現(xiàn)代煙霧報警器——改進檢測性能并提高安全性

 

如今的樓宇建筑配備了許多不同的傳感器，讓日常生活更加便捷，同時提供安全保護。除了環(huán)境傳感器和智能家居應(yīng)用（例如電力和供暖調(diào)節(jié)）之外，與安全相關(guān)的傳感器還承擔著重要的安全保護作用。其中包括煙霧報警器。煙霧報警器不可或缺，且法律規(guī)定必須配備，但市面上的許多煙霧報警器并不適合在廚房或浴室使用，因為烹飪煙汽或其他蒸汽會增加其誤報風險。我們不能低估誤報，他們會誘使用戶關(guān)閉煙霧報警器，并且因為不必要的消防部署而產(chǎn)生高成本。

 

但是，浴室和廚房缺少煙霧報警器卻是一個嚴重問題，因為這會增加火災(zāi)風險，尤其是廚房。現(xiàn)代公寓中的廚房通常與起居室融為一體，因此面臨更大的風險。現(xiàn)代建筑采用大量合成建筑材料，一旦起火會迅速蔓延，所以為了準確實施防火檢測，必須精準部署煙霧報警器網(wǎng)絡(luò)。

 

全球許多標準都要求通過新測試檢測不同類型的煙霧，以滿足這些新要求。不同地區(qū)的標準略有不同：歐洲采用EN標準，北美采用UL標準，國際則采用ISO標準。在2021年6月發(fā)布的最新版本（UL 268：第7版和UL 217：第8版）中，UL新增一項測試，即漢堡包煙霧干擾報警測試。在該測試中，必須能夠區(qū)分漢堡包肉餅產(chǎn)生的煙霧濃度和易燃聚氨酯產(chǎn)生的煙霧濃度。這項測試有助于降低廚房的誤報率。本文將介紹這項測試，并討論如何進行新檢測器設(shè)計以通過這項新測試。

 

聚焦UL的漢堡包煙霧干擾報警測試

 

這種漢堡包煙霧干擾測試旨在復(fù)制真正的烹飪煙霧。漢堡包煙霧干擾報警測試的概念很簡單，但即使是現(xiàn)代煙霧報警器也面臨著一個挑戰(zhàn)：漢堡肉餅需要煎烤一定的時間。在這個過程中，會檢查確認煙霧報警器是否由上升的煙霧（在一定的時限內(nèi)開始上升）觸發(fā)。這也是一項標準化測試，所以可以在完全相同的條件下對所有煙霧報警器進行測試。以減光率測量值為參考基準。在這項測試中，會在距離大約2米的地方放置一個光源，其光束直徑在10到15厘米之間。使用波長為589 nm的蒸汽燈作為光源。蒸汽燈和檢測器之間的煙霧會遮蔽光線。圖1顯示參考測量設(shè)置的原理和示意圖。

 

圖1.基于UL標準的參考系統(tǒng)原理圖。

 

將光束受煙霧遮蔽的程度與無煙環(huán)境中的參考信號進行比較。可以根據(jù)減光率，得出煙霧密度和煙霧濃度。對于同樣的粒子，減光率越高，濃度越高。當然，減光率不僅隨濃度變化，也隨粒子類型變化。根據(jù)散射截面，不同的粒子類型存在明顯差異。

 

減光時間也與報警觸發(fā)密切相關(guān)。因此，根據(jù)該標準，在參考系統(tǒng)中達到一定的時限，或者達到遮蔽限制后將觸發(fā)報警。因此，漢堡包干擾警報測試規(guī)定，煎烤漢堡肉餅期間，在減光率達到大于1.5%/ft之前，不得發(fā)出警報。

 

在測試的第二階段，會點燃聚氨酯，用于模擬扶手椅之類的真實物體。煙霧報警器必須區(qū)分兩者之間的差異，在減光率達到5%/ft時觸發(fā)報警。

 

由于真正的火災(zāi)煙霧和烹飪煙霧很難區(qū)分，因此這項測試非常具有挑戰(zhàn)性。然而，這項測試只是UL 217和UL 268中定義的眾多測試之一。還必須使用多個完全相同的煙霧報警器來通過此項測試，以排除隨機結(jié)果，確保檢測器具備廣泛的高質(zhì)量密度。

 

煙霧報警器如何通過這項測試

 

大多數(shù)現(xiàn)代煙霧報警器都采用光電工作原理。在漢堡包煙霧干擾測試中，光束發(fā)射之后會被粒子反射。散射情況取決于粒子類型、粒子濃度和散射角度。煙霧報警器根據(jù)散射信號決定是否觸發(fā)報警器。

 

為了通過漢堡包煙霧干擾報警測試，檢測器必須具備較高的信噪比，以區(qū)分漢堡煙霧和其他類型的煙霧。

 

ADI公司的ADPD188BI集成光學傳感器模塊，有助于煙霧報警器制造商的產(chǎn)品通過這項嚴苛測試。圖2顯示ADPD188BI的工作原理。

 

圖2.ADPD188BI的工作原理。

 

這種新型煙霧檢測集成模塊殼體中包含兩個發(fā)射器LED——藍色LED波長470 nm，紅外LED波長850 nm，兩個發(fā)射器都位于左側(cè)的腔室內(nèi)。殼體右側(cè)是一個光電二極管和模擬前端。LED發(fā)射光束，煙霧粒子將光束反射回光電二極管。此外還集成了LED驅(qū)動器，由內(nèi)部時隙切換。通過這些時隙，用戶能夠調(diào)節(jié)整個前端的時序，而不必不斷地重寫寄存器。

