Eine optische Sensorslösung zur Minimierung von Fehlalarmen in Rauchmeldern

Die Verringerung von Fehlalarmen bei Rauchmeldern senkt die Nutzungsraten und erhöht die Kosten für die Brandbekämpfung

Moderne Gebäude verfügen über zahlreiche verschiedene Sensoren, die den Alltag erleichtern und gleichzeitig Schutz bieten. Neben Umweltsensoren und Smart-Home-Anwendungen wie der Regelung von Strom und Heizung nehmen sicherheitsrelevante Sensoren eine wichtige Rolle ein. Rauchmelder gehören zu diesen Sensoren. Rauchmelder sind essenziell und gesetzlich vorgeschrieben, jedoch sind viele auf dem Markt erhältliche Rauchmelder für den Einsatz in Küchen oder Badezimmern nicht geeignet, da dort ein erhöhtes Risiko für Fehlalarme durch Kochdämpfe oder Dampf besteht. Fehlalarme sollten nicht unterschätzt werden, da sie Nutzer dazu verleiten können, Rauchmelder auszuschalten, und hohe Kosten durch unnötige Feuerwehreinsätze verursachen können.   Das Fehlen von Rauchmeldern in Badezimmern und Küchen ist jedoch ein ernstes Problem, da das Brandpotenzial, insbesondere in Küchen, hoch ist. Dies stellt ein noch größeres Risiko in modernen Wohnungen dar, da die Küche häufig in das Wohnzimmer integriert ist. In modernen Umgebungen mit großen Mengen an synthetischen Baumaterialien breiten sich Brände schnell aus, weshalb ein engmaschigeres Netz an Rauchmeldern wichtig ist, um Brände präzise zu erkennen.   Weltweit versuchen Normen, diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, indem sie in neuen Tests die Erkennung verschiedener Raucharten vorschreiben. Unterschiedliche Regionen haben leicht abweichende Vorschriften: In Europa gilt EN, in Nordamerika UL, und international ISO. In den neuesten Ausgaben, die im Juni 2021 veröffentlicht werden (UL 268: 7. Ausgabe und UL 217: 8. Ausgabe), hat UL einen zusätzlichen Test eingeführt, den sogenannten „Hamburger-Nuisance-Alarm-Test“. In diesem Test muss eine definierte Konzentration von Hamburger-Patties-Rauch von einer definierten Konzentration von brennendem Polyurethan unterschieden werden. Dieser Test soll dazu beitragen, die Fehlalarmrate in Küchen zu senken.

ULs Hamburger-Störalarm-Test

Dieser Test zur Belästigung durch Hamburger wurde entwickelt, um echten Kochrauch nachzubilden. Das Konzept hinter dem Hamburger-Belästigungsalarmtest ist einfach, doch selbst moderne Rauchmelder stehen vor einer Herausforderung – ein Hamburger-Patty wird für eine bestimmte Zeit gegrillt. Dabei wird geprüft, ob der Rauchmelder durch den aufsteigenden Rauch (ab einem definierten Grenzwert) ausgelöst wird. Dieser Test ist natürlich standardisiert, sodass alle Rauchmelder unter identischen Bedingungen getestet werden können. Als Referenz wird die Verdunkelungs-Messung herangezogen. Für diesen Test wird eine Lichtquelle mit einem Lichtstrahl von einem Durchmesser von 10 cm bis 15 cm in einem Abstand von ungefähr 2 m aufgestellt. Als Lichtquelle kommt eine Dampflampe mit einer definierten Wellenlänge von 589 nm zum Einsatz. Rauch, der sich zwischen der Lampe und dem Detektor befindet, verdunkelt das Licht.   Die Verdunkelung des Lichtstrahls durch den Rauch wird mit dem Referenzsignal in einem rauchfreien Raum verglichen. Anhand der Verdunkelung können Rückschlüsse auf die Rauchdichte und die Rauchkonzentration gezogen werden. Bei gleichen Partikeln gilt: Je höher die Verdunkelung, desto höher die Konzentration. Natürlich variiert die Verdunkelung nicht nur mit der Konzentration, sondern auch mit der Partikelart. Dies basiert auf dem Streuquerschnitt und variiert stark von Partikeltyp zu Partikeltyp.   Die Dauer der Verdunkelung spielt als zusätzlicher Faktor für die Alarmauslösung eine Rolle. Dementsprechend wird gemäß der Norm ein Alarm entweder nach Ablauf eines bestimmten Zeitlimits oder nach Erreichen eines Verdunkelungslimits im Referenzsystem ausgelöst. So legt der Hamburger-Belästigungsalarm fest, dass der Alarm während des Grillens des Hamburger-Pattys nicht ausgelöst werden darf, bevor eine Verdunkelung von mehr als 1,5 %/ft erreicht wird. Im zweiten Teil des Tests wird Polyurethan, das ein reales Objekt wie einen Sessel nachahmen kann, in Brand gesetzt. Der Rauchmelder muss den Unterschied erkennen und den Alarm bei einer Verdunkelung von 5 %/ft auslösen.   Dies ist äußerst anspruchsvoll, da die beiden Rauchtypen - echter Brandrauch und Kochrauch - nur schwer zu unterscheiden sind. Dennoch ist dieser Test nur einer von vielen, die in UL 217 und UL 268 definiert sind. Außerdem müssen mehrere identische Rauchmelder diesen Test bestehen, um zufällige Ergebnisse auszuschließen und eine breite Qualitätsdichte unter den Detektoren zu gewährleisten.

