降低誤報率——煙霧探測器如何通過漢堡煙霧干擾警報測試

作者 : Christoph Kämmerer,ADI現場應用工程師

本文介紹2021年6月將發佈的UL 268中新增的測試——「漢堡煙霧干擾報警測試」(hamburger nuisance alarm test),並討論如何進行新的探測器設計以通過這項新測試...

現代煙霧警報器——改良偵測性能並提高安全性

現今的建築物中配備了許多不同的感測器,不僅讓日常生活變得更加便捷,同時也能提供安全保護。除了環境感測器及智慧家庭應用(例如電力和暖氣調節)之外,與安全相關的感測器還承擔著重要的安全保護作用,其中包括煙霧警報器。煙霧警報器(smoke alarms)不可或缺,且法律規定必須配備,但市面上的許多煙霧警報器並不適合在廚房或浴室使用,因為烹飪煙霧或其他蒸汽會增加其誤報風險。誤報(false alarms)不能被低估,因為這些誤報會使用戶關閉煙霧警報器,而導致因為不必要的消防部署而產生高成本。

但是,浴室和廚房缺少煙霧警報器卻是一個嚴重問題,因為這會增加火災的風險,尤其是廚房。現代公寓中的廚房通常與客廳融合為一體,因此面臨更大的風險。現代建築中採用大量合成建築材料,一旦起火會迅速蔓延,所以為了落實正確的防火偵測,必須精準部署煙霧警報器網路。

為了滿足這些新的要求,全球許多標準都要求實施新的測試以檢測不同類型的煙霧。不同地區的標準略有不同:歐洲採用EN標準,北美採用UL標準,國際則採用ISO標準。在2021年6月將會發佈的最新版本(UL 268:第7版和UL 217:第8版)中,UL另外增加了一項測試,即「漢堡煙霧干擾報警測試」(hamburger nuisance alarm test)。在該測試中,警報器必須能夠區分漢堡肉餅和易燃聚氨酯各自產生的不同煙霧濃度。這項測試有助於降低來自廚房的誤報率。本文將介紹這項測試,並討論如何進行新的探測器設計以通過這項新測試。

聚焦漢堡煙霧干擾警報測試

這種漢堡煙霧干擾測試主要在於複製真正的烹飪煙霧。漢堡煙霧干擾警報測試的概念很簡單,但即使是現代煙霧警報器也面臨著一個挑戰:漢堡肉餅需要煎烤一定的時間。在這個過程中,會檢查確認煙霧警報器是否由上升的煙霧(在一定的時限內開始上升)觸發。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的煙霧警報器進行測試。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公尺(m)的地方放置一個光源,其光束直徑約10~15cm之間。使用波長為589nm的蒸汽燈作為光源。蒸汽燈和探測器之間的煙霧會遮蔽光線。圖1顯示參考測量設定的原理和示意圖。

Schematic illustrating the reference system

1:基於UL標準的參考系統原理圖。

將光束受煙霧遮蔽的程度與無煙環境中的參考訊號進行比較。根據減光率可以得出煙霧密度和煙霧濃度。對於相同的粒子,減光率越高,濃度就越高。當然,減光率不僅隨濃度變化,也隨粒子類型而改變。根據散射截面,不同的粒子類型之間存在明顯差異。

減光時間也與警報觸發密切相關。因此,根據該標準,在參考系統中達到一定的時間限制,或者達到遮蔽限制後將會觸發警報。因此,根據漢堡干擾警報測試規定,煎烤漢堡肉餅期間,在減光率達到大於1.5%/ft之前,不得發出警報。

在測試的第二階段將會點燃聚氨酯,用於模擬扶手椅之類的實際物體。煙霧警報器必須區分兩者之間的差異,在減光率達到5%/ft時觸發警報。

由於真正的火災煙霧和烹飪煙霧很難區分,因此這項測試非常具有挑戰性。然而,這項測試只是UL 217和UL 268中定義的眾多測試之一。幾款完全相同的煙霧警報器也必須通過此項測試,以便排除隨機的結果,確保探測器具備廣泛的高品質密度。

煙霧警報器如何通過這項測試

大多數現代煙霧警報器都採用光電工作原理。在漢堡煙霧干擾測試中,光束發射之後會被粒子反射。散射情況取決於粒子類型、粒子濃度和散射角度。煙霧警報器根據散射訊號決定是否觸發警報器。