 

模擬前端包含一個電流-電壓轉(zhuǎn)換器和一個環(huán)境光模擬濾波器。后者由檢測恒定環(huán)境光的帶通濾波器和檢測可變環(huán)境光（例如熒光燈發(fā)出的光線）的積分器組成。之后，集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

 

ADPD188BI煙霧傳感器模塊具備高集成密度，具有多項優(yōu)勢。由于只需要少量外部組件，所以整個系統(tǒng)更容易校準。通過雙色光波長檢測，不僅支持單獨測量單個波長，還支持分析比率構(gòu)成，從而進一步降低了誤報率。此外，此模塊比傳統(tǒng)檢測器體積小，功耗低。紅外LED的工作功耗為~5 μW/Hz。將LED和光電二極管完全集成到模擬前端，煙霧報警器制造商就可以提供整體模塊解決方案。

 

ADPD188BI模塊的高度集成關(guān)系到漢堡包煙霧干擾測試的“成與敗”。在固定電流下，不同LED的發(fā)光強度通常有很大的差異，因此過去都是由煙霧報警器制造商執(zhí)行煙霧報警器校準。校準LED發(fā)光強度與電流之間的斜率和偏移，可以確保所有LED保持具有相同的性能表現(xiàn)。因為LED和整個信號路徑都集成到ADPD188BI中，所以ADI公司會預(yù)先校準傳感器模塊，這樣就可以減少器件之間的差異。由于煙霧報警器制造商可以采用預(yù)先校準的模塊，因此簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

 

ADI公司使用的校準方法是直接校準LED的斜率和偏移。所以，將ADPD188BI放置在反射器下方，然后由集成的光電二極管測量反射光。可以針對每個ADPD188BI分別確定斜率和偏移量，校準系數(shù)則存儲在芯片的非易失性存儲器（即eFUSE寄存器）中。通過讀取這些系數(shù)，可以盡可能地減小芯片之間的差異。這意味著可以在算法中更精確地設(shè)置報警閾值，從而降低誤報率，最終通過UL測試。

 

圖3顯示ADPD188BI在標準化UL測試環(huán)境中的測試結(jié)果——一次為漢堡煙霧（左），一次為易燃聚氨酯煙霧（右）。

 

圖3.APDPD188BI Ul測試結(jié)果：在無煙室中進行漢堡煙霧和易燃聚氨酯煙霧檢測。

 

圖中顯示在兩種情況下隨時間（X軸）變化的測試結(jié)果，左側(cè)Y軸表示ADPD188BI信號。以功率傳輸比表示，其描述LED的工作功率與光電二極管的接收功率之間的關(guān)系。功率傳輸比公式如下：

 

 

此參數(shù)允許不同的模塊相互比較。而右側(cè)的Y軸表示減光率（單位：%/ft）。綠色曲線為UL參考光束，藍色和紫色曲線分別為ADPD188BI發(fā)出的藍光和紅外信號。

 

如圖3所示，ADPD188BI發(fā)出的兩種信號曲線在兩種場景下有很大區(qū)別，說明該傳感器能夠清楚區(qū)分這兩種類型的煙霧。其中一個不同之處是信號隨時間的變化，可以看出，聚氨酯在220秒后達到報警閾值，時間長度是漢堡煙霧達到報警閾值的1/4（超過1000秒后）。聚氨酯燃燒4分鐘后，可檢測到臨界水平。

 

如圖所示，利用傳感器的高信噪比還可清楚區(qū)分和記錄粒子濃度的變化，例如，在易燃聚氨酯測試中，斜率突然增加。如圖3中的紅色標記。

 

此外，ADPD188BI測量兩種波長，兩者的比率是另一個參數(shù)量，可用于校準檢測漢堡煙霧使用的可靠算法，從而判斷是否通過了漢堡包煙霧測試。

 

結(jié)論

 

為什么說新型集成光學煙霧檢測模塊是一個重要轉(zhuǎn)折點

 

新推出的漢堡包煙霧干擾測試很難通過，因為煎烤漢堡肉餅時產(chǎn)生的煙霧顆粒與正常的煙霧顆粒差別不大。所以，煙霧傳感器需要具備高信噪比，以區(qū)分漢堡肉餅產(chǎn)生的煙霧和其他類型的煙霧。在這個過程中，傳感器之間的低差異具有決定性的作用。只有可靠地完成測量并通過測試；才能減少最終應(yīng)用中的煙霧傳感器誤報。ADI公司的新型集成光學煙霧檢測模塊ADPD188BI是一款高度靈敏的集成傳感器模塊，不僅具備高信噪比，支持雙色檢測，還能充分減少器件之間的差異，從而簡化了設(shè)計和算法開發(fā)。

 

作者簡介

 

自2015年2月至今，Christoph Kämmerer一直在德國ADI公司任職。他于2014年畢業(yè)于埃爾朗根-紐倫堡大學，獲得物理學碩士學位。然后在利默里克市ADI公司擔任工藝開發(fā)實習生。2016年12月培訓生項目結(jié)束后，Christoph正式成為ADI公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師，專門針對新興應(yīng)用領(lǐng)域。聯(lián)系方式：christoph.kaemmerer@analog.com。

 

 

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