Wie Rauchmelder den Hamburger-Fehlalarmtest bestehen können

Die meisten modernen Rauchmelder basieren auf einem photoelektrischen Arbeitsprinzip. Für den Hamburger Störalarmanlagentest wird ein Lichtstrahl ausgesendet und von den Partikeln reflektiert. Die Streuung hängt von der Teilchensorte, der Partikelkonzentration und dem Streuwinkel ab. Basierend auf dem Streusignal entscheidet der Rauchmelder, ob ein Alarm ausgelöst wird. Um den Hamburger Störalarmanlagentest zu bestehen, muss ein Detektor ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen, um Hamburger Rauch von anderen Raucharten zu unterscheiden.   Das integrierte optische Sensormodul ADPD188BI von Analog Devices bietet Rauchmelderherstellern die Technologie, um diesen anspruchsvollen Test zu bestehen. Dieses neue integrierte Modul für die Rauchdetektion besteht aus einem Gehäuse mit zwei Sender-LEDs, darunter eine blaue LED mit einer Wellenlänge von 470 nm und eine Infrarot-LED mit einer Wellenlänge von 850 nm, die sich beide im linken Fach befinden. Eine Fotodiode und der analoge Front-End-Bereich sind im rechten Teil des Gehäuses angeordnet. Die LEDs senden Licht aus, und die Rauchpartikel streuen das Licht zurück zur Fotodiode. Die LED-Treiber sind integriert und werden über interne Zeitschlitze geschaltet. Diese Zeitschlitze ermöglichen es dem Benutzer, das Timing des gesamten Front-End-Bereichs zu steuern, ohne ständig die Register neu schreiben zu müssen.   Das analoge Front-End besteht aus einem Strom-Spannungs-Wandler und einem analogen Filter für Umgebungslicht. Letzteres besteht aus einem Bandpassfilter für konstantes Umgebungslicht und einem Integrator für variables Umgebungslicht, wie es beispielsweise von einer Leuchtstofflampe stammt. Der integrierte Analog-Digital-Wandler wandelt dann die Spannung in ein digitales Signal um.   Durch die hohe Integrationsdichte bietet das ADPD188BI-Rauchsensormodul eine Reihe von Vorteilen. Da nur wenige externe Komponenten erforderlich sind, kann das gesamte System leichter kalibriert werden. Die Zwei-Farben-Lichtwellenlängendetektion reduziert Fehlalarme zusätzlich, da neben der individuellen Messung jeder Wellenlänge auch Verhältnismessungen möglich sind. Darüber hinaus ist das Modul klein und hat einen geringeren Stromverbrauch als herkömmliche Detektoren. Der Energieverbrauch bei Betrieb der Infrarot-LED beträgt ~5 µW/Hz. Die vollständige Integration der LEDs und der Fotodiode im analogen Front-End ermöglicht es Rauchmelderherstellern, eine Einmodullösung anzubieten.   Die hohe Integration des ADPD188BI-Moduls spielt eine entscheidende Rolle im Hamburger Störalarmanlagentest. LEDs weisen in der Regel hohe Bauteil-zu-Bauteil-Schwankungen hinsichtlich der Lichtintensität bei festem Strom auf, weshalb die Kalibrierung von Rauchmeldern traditionell durch die Hersteller erfolgen musste. Die Kalibrierung der Steigung und des Offsets der LED-Lichtintensität zum Strom stellt sicher, dass sich alle LEDs gleich verhalten. Da die LEDs und der vollständige Signalpfad im ADPD188BI integriert sind, kalibriert Analog Devices das Sensormodul vor. Dadurch wird die Bauteil-zu-Bauteil-Variabilität reduziert. Da Rauchmelderhersteller ein vorkalibriertes Modul verwenden können, wird das Systemdesign vereinfacht.   Die von Analog Devices verwendete Kalibrierungsmethode zielt direkt auf die Kalibrierung der Steigung und des Offsets der LEDs ab. Hierfür wird der ADPD188BI unter einem Reflektor platziert. Das rückreflektierte Licht wird von der integrierten Fotodiode gemessen. Die Steigung und der Offset können für jeden einzelnen ADPD188BI separat bestimmt werden, und die Kalibrierungskoeffizienten werden im nichtflüchtigen Speicher, den eFUSE-Registern, des Chips gespeichert. Durch das Auslesen dieser Koeffizienten kann die Chip-Variabilität minimiert werden. Dadurch können die Alarmschwellen in den Algorithmen enger gesetzt, Fehlalarme reduziert und letztendlich die UL-Tests bestanden werden.

