연기 경보 장치에서 오작동 활성화를 최소화하기 위한 광학 센서 솔루션

연기 감지기의 오작동 감소는 사용률을 줄이고 소방 비용을 증가시킵니다

오늘날의 건물은 일상 생활을 편리하게 하고 보호를 제공하기 위해 다양한 센서를 갖추고 있습니다. 환경 센서 및 전기와 난방 조절 같은 스마트 홈 애플리케이션뿐만 아니라, 안전에 관련된 센서도 중요한 역할을 합니다. 그 중 하나가 화재 경보입니다. 화재 경보기는 필수이며 법적으로 규정되어 있지만, 시장에 나와 있는 많은 화재 경보기는 요리 증기나 스팀으로 인해 오작동 경보가 발생할 위험이 높아 주방이나 욕실에서 사용하기에 적합하지 않습니다. 오작동 경보는 간과해서는 안 되는 문제인데, 이는 사용자들이 화재 경보기를 꺼 버리도록 유혹하게 되고, 불필요한 소방서 출동으로 인해 높은 비용이 발생할 수 있기 때문입니다.   그러나 욕실과 주방에 화재 경보기가 부족한 것은 심각한 문제입니다. 특히 주방에서 화재 위험이 높기 때문입니다. 현대 아파트에서는 주방이 종종 거실과 통합되어 있어 이런 문제가 더욱 큰 위험을 초래합니다. 대량의 합성 건축 자재가 있는 현대적 환경에서는 화재가 빠르게 확산되기 때문에, 보다 세밀한 화재 경보 네트워크가 정밀한 화재 감지를 위해 중요합니다.   글로벌 표준은 새로운 요구 사항을 충족하기 위해 새로 규정된 테스트에서 다양한 유형의 연기를 감지하도록 시도하고 있습니다. 각 지역마다 약간의 규제가 다르며, 유럽에서는 EN, 북미에서는 UL, 국제적으로는 ISO가 적용됩니다. UL은 최신 개정판(UL 268: 7번째 개정판 및 UL 217: 8번째 개정판)에서 2021년 6월에 출시될 예정으로, 추가적인 테스트 기법인 햄버거 오작동 경보 테스트를 도입했습니다. 이 테스트에서는 정해진 농도의 햄버거 패티 연기와 정해진 농도의 불타는 폴리우레탄을 구별해야 합니다. 이 테스트는 주방에서 오작동 경보 발생률을 줄이는 데 도움을 줄 것입니다.

UL의 햄버거 불편 경보 테스트

이 햄버거 불편 테스트는 실제 요리 중 발생하는 연기를 재현하기 위해 만들어졌습니다. 햄버거 불편 경보 테스트의 개념은 간단하지만, 현대적인 화재 경보기도 도전 과제에 직면합니다—햄버거 패티를 특정 시간 동안 굽는 동안 연기 경보기가 상승하는 연기(정해진 한계치에서 시작됨)에 의해 울리는지 확인합니다. 이 테스트는 자연스럽게 표준화되어 모든 화재 경보기를 동일한 조건하에 테스트할 수 있습니다. 테스트에서는 차폐 측정값이 참조로 사용됩니다. 이 테스트를 위해 지름이 약 10 cm에서 15 cm인 광선을 가진 광원이 약 2 m 거리에서 설정됩니다. 정해진 589 nm 파장을 갖는 증기가 광원으로 사용됩니다. 램프와 감지기 사이의 연기가 빛을 가립니다.   연기에 의해 광선이 가려지는 정도는 연기 없는 공간에서의 표준 신호와 비교됩니다. 차폐 정도에 따라 연기의 밀도와 농도를 추론할 수 있습니다. 동일한 입자의 경우, 차폐 정도가 높을수록 농도가 더 높습니다. 물론, 차폐 정도는 농도뿐만 아니라 입자 유형에 따라서도 달라집니다. 이는 산란 단면에 기반하며 입자 유형에 따라 크게 다를 수 있습니다.   경보를 생성하는 데 있어서 차폐 시간도 추가적인 요소로 역할을 합니다. 따라서 표준에 따라 경보는 일정 시간이 지나거나 참조 시스템에서 차폐 한계에 도달한 후에 울리도록 설정됩니다. 따라서 햄버거 불편 경보 테스트에서는 햄버거 패티를 굽는 동안 연기의 차폐가 1.5%/ft를 초과하지 않는 한 경보가 울리지 않아야 한다고 규정합니다. 테스트의 두 번째 단계에서는 실제 물체(예: 안락의자)처럼 모방할 수 있는 폴리우레탄이 불에 타게 됩니다. 화재 경보기는 차이를 감지하고 5%/ft 이상의 차폐 시 경보를 울려야 합니다.   이는 매우 어려운 과제입니다. 왜냐하면 진짜 화재 연기와 요리 중 발생하는 연기는 구별하기 어렵기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 이 테스트는 UL 217 및 UL 268에서 정의된 여러 테스트 중 하나일 뿐입니다. 동일한 화재 경보기 여러 개도 이 테스트를 통과해야 임의의 결과를 배제할 수 있으며, 감지기들 사이의 넓은 품질 밀도를 보장할 수 있습니다.

