煙探知機における誤作動を最小限に抑えるための光学センサーソリューション

煙探知機の誤作動を減らすことで使用率を低下させ、消防費用が増加します

今日の建物には、日々の生活をより快適にし、安全を提供するために、多種多様なセンサーが備えられています。環境センサーや電力・暖房調整といったスマートホームアプリケーションに加え、安全関連のセンサーも重要な役割を果たしています。煙探知器はその一つです。煙探知器は必須で法律で規定されていますが、市場に出回っている多くの煙探知器は、料理中の蒸気や水蒸気による誤警報のリスクが高いため、キッチンやバスルームでの使用には適していません。誤警報は軽視されるべきではありません。なぜなら、それによりユーザーが煙探知器をオフにする誘惑に駆られる可能性があり、不必要な消防出動によって高額な費用が発生する可能性があるからです。   しかしながら、バスルームやキッチンに煙探知器が配置されていないことは深刻な問題です。特にキッチンでは火災の可能性が高いためです。この問題は、キッチンがリビングルームと統合されていることが多い現代のアパートメントではさらに重大です。火災は、合成建築材料が大量に使用されている現代の環境では急速に拡大するため、より細かいネットワークで煙探知器を配置することが、正確な火災検知のために重要です。   世界的には、新しい試験で異なる種類の煙の検出を規定し、これらの新しい要件に対応しようとする基準があります。地域によって規制は若干異なり、ヨーロッパではEN、北米ではUL、国際的にはISOが適用されます。最新版では（2021年6月リリース予定: UL 268 第7版および UL 217 第8版）、ULは「ハンバーガーによる誤警報テスト」と呼ばれる追加テストを導入しました。このテストでは、定義された濃度のハンバーガーパティの煙と定義された濃度の燃焼ポリウレタンを区別できることが求められます。このテストにより、キッチンでの誤警報率を低下させるのに役立つとされています。

ULのハンバーガー迷惑アラームテスト

このハンバーガーニュアンステストは、実際の料理中に発生する煙を再現するために作成されました。ハンバーガーニュアンスアラームテストの背後にあるコンセプトは単純ですが、現代の煙探知器でも課題となる場合があります。それは、ハンバーガーパティを一定時間焼くというものです。この過程で、上昇する煙（定められた限界から始まる）によって煙探知器が作動するかどうかを確認します。このテストはすべての煙探知器が同一条件下でテストされるよう、標準化されています。減光率の測定値が基準として使用されます。このテストでは、直径10cmから15cmの光ビームを持つ光源が、おおよそ2mの距離に設置されます。光源には波長589nmの蒸気ランプが使用されます。ランプと検出器の間に位置する煙が光を減衰させます。   煙による光ビームの減光は、煙のない部屋での基準信号と比較されます。この減光に基づいて、煙密度や煙濃度についての結論を導き出すことができます。同じ粒子であれば、減光の量が多いほど濃度は高くなります。当然ながら、減光は粒子の種類によってだけでなく、濃度によっても変動します。これは散乱断面積に基づいており、粒子の種類によって大きく異なります。   さらに、アラーム生成の追加要素として、減光の時間も重要な役割を果たします。したがって、標準に従い、基準システムで一定時間に達するか、減光限界が達成された場合にアラームが作動します。このようにして、ハンバーガーニュアンスアラームは、ハンバーガーパティを焼いている間、1.5%/ftを超える減光に達する前にアラームが作動しないように規定されています。テストの第2部では、アームチェアのような実際の物体を模倣できるポリウレタンが燃やされます。この際、煙探知器は差異を認識し、減光が5%/ftに達したときにアラームを作動させなければなりません。   これは非常に困難な条件です。なぜなら、本物の火事による煙と料理中の煙は判別が難しいからです。それにもかかわらず、このテストはUL 217およびUL 268で定義されている多くのテストのうちの1つにすぎません。また、乱数結果を排除し、検出器の間で広範囲の品質精度を保証するために、複数の同じ煙探知器がこのテストに合格する必要があります。