Integriertes optisches Modul zur Raucherkennung

Der ADPD188BI von ADI ist ein komplettes photometrisches System zur Raucherkennung, das auf optischer Zweiwellenlängen-Technologie basiert. Das Modul integriert einen hocheffizienten photometrischen Front-End, zwei Leuchtdioden (LEDs) und zwei Photodioden (PDs). Diese Komponenten sind in einem kundenspezifischen Gehäuse untergebracht, das verhindert, dass Licht direkt von der LED zur Photodiode gelangt, ohne vorher die Rauchkammer zu durchqueren.   Das Front-End der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) besteht aus einem Steuerblock, einem 14-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einem 20-Bit-Burst-Akkumulator und drei flexiblen, unabhängig konfigurierbaren LED-Treibern. Die Steuerungsschaltung umfasst flexible LED-Signalisierung und synchrone Detektion. Das analoge Front-End (AFE) zeichnet sich durch eine branchenführende Unterdrückung von Signalversatz und Störungen aus, die durch modulierte Interferenzen, wie etwa Umgebungslicht, verursacht werden. Die Datenausgabe und die funktionale Konfiguration erfolgen über eine 1,8-V-I2C-Schnittstelle oder einen seriellen Peripherie-Interface-Port (SPI).   Der ADPD188BI unterstützt die Standards UL-217 Edition 8/ UL-568 Edition 7, EN-54, GB und ISO. Er reduziert Fehlalarme durch eine Zweiwellenlängen-Erkennung mit höherem SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) und größerer Dynamik und ermöglicht eine bis zu dreimal geringere Energieaufnahme, was kleinere und günstigere Batterien erlaubt. Das integrierte optische Modul (3,8 mm x 5 mm x 0,9 mm mit 1 blauen LED, 1 Infrarot-LED und 2 Photodioden) vereinfacht das elektromagnetische Design (EMC), ermöglicht eine größere Vielfalt an industriellen Designoptionen und führt zu 75 % weniger diskreten Komponenten. Die Kalibrierung in der Endprüfung reduziert die Herausforderungen bei der Kalibrierung von Rauchmelderprodukten.   Zusätzlich bietet ADI das EVAL-ADPD188BIZ-S2 Evaluierungsboard an, das den Benutzern eine einfache Möglichkeit bietet, das optische Modul ADPD188BI zusammen mit der EVAL-CHAMBER Rauchkammer für Anwendungen zur Erkennung von Rauch und Aerosolen zu bewerten. Das Evaluierungssystem besteht aus dem EVAL-ADPD188BIZ-S2 Evaluierungsboard, der EVAL-ADPDUCZ Mikrocontroller-Platine, der optionalen EVAL-CHAMBER Rauchkammer und der Wavetool Evaluation Software grafische Benutzeroberfläche (GUI). Die Software bietet Benutzern sowohl eine niedrigstufige als auch eine hochstufige Konfigurierbarkeit, Echtzeitanalysen im Frequenz- und Zeitbereich sowie die Möglichkeit zur Übertragung über das Benutzer-Datagramm-Protokoll (UDP), sodass das Evaluierungsboard leicht mit dem Benutzersystem verbunden werden kann.

Fazit

Der neu eingeführte Hamburger-Belästigungstest ist sehr schwer zu bestehen, da sich die Rauchpartikel eines verbrannten Hamburger-Pattys nicht stark von normalem Rauch unterscheiden. Ein Rauchsensor benötigt daher ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, um zwischen dem Rauch eines Hamburger-Pattys und anderen Raucharten zu unterscheiden. Eine geringe Bauteile-zu-Bauteile-Variation spielt dabei eine entscheidende Rolle. Messungen und Tests werden zuverlässiger abgeschlossen und bestanden; dadurch werden in der Endanwendung weniger Fehlalarme erzeugt. Mit dem neuen integrierten optischen Modul zur Raucherkennung, dem ADPD188BI, bietet Analog Devices ein hochempfindliches, integriertes Sensormodul an, das nicht nur ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis und eine Zwei-Farben-Erkennung aufweist, sondern auch die Bauteile-zu-Bauteile-Variation minimiert und somit das Design und die Algorithmusentwicklung vereinfacht. Es ist eine ideale Lösung für die Entwicklung neuer Rauchmelder.