В своей предыдущей статье я рассказал в целом про проблему безопасности банкоматов и немного про свой опыт разработки устройства обеспечения этой самой безопасности. Сегодня расскажу про понятие нижнего концентрационного предела распространения пламени, попытку сделать датчик вибрации на акселерометре, покажу фотографии с испытаний, ну и чуть-чуть по мелочам… В конце статьи будет видеоролик по теме, с демонстрацией работы прибора стороннего производителя и даже небольшим взрывом банкомата. Прибор-то в итоге получился, но слишком поздно: конкуренты, профессионально работающие в этой области, оказались проворнее и дешевле, да и тенденция взрывов, кажется, идет на спад.
Немного про взрывоопасные газы
У некоторых пользователей, как мне показалось из комментариев, есть недопонимание физики газов. Остановлюсь немного подробнее на том, зачем устанавливается датчик газа в прибор защиты банкомата.
НКПРП и ВКПРП
Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (НКПРП и ВКПРП) — минимальная (максимальная) концентрация горючего вещества (газа, паров горючей жидкости) в однородной смеси с окислителем (воздух, кислород и др.) при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания (открытое внешнее пламя, искровой разряд).
Если концентрация горючего вещества в смеси меньше нижнего предела распространения пламени, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если концентрация горючего вещества в смеси находится между нижним и верхним пределами распространения пламени, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной. Чем шире будет диапазон пределов распространения пламени (называемых также пределами воспламеняемости и пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. Если концентрация горючего вещества в смеси превышает верхний предел распространения пламени, то количества окислителя в смеси недостаточно для полного сгорания горючего вещества.
На значения НКПРП и ВКПРП оказывают влияние следующие факторы:
— Свойства реагирующих веществ;
— Давление (обычно повышение давления не сказывается на НКПРП, но ВКПРП может сильно возрастать);
— Температура (повышение температуры расширяет КПРП за счёт увеличения энергии активации);
— Негорючие добавки — флегматизаторы;
Внесение в смесь флегматизатора понижает значение ВКПРП практически пропорционально его концентрации вплоть до точки флегматизации, где верхний и нижний пределы совпадают. НКПРП при этом повышается незначительно.
Источник: Концентрационные пределы распространения пламени (Wiki)
Если концентрация горючего вещества в смеси меньше нижнего предела распространения пламени, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если концентрация горючего вещества в смеси находится между нижним и верхним пределами распространения пламени, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной. Чем шире будет диапазон пределов распространения пламени (называемых также пределами воспламеняемости и пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. Если концентрация горючего вещества в смеси превышает верхний предел распространения пламени, то количества окислителя в смеси недостаточно для полного сгорания горючего вещества.
На значения НКПРП и ВКПРП оказывают влияние следующие факторы:
— Свойства реагирующих веществ;
— Давление (обычно повышение давления не сказывается на НКПРП, но ВКПРП может сильно возрастать);
— Температура (повышение температуры расширяет КПРП за счёт увеличения энергии активации);
— Негорючие добавки — флегматизаторы;
Внесение в смесь флегматизатора понижает значение ВКПРП практически пропорционально его концентрации вплоть до точки флегматизации, где верхний и нижний пределы совпадают. НКПРП при этом повышается незначительно.
Источник: Концентрационные пределы распространения пламени (Wiki)
Обычно произносятся более короткие аббревиатуры «НКПР» и «ВКПР».
На практике большее значение имеет НКПР, т.к пока концентрация не достигла этого уровня, взрыва не произойдет, на основе этого и работает большинство систем безопасности промышленных объектов. Кому интересно, вот справочная таблица газов и паров где указаны значения НКПР для большинства газов.