煙探知器がハンバーガーの誤警報テストをクリアする方法

現在のほとんどの煙感知器は光電方式を採用しています。ハンバーガー誤報テストでは、光ビームが発射され、粒子によって反射されます。散乱は粒子の種類、粒子濃度、散乱角に依存します。散乱信号に基づいて、煙感知器は警報を発するかどうかを判断します。ハンバーガー誤報アラームテストに合格するためには、感知器がハンバーガーの煙と他の種類の煙を区別するために高い信号対雑音比を持つ必要があります。   Analog DevicesのADPD188BI統合光学センサーモジュールは、厳しいテストに合格するための技術を煙感知器メーカーに提供します。この新しい煙検知用統合モジュールは、ハウジング内に青色LED（波長470nm）と赤外線LED（波長850nm）の2つの送信LEDが含まれる左コンパートメントと、フォトダイオードおよびアナログ前段が配置された右部分で構成されています。LEDは光を発し、煙粒子がその光をフォトダイオードに戻って反射させます。LEDドライバーは統合されており、内部タイムスロットによって切り替えられます。これらのタイムスロットにより、レジスタを絶えず再書き込みすることなく、ユーザーがフロントエンド全体のタイミングを調整できるようになります。   アナログ前段には、電流－電圧変換器と周囲光用アナログフィルターが含まれます。後者は定常的な周囲光用バンドパスフィルターと、例えば蛍光ランプが発する変動する周囲光用の積分器で構成されています。統合アナログ-デジタル変換器は次に電圧をデジタル信号に変換します。   高い集積密度により、ADPD188BI煙センサーモジュールにはいくつかの利点があります。必要な外部コンポーネントが少ないため、システム全体の校正が容易になります。2色光波長検出により、それぞれの波長の個別測定に加え、比率計算が可能となるため、誤報アラームがさらに減少します。さらに、モジュールは小型で従来の検知器より低消費電力です。赤外線LED運転時の電力消費は約5 μW/Hzです。LEDとフォトダイオードが完全にアナログ前段に統合されているため、煙感知器メーカーは1モジュールソリューションを提供することができます。   ADPD188BIモジュールの高い集積度により、ハンバーガー誤報テストの「成功と失敗」を分ける要因となります。LEDは通常、一定電流における発光強度に関して個体差が大きいため、これまで煙感知器の校正は煙感知器メーカーによって実施されてきました。LEDの発光強度と電流の傾きとオフセットの校正により、すべてのLEDが同じように動作することが保証されます。ADPD188BIにLEDと完全な信号経路が統合されているため、Analog Devicesはセンサーモジュールを予め校正します。このため、個体差が減少します。煙感知器メーカーは予め校正済みのモジュールを使用できるので、システム設計が容易になります。   Analog Devicesが使用する校正方法は、LEDの傾きとオフセットの校正を直接ターゲットとしています。このため、ADPD188BIは反射器の下に配置されます。反射した光は統合フォトダイオードによって測定されます。傾きとオフセットは各ADPD188BIごとに個別に決定され、これらの校正係数はチップ内の不揮発性メモリー、eFUSEレジスタに保存されます。これらの係数を読み取ることでチップの変動性を最小化することができます。アルゴリズムの警報閾値をより厳密に設定し、誤報アラームを減少させ、最終的にはULテストに合格することが可能となります。

煙検知用統合光学モジュール

ADIのADPD188BIは、光学的二重波長技術を使用した煙検知用の完全なフォトメトリックシステムです。このモジュールは、高効率のフォトメトリックフロントエンド、2つの発光ダイオード（LED）、および2つのフォトダイオード（PD）を統合しています。これらのコンポーネントは、LEDからフォトダイオードへと光が直接到達するのを防ぎ、まず煙検知チャンバーに入るように特殊設計されたパッケージに収納されています。   アプリケーション特定集積回路（ASIC）のフロントエンドには、制御ブロック、14ビットアナログ-デジタルコンバータ（ADC）と20ビットのバーストアキュムレータ、および柔軟で独立して構成可能な3つのLEDドライバが含まれています。制御回路には、柔軟なLEDシグナリングおよび同期検出が含まれています。アナログフロントエンド（AFE）は、周囲光によって一般的に引き起こされる変調干渉による信号オフセットと損失を最小限に抑える卓越した特性を備えています。データ出力および機能構成は、1.8 VのI2Cインタフェースまたはシリアル周辺インタフェース（SPI）ポートを介して行われます。   ADPD188BIは、UL-217 edition 8 / UL-568 ed. 7、EN-54、GB、およびISO規格をサポートしています。より高いSNRとダイナミックレンジを持つ二重波長検知を使用することで、誤検知警報を削減し、通常の1/3の低電力消費を実現し、より小型で安価なバッテリーをサポートします。統合光学モジュール（3.8mm x 5mm x 0.9mmで1つの青色LED、1つのIR LED、および2つのフォトダイオードを含む）は、EMC設計を簡素化し、工業デザインオプションの多様性を高め、離散コンポーネントを75％削減します。最終試験時のループ補正により、煙検知器製品における補正時の課題を削減します。   ADIはまた、煙やエアロゾル検知アプリケーション向けのEVAL-ADPD188BIZ-S2評価ボードとEVAL-CHAMBER煙チャンバーを使用して、ADPD188BI光学モジュールを評価するためのシンプルな手段を提供しています。評価システムは、EVAL-ADPD188BIZ-S2評価ボード、EVAL-ADPDUCZマイクロコントローラーボード、オプションのEVAL-CHAMBER煙チャンバー、およびWavetool Evaluation Softwareグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）で構成されています。このソフトウェアは、低レベルおよび高レベルの設定可能性、リアルタイムの周波数および時間領域解析、ユーザーデータグラムプロトコル（UDP）転送機能を備えており、評価ボードがユーザー開発システムに容易に接続できるようにします。

結論

新たに導入されたハンバーガー有害試験は非常に厳しい試験であり、焦げたハンバーガーパティから発生する煙粒子は通常の煙とあまり違いがないため、通過することが困難です。それゆえに、煙センサーはハンバーガーパティの煙と他の種類の煙とを区別するために高い信号対雑音比が必要です。センサーの部品間変動が低いことも、この点で決定的な役割を果たします。測定と試験がより確実に完了し、これにより最終アプリケーションで誤警報が減少します。煙検出用の新しい統合型光学モジュールであるADPD188BIにより、Analog Devicesは高感度で統合されたセンサーモジュールを提供します。このモジュールは高い信号対雑音比と二色検出機能を備えているだけでなく、部品間変動を最小限に抑えることで設計やアルゴリズム開発を簡素化できます。新しい煙警報デバイスの開発には、理想的なソリューションとなるでしょう。