pozwoliła na udoskonalenie procesu obróbki sygnału elektrycznego z pyroelementu, co przekłada się m.in. na lepsze filtrowanie tzw. fałszywych naruszeń czujki.

Całość zamknięta jest w obudowie z tworzywa sztucznego zabezpieczonej przed nieautoryzowanym dostępem złączem/stycznikiem sabotażowym.

Naturalnie specyficzne rozwiązania mogą wymagać dodatkowych elementów. Mowa tu chociażby o radiowym module nadawczo-odbiorczym w przypadku czujek bezprzewodowych, czy module adresacji w przypadku czujek komunikujących się bezpośrednio z magistralą centralki alarmowej.

Szczególnie wnikliwego czytelnika mogą zainteresować dostępne w internecie schematy i opisy działania. Np. poglądowa konstrukcja czujki zbudowanej z wykorzystaniem przetwornika RE200D i układu KC778B.

Jakie parametry użytkowe mają czujki PIR?

Dwa główne parametry użytkowe czujki PIR wiążą się z jej polem widzenia.

Są nimi:

• kąt widzenia,
• i zasięg widzenia.

Biorąc pod uwagę kąt widzenia, najczęściej spotkamy się z opcją szerokokątną (ok. 90 stopni) i wąskokątną/kurtynową (ok. 50 stopni lub mniej). Rzadziej spotykane urządzenia przewidziane do montażu sufitowego oferują widzenie dookólne (360 stopni). Jeszcze inne mogą mieć charakterystykę mieszaną: kurtyny o mniejszym zasięgu obejmują patrzenie szerokokątne, zaś kurtyny o większym zasięgu wąskokątne. Kluczowy wpływ na kształtowanie kąta widzenia mają soczewki/lustra czujki.

Zasięg widzenia, w pewnym uproszczeniu, to odległość która jeszcze zapewnia wykrycie ruchu obiektu emitującego promieniowanie podczerwone. Warto zdać sobie sprawę, że wyznaczenie tego parametru wiąże się z koniecznością określenia jak duża będzie to emisja energii cieplnej i na ile temperatura obiektu będzie się różniła od temperatury tła. Jest to zatem parametr wyznaczonych w określonych warunkach, które mogą się różnić od warunków w których sami dokonamy sprawdzenia. Przeciętnie będzie to 10-15 m dla widzenia szerokokątnego i 20-25 m dla widzenia wąskokątnego. W niedużych pomieszczeniach można zmniejszyć zasięg (wiele czujek pozwala zmienić nastawę zasięgu/czułości) np. do 7m, a w przypadku zastosowań zewnętrznych dostępne są czujki o zasięgu kurtyny wynoszącym nawet 50m.

Biorąc pod uwagę powyższe, zalecane jest sprawdzenie działania czujki PIR po jej zamontowaniu i to w warunkach z jakimi będziemy mieli zazwyczaj do czynienia w zabezpieczanym obiekcie. W tym celu wygodnie jest włączyć w czujce diodę sygnalizującą wykrycie ruchu i sprawdzić jak reaguje na zmiany termiczne i ruch w rzeczywistych warunkach. Po przeprowadzeniu testu można wyłączyć diodę.

Jeżeli w trakcie eksploatacji urządzenia będzie ono powodowało alarmy fałszywe, można skorygować jego pracę poprzez zmianę dostępnych nastaw czułości oraz korektę optyki.

Zrozumienie istoty zasięgu będzie łatwiejsze, gdy uświadomimy sobie, że moc promieniowanie podczerwonego docierającego do pyroelementu jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości źródła promieniowania od pyroelementu. Jeśli zatem z odległości 1m do czujki dociera określona ilość promieniowania cieplnego, to z odległości 2m będzie ona już czterokrotnie mniejsza. Zatem wykres mocy i odległości będzie parabolą. Nie jest zatem tak, że przykładowa czujka zobaczy poruszającego się człowieka z odległości np. 10m, a jeśli oddali się on na 11m to nie będzie miała prawa go widzieć. Ta zmiana nie jest skokowa, choć patrząc na wykres paraboliczny można ją w ten sposób przybliżać/aproksymować.