Сигнализаторы довзрывоопасных концентраций обычно настраиваются на некий порог от 10 до 20 % НКПР, что позволяет заблаговременно выявить утечку взрывоопасного газа. Таким образом, сигнализатор, настроенный на 10 % НКПР внутри сейфа банкомата даст небольшой запас по времени для реагирования группе охраны. Конечно время там будет исчислять десятками секунд, может минутами, но все же это лучше, чем сработавшая постфактум сигнализация, когда уже произошел взрыв. Сигнал с этого датчика можно комбинировать с другими видами защиты: от громкой сирены, которая может банально спугнуть грабителей, до баллона с флегматизатором, который сделает взрыв невозможным.
Отсюда же следует и еще один момент: почему нельзя делать периодическую искру, как предлагали некоторые пользователи. Пока концентрация газа внутри объема банкомата меньше 100 % НКПР, поджог смеси ни к чему не приведет, а как только концентрация превысит этот порог, произойдет взрыв. В данном случае неизбежны внутренние повреждения. Да и кто вообще даст гарантию, что данной энергии будет недостаточно для вскрытия дверки сейфа? Короче так делать нельзя.
Датчик вибрации
Конечно, у нас была надежда одним акселерометром убить двух зайцев: отслеживать и наклон и вибрацию. Специалисты Компэл любезно помогли нам с выбором акселерометра, предложив вариантность:
Анатолий, наш инженер рекомендует выбрать новый акслерометр. LIS331DLH самый старый и дорогой.Мы выбрали LIS2DH12 и сразу заказали к нему отладочные платы для экспериментов. В комплекте к отладочному набору было весьма навороченное ПО, в котором можно было в реальном времени наблюдать графики по каждой из осей, делать преобразование Фурье и т.д.
Вот видео от ST с этим комплектом:
С таким набором я пытался понять, можно ли акселерометром в достаточной мере почувствовать вибрацию от воздействия инструмента. Прям в таком виде крепили на стенку сейфа подопытного банкомата и сверлили / пилили.
Такой акселерометр способен выдавать до 5.3 килоcэмплов в секунду, соответственно частота Найквиста будет 2.7 кГц. Чисто теоретически, этого бы хватило для того, чтобы перекрыть диапазон вибрации, создаваемой инструментом, но в реальности мы получили слишком маленькую чувствительность.
Частота Найквиста
Частота Найквиста — в цифровой обработке сигналов частота, равная половине частоты дискретизации. Названа в честь Гарри Найквиста.
Из теоремы Котельникова следует, что при дискретизации аналогового сигнала потерь информации не будет только в том случае, если (спектральная плотность) наивысшая частота полезного сигнала равна половине или меньше частоты дискретизации (в англоязычной литературе под обозначением половины частоты дискретизации употребляют термин частота Найквиста). В противном случае при восстановлении аналогового сигнала будет иметь место наложение спектральных «хвостов» (подмена частот, маскировка частот, алиасинг), и форма восстановленного сигнала будет искажена. Если спектр сигнала не имеет составляющих выше частоты Найквиста, то сигнал может быть (теоретически) продискретизирован и затем восстановлен без искажений. Фактически «оцифровка» сигнала (превращение аналогового сигнала в цифровой) сопряжена с квантованием отсчётов — каждый отсчёт записывается в виде цифрового кода конечной разрядности, в результате чего к отсчетам добавляются ошибки квантования (округления), при определенных условиях рассматриваемые как «шум квантования».
