降低誤報(bào)率——煙霧報(bào)警器如何通過漢堡包煙霧干擾報(bào)警測試
發(fā)布時(shí)間:2021-09-06 來源:Christoph K?mmerer,ADI 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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(shí)提供安全保護(hù)。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(dān)著重要的安全保護(hù)作用。其中包括煙霧報(bào)警器。煙霧報(bào)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(bào)警器并不適合在廚房或浴室使用,因?yàn)榕腼儫熎蚱渌羝麜?huì)增加其誤報(bào)風(fēng)險(xiǎn)。我們不能低估誤報(bào),他們會(huì)誘使用戶關(guān)閉煙霧報(bào)警器,并且因?yàn)椴槐匾南啦渴鸲a(chǎn)生高成本。
現(xiàn)代煙霧報(bào)警器——改進(jìn)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(shí)提供安全保護(hù)。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(dān)著重要的安全保護(hù)作用。其中包括煙霧報(bào)警器。煙霧報(bào)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(bào)警器并不適合在廚房或浴室使用,因?yàn)榕腼儫熎蚱渌羝麜?huì)增加其誤報(bào)風(fēng)險(xiǎn)。我們不能低估誤報(bào),他們會(huì)誘使用戶關(guān)閉煙霧報(bào)警器,并且因?yàn)椴槐匾南啦渴鸲a(chǎn)生高成本。
但是,浴室和廚房缺少煙霧報(bào)警器卻是一個(gè)嚴(yán)重問題,因?yàn)檫@會(huì)增加火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),尤其是廚房?,F(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(fēng)險(xiǎn)?,F(xiàn)代建筑采用大量合成建筑材料,一旦起火會(huì)迅速蔓延,所以為了準(zhǔn)確實(shí)施防火檢測,必須精準(zhǔn)部署煙霧報(bào)警器網(wǎng)絡(luò)。
全球許多標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)略有不同:歐洲采用EN標(biāo)準(zhǔn),北美采用UL標(biāo)準(zhǔn),國際則采用ISO標(biāo)準(zhǔn)。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(xiàng)測試,即漢堡包煙霧干擾報(bào)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(xiàng)測試有助于降低廚房的誤報(bào)率。本文將介紹這項(xiàng)測試,并討論如何進(jìn)行新檢測器設(shè)計(jì)以通過這項(xiàng)新測試。
聚焦UL的漢堡包煙霧干擾報(bào)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(bào)警測試的概念很簡單,但即使是現(xiàn)代煙霧報(bào)警器也面臨著一個(gè)挑戰(zhàn):漢堡肉餅需要煎烤一定的時(shí)間。在這個(gè)過程中,會(huì)檢查確認(rèn)煙霧報(bào)警器是否由上升的煙霧(在一定的時(shí)限內(nèi)開始上升)觸發(fā)。這也是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化測試,所以可以在完全相同的條件下對所有煙霧報(bào)警器進(jìn)行測試。以減光率測量值為參考基準(zhǔn)。在這項(xiàng)測試中,會(huì)在距離大約2米的地方放置一個(gè)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dāng)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(shí)間也與報(bào)警觸發(fā)密切相關(guān)。因此,根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn),在參考系統(tǒng)中達(dá)到一定的時(shí)限,或者達(dá)到遮蔽限制后將觸發(fā)報(bào)警。因此,漢堡包干擾警報(bào)測試規(guī)定,煎烤漢堡肉餅期間,在減光率達(dá)到大于1.5%/ft之前,不得發(fā)出警報(bào)。
在測試的第二階段,會(huì)點(diǎn)燃聚氨酯,用于模擬扶手椅之類的真實(shí)物體。煙霧報(bào)警器必須區(qū)分兩者之間的差異,在減光率達(dá)到5%/ft時(shí)觸發(fā)報(bào)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(xiàng)測試非常具有挑戰(zhàn)性。然而,這項(xiàng)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(gè)完全相同的煙霧報(bào)警器來通過此項(xiàng)測試,以排除隨機(jī)結(jié)果,確保檢測器具備廣泛的高質(zhì)量密度。
煙霧報(bào)警器如何通過這項(xiàng)測試
大多數(shù)現(xiàn)代煙霧報(bào)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(huì)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(bào)警器根據(jù)散射信號決定是否觸發(fā)報(bào)警器。
為了通過漢堡包煙霧干擾報(bào)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(xué)傳感器模塊,有助于煙霧報(bào)警器制造商的產(chǎn)品通過這項(xiàng)嚴(yán)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(gè)發(fā)射器LED——藍(lán)色LED波長470 nm,紅外LED波長850 nm,兩個(gè)發(fā)射器都位于左側(cè)的腔室內(nèi)。殼體右側(cè)是一個(gè)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(dòng)器,由內(nèi)部時(shí)隙切換。通過這些時(shí)隙,用戶能夠調(diào)節(jié)整個(gè)前端的時(shí)序,而不必不斷地重寫寄存器。
模擬前端包含一個(gè)電流-電壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)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(xiàng)優(yōu)勢。由于只需要少量外部組件,所以整個(gè)系統(tǒng)更容易校準(zhǔn)。通過雙色光波長檢測,不僅支持單獨(dú)測量單個(gè)波長,還支持分析比率構(gòu)成,從而進(jìn)一步降低了誤報(bào)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(bào)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(qiáng)度通常有很大的差異,因此過去都是由煙霧報(bào)警器制造商執(zhí)行煙霧報(bào)警器校準(zhǔn)。校準(zhǔn)LED發(fā)光強(qiáng)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?yàn)長ED和整個(gè)信號路徑都集成到ADPD188BI中,所以ADI公司會(huì)預(yù)先校準(zhǔn)傳感器模塊,這樣就可以減少器件之間的差異。由于煙霧報(bào)警器制造商可以采用預(yù)先校準(zhǔn)的模塊,因此簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
ADI公司使用的校準(zhǔn)方法是直接校準(zhǔn)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??梢葬槍γ總€(gè)ADPD188BI分別確定斜率和偏移量,校準(zhǔn)系數(shù)則存儲(chǔ)在芯片的非易失性存儲(chǔ)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(bào)警閾值,從而降低誤報(bào)率,最終通過UL測試。
圖3顯示ADPD188BI在標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(shí)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(lán)色和紫色曲線分別為ADPD188BI發(fā)出的藍(lán)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(gè)不同之處是信號隨時(shí)間的變化,可以看出,聚氨酯在220秒后達(dá)到報(bào)警閾值,時(shí)間長度是漢堡煙霧達(dá)到報(bào)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(biāo)記。
此外,ADPD188BI測量兩種波長,兩者的比率是另一個(gè)參數(shù)量,可用于校準(zhǔn)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(xué)煙霧檢測模塊是一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)
新推出的漢堡包煙霧干擾測試很難通過,因?yàn)榧蹇緷h堡肉餅時(shí)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(gè)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(bào)。ADI公司的新型集成光學(xué)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(jì)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(xué),獲得物理學(xué)碩士學(xué)位。然后在利默里克市ADI公司擔(dān)任工藝開發(fā)實(shí)習(xí)生。2016年12月培訓(xùn)生項(xiàng)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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