為了通過漢堡煙霧干擾警報測試,探測器必須具備較高的訊號雜訊比(SNR),以區分漢堡肉排所產生的煙霧和其他類型的煙霧。例如ADI的ADPD188BI整合光學感測器模組,有助於煙霧警報器製造商的產品通過這項嚴苛測試。圖2顯示ADPD188BI的工作原理。

The working principle of the ADPD188BI

2整合型光學感測器模組的工作原理。

這種新型煙霧偵測整合模組殼體中包含兩個發射器LED——藍光LED波長470nm,紅外光LED波長850nm,兩個發射器都位於左側的腔室。殼體右側是一個光電二極體和類比前端。LED發射光束,煙霧粒子可將光線反射回光電二極體。此外並整合了LED驅動器,由內部時隙切換。透過這些時隙,用戶能夠調節整個前端的時序,而不必不斷地重寫暫存器。

類比前端包含一個電流-電壓轉換器以及一個環境光類比濾波器。後者由偵測恆定環境光的帶通濾波器和偵測可變環境光(例如螢光燈發出的光線)的積分器組成。之後,整合的ADC再將電壓轉換為數位訊號。

具備高整合密度的ADPD188BI煙霧感測器模組帶來了多項優勢。由於只需要少量外部元件,所以整個系統更容易校準。透過雙色光波長偵測,不僅可單獨測量單一波長,並支援分析比率構成,進一步降低了誤報率。此外,此模組也比傳統探測器體積小且功耗低。紅外光LED的工作功耗為~5μW/Hz。將LED和光電二極體完全整合到類比前端,煙霧警報器製造商就可以提供整體模組解決方案。

ADPD188BI模組的高整合度關係到漢堡煙霧干擾測試的「成功或失敗」。在固定電流下,不同LED的發光強度通常有很大的差異,因此過去都是由煙霧警報器製造商執行煙霧警報器校準。校準LED發光強度與電流之間的斜率和偏移,可以確保所有的LED維持相同的性能表現。因為LED和整個訊號路徑都整合到ADPD188BI中,所以ADI會預先校準感測器模組,這樣就可以減少元件之間的差異。由於煙霧警報器製造商可以採用預先校準的模組,因此簡化了系統設計。

然後由整合的光電二極體測量反射光。可以針對每個ADPD188BI分別確定斜率和偏移量,校準係數則儲存在晶片的非揮發性記憶體(即eFUSE暫存器)中。透過讀取這些係數,可以大幅減小晶片之間的差異。這表示可以在演算法中更精準地設定警報閾值,從而降低誤報率,最終通過UL測試。

圖3顯示ADPD188BI在標準化UL測試環境中的測試結果——圖左顯示採用漢堡煙霧測試結果,圖右則為易燃聚氨酯煙霧測試。

APDPD188BI UL test results

3APDPD188BI Ul測試結果:在無煙室中進行漢堡煙霧和易燃聚氨酯煙霧偵測。

圖中顯示在兩種情況下隨時間(X軸)變化的測試結果,左側Y軸表示ADPD188BI訊號。以功率傳輸比表示,其描述LED的工作功率與光電二極體的接收功率之間的關係。

功率傳輸比的公式如下:

equation1

此參數允許不同的模組相互比較。右側的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發出的藍光和紅外光訊號。

如圖3所示,ADPD188BI發出的兩種訊號曲線在兩種場景下有很大區別,顯示該感測器能夠清楚區分這兩種類型的煙霧。其中一個不同之處是訊號隨時間的變化,可以看出聚氨酯在220秒後達到警報閾值,時間長度是漢堡煙霧達到警報閾值的1/4(超過1,000秒後)。聚氨酯燃燒4分鐘後,可偵測到臨界值。

利用感測器較高的SNR還可清楚區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量,可用於校準偵測漢堡煙霧使用的可靠演算法,從而判斷是否通過了漢堡煙霧測試。

結論

新型整合光學煙霧偵測模組為什麼是一個重要轉捩點?

要通過這種新推出的漢堡煙霧干擾測試並不容易,因為煎烤漢堡肉餅時產生的煙霧顆粒與正常的煙霧顆粒差別不大。因此,煙霧感測器需要具備更高的SNR,才能區分漢堡肉餅產生的煙霧和其他類型的煙霧。在此過程中,感測器之間的差異低也具有決定性的作用。只有可靠地完成測量並通過測試;才能減少最終應用的煙霧感測器誤報。

例如ADI的新型整合光學煙偵測模組ADPD188BI,即是一款高度靈敏的整合感測器模組,不僅具備較高的SNR,支援雙色偵測,還能充份減少元件之間的差異,進而簡化設計和演算法開發。

*本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年1月號

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