Реальные сигналы конечной длительности всегда имеют бесконечно широкий спектр, более или менее быстро убывающий с ростом частоты. Поэтому дискретизация сигналов всегда приводит к потерям информации (искажению формы сигнала при дискретизации—восстановлении), как бы ни была высока частота дискретизации. При выбранной частоте дискретизации искажение можно уменьшить, если обеспечить подавление спектральных составляющих аналогового сигнала (до дискретизации), лежащих выше частоты Найквиста, для чего требуется противоподменный фильтр очень высокого порядка, чтобы избежать наложения «хвостов». Практическая реализация такого фильтра весьма сложна, так как амплитудно-частотные характеристики фильтров имеют не прямоугольную, а гладкую форму, и образуется некоторая переходная полоса частот между полосой пропускания и полосой подавления. Поэтому частоту дискретизации выбирают с запасом
Источник: Частота Найквиста (Wiki)
Из теоремы Котельникова следует, что при дискретизации аналогового сигнала потерь информации не будет только в том случае, если (спектральная плотность) наивысшая частота полезного сигнала равна половине или меньше частоты дискретизации (в англоязычной литературе под обозначением половины частоты дискретизации употребляют термин частота Найквиста). В противном случае при восстановлении аналогового сигнала будет иметь место наложение спектральных «хвостов» (подмена частот, маскировка частот, алиасинг), и форма восстановленного сигнала будет искажена. Если спектр сигнала не имеет составляющих выше частоты Найквиста, то сигнал может быть (теоретически) продискретизирован и затем восстановлен без искажений. Фактически «оцифровка» сигнала (превращение аналогового сигнала в цифровой) сопряжена с квантованием отсчётов — каждый отсчёт записывается в виде цифрового кода конечной разрядности, в результате чего к отсчетам добавляются ошибки квантования (округления), при определенных условиях рассматриваемые как «шум квантования».
Реальные сигналы конечной длительности всегда имеют бесконечно широкий спектр, более или менее быстро убывающий с ростом частоты. Поэтому дискретизация сигналов всегда приводит к потерям информации (искажению формы сигнала при дискретизации—восстановлении), как бы ни была высока частота дискретизации. При выбранной частоте дискретизации искажение можно уменьшить, если обеспечить подавление спектральных составляющих аналогового сигнала (до дискретизации), лежащих выше частоты Найквиста, для чего требуется противоподменный фильтр очень высокого порядка, чтобы избежать наложения «хвостов». Практическая реализация такого фильтра весьма сложна, так как амплитудно-частотные характеристики фильтров имеют не прямоугольную, а гладкую форму, и образуется некоторая переходная полоса частот между полосой пропускания и полосой подавления. Поэтому частоту дискретизации выбирают с запасом
Источник: Частота Найквиста (Wiki)
Да и адекватного расчета угла наклона на такой частоте дискретизации у нас не получилось, слишком большие шумы. Поэтому частоту работы акселерометра мы снизили до 50 Гц и спокойно получаем с него угол наклона, а роль датчика вибрации выполняет массивная металлическая пластина с пьезоблоком.
Что хотелось бы упомянуть касаемо особенностей алгоритма работы датчика вибрации… Вот выдержка из руководства по эксплуатации одного из извещателей, представленных на рынке. Отсюда следует, что сверлить/стучать можно, но не чаще, чем раз в 10 секунд, тогда извещатель не сработает — такая вот защита от одиночных ударов. Правда за силу этого одиночного удара и интенсивность сверления отвечать не возьмусь, возможно там настроен некий порог, при превышении которого извещатель все же сработает.Испытания
На испытания мы приезжали к службе безопасности банка, нам выкатывали старый банкомат вот в таком виде (он же на фото в шапке, только закрытый):
Багажник моей машины на тот момент выглядел так:
Крепились на стенку сейфа, питались от аккумулятора:
Вот в таком виде мы отлаживались и проводили необходимые нам испытания: подавали газ, сверлили, дымили, наклоняли и т.д. Взорвать банкомат, к сожалению, а может к счастью, нам не дала служба безопасности.
На опытную эксплуатацию нам выделили боевой банкомат в одном из отделений города рядом с трамвайными путями. Предполагалось оценить, буду ли проходящие мимо трамваи приводить к ложным срабатываниям: рельсы у нас в городе убитые, и большинство трамваев старые — земля содрогается при их приближении. Но в целом за месяц работы прибора нареканий не было.
На этом пожалуй закончу свой рассказ. Хороший получился прибор, но навряд ли удастся его продавать в силу определенных обстоятельств и конкуренции.
Интересное видео напоследок
Дисклеймер: Следующий ролик снят как рекламный, но я посчитал его познавательным и хорошо вписывающимся в тематику статьи. Я никоим образом не отношусь к данной фирме.
Всем спасибо за внимание.