Istotnymi parametrami czujki będą też:

• dopuszczalna wysokość montażu,
• zabezpieczenie strefy „podejścia”.

Gdzie montować czujkę PIR i jak uniknąć błędów?

Ze względu na charakterystykę soczewek/luster czujki, nie można jej zamontować na dowolnej wysokości. Zwykle jest to przedział wynoszący 2-2,5m.

Strefa „podejścia” czujki, to obszar znajdujący się bezpośrednie pod nią. W zależności od konkretnego modelu obszar ten może być różny. Wpływ mają tu również soczewki/lustra, ale i konstrukcja obudowy. Każdorazowo należy zapoznać się z charakterystykami widzenia dostępnymi w instrukcji montażowej i odpowiednio dobrać miejsce montażu. W ogólności można przyjąć, że czujka nie widzi lub widzi słabiej bezpośrednio pod samą sobą.

Wybrane parametry specjalne:

• „odporność” na zwierzęta,
• dopuszczalne warunki pracy (głównie w zakresie pracy zewnętrznej),
• zabezpieczenie przeciwsabotażowe,
• klasa czujki.

Czujki PIR odporne na zwierzęta i do zadań specjalnych

Zwłaszcza pośród właścicieli czworonogów dużym zainteresowaniem cieszą się czujki „odporne” na zwierzęta. Np. na takie które zignorują zwierzęta do 25 kg, czy nawet do 40 kg. Jest to parametr stanowiący jedynie przybliżenie, gdyż w najlepszym razie czujka może co najwyżej brać pod uwagę:

• intensywność promieniowania podczerwonego (mniejsze zwierzę w ogólności generuje mniej ciepła, a więc mniejsza czułość zmniejszy prawdopodobieństwo wykrycia ruchu),
• rozmiary czworonoga (odpowiednie ukształtowanie optyki i zwiększenie wysokości montażu pozwalają uniknąć widzenia zwierząt przy samej podłodze),
• charakterystykę ruchu (zwierzęta poruszają się nieco inaczej niż ludzie).

Warto mieć na uwadze, iż czujka „odporna” na zwierzęta nie w każdym miejscu może być zainstalowana. Np. montaż PIRa patrzącego bezpośrednio na schody  po których może poruszać się pies zwiększa istotnie prawdopodobieństwo jego wykrycia. Podobnie młody i pełen energii kociak może zechcieć wspinać się po zasłonach i w ten sposób znaleźć się w bezpośrednim sąsiedztwie czujki.

Jeśli czujka PIR ma pracować na zewnątrz należy upewnić się, że jest do takich warunków przygotowana. Zarówno temperaturowo/wilgotonościowo, jak i w obszarze samej klasy IP.

Standardowo czujki zabezpieczone są przed nieautoryzowanym otwarciem obudowy stycznikiem sabotażowym. Urządzenia przewodowe mają również zabezpieczony przed sabotażem kabel sygnałowy. Rozwiązania specjalne oferują też inne możliwości: np. funkcję antymaskingu, która pomaga wykryć próby sabotażu urządzenia polegające na jego przesłonięciu.

Do wybranych zastosować mogą być wymagane czujki mieszczące się w odpowiedniej klasie zabezpieczenia (wtedy gdy system zabezpieczający obiekt musi posiadać określoną przez przepisy lub projektanta klasę). Zazwyczaj będzie to tzw. druga lub trzecia klasa zabezpieczenia (grade 2 lub grade 3).

W jednym z kolejnych artykułów omówię konkretne przykłady popularnych czujek i ich zastosowania. Przeanalizuję również dane techniczne wybranej czujki w oparciu o notę katalogową producenta.