연기 감지기가 햄버거로 인한 불필요한 경보 테스트를 통과하는 방법

대부분의 현대식 연기 감지기는 광전식 작동 원리를 갖추고 있습니다. 햄버거 불필요 경보 테스트를 위해, 빛 광선이 방출되고 입자에 의해 반사됩니다. 산란은 입자 유형, 입자 농도, 그리고 산란 각도에 따라 달라집니다. 연기 감지기는 산란 신호에 기반하여 경보를 울려야 할지를 결정합니다. 햄버거 불필요 경보 테스트를 통과하려면, 감지기가 높은 신호 대 잡음비를 가져야 햄버거 연기를 다른 종류의 연기와 구별할 수 있습니다.   Analog Devices의 ADPD188BI 통합 광학 센서 모듈은 제조업체들에게 이 까다로운 테스트를 통과할 수 있는 기술을 제공합니다. 새로운 연기 감지 통합 모듈은 두 개의 발광 다이오드(LED)를 포함한 송신기 LED, 470 nm 파장의 블루 LED와 850 nm 파장의 적외선 LED가 왼쪽 구획 내부에 위치된 하우징으로 구성됩니다. 포토다이오드와 아날로그 프런트엔드는 하우징의 오른쪽 부분에 자리잡고 있습니다. LED는 빛을 방출하며 연기 입자들이 빛을 포토다이오드로 반사합니다. LED 드라이버는 통합되어 있으며 내부의 시간 슬롯을 통해 전환됩니다. 이 시간 슬롯은 사용자가 레지스터를 지속적으로 다시 작성하지 않아도 전체 프런트엔드의 타이밍을 조정할 수 있게 합니다.   아날로그 프런트엔드는 전류를 전압으로 변환하는 변환기와 주변 빛을 위한 아날로그 필터로 구성됩니다. 후자는 일정한 주변 빛을 위한 대역 통과 필터와 형광등처럼 가변 주변 빛을 위한 적분기를 포함합니다. 통합된 아날로그-디지털 변환기가 전압을 디지털 신호로 변환합니다.   높은 통합 밀도로 인해 ADPD188BI 연기 센서 모듈은 여러 가지 강점을 가지고 있습니다. 외부 구성 요소가 거의 필요하지 않기 때문에 전체 시스템이 더 쉽게 보정될 수 있습니다. 이중 색광 파장 감지를 통해 오경보가 더욱 줄어들게 되는데, 각 파장을 개별적으로 측정하는 것 외에도 비율 형성이 가능합니다. 또한 모듈은 작고 기존 감지기보다 전력 소비가 적습니다. 적외선 LED 작동 시의 전력 소비는 약 ~5 μW/Hz입니다. LED와 포토다이오드의 프런트엔드에 완전하게 통합됨으로써 제조업체는 단일 모듈 솔루션을 제공할 수 있습니다.   ADPD188BI 모듈의 높은 통합도는 햄버거 불필요 경보 테스트에서 "성공 또는 실패"를 좌우합니다. LED는 고정 전류에서 발광 강도 값이 부분별로 큰 변화를 가지는 경우가 많기 때문에, 연기 감지기 보정은 전통적으로 제조업체에 의해 수행되어야 했습니다. LED 발광 강도와 전류 간 기울기와 오프셋을 보정함으로써 모든 LED가 동일한 방식으로 작동하도록 합니다. ADPD188BI는 LED와 완전한 신호 경로를 통합함으로써, Analog Devices가 센서 모듈을 미리 보정합니다. 이를 통해 부품 간 변동폭이 줄어듭니다. 제조업체가 미리 보정된 모듈을 사용하면 시스템 설계가 간소화됩니다.   Analog Devices가 사용하는 보정 방법은 LED 기울기와 오프셋의 보정을 직접 타겟으로 삼습니다. 이를 위해 ADPD188BI는 반사 장치 아래에 위치합니다. 반사되어 돌아오는 빛이 통합된 포토다이오드에 의해 측정됩니다. 기울기와 오프셋은 각각의 ADPD188BI에 대해 개별적으로 결정될 수 있으며, 보정 계수는 칩의 비휘발성 메모리(eFUSE 레지스터)에 저장됩니다. 이러한 계수를 읽음으로써 칩 변동성을 최소화할 수 있습니다. 이는 알고리즘에서 경보 임계값을 더 정확하게 설정할 수 있도록 하며 오경보를 줄이고 UL 테스트를 궁극적으로 통과할 수 있게 만듭니다.

연기 감지를 위한 통합 광학 모듈

ADI의 ADPD188BI는 광 듀얼 파장 기술을 사용하여 연기를 감지하는 완전한 광측정 시스템입니다. 이 모듈은 고효율 광측정 전단, 두 개의 발광 다이오드(LED), 두 개의 포토다이오드(PD)가 통합되어 있습니다. 이 구성 요소들은 커스텀 패키지에 탑재되어 있으며, 연기 감지실에 진입하지 않고 LED에서 포토다이오드로 직접 빛이 들어가는 것을 방지합니다.   애플리케이션 특화 집적 회로(ASIC)의 전단은 제어 블록, 20비트 버스트 누산기를 포함한 14비트 ADC(아날로그-디지털 변환기), 그리고 유연하며 독립적으로 구성 가능한 세 개의 LED 드라이버로 구성되어 있습니다. 제어 회로는 유연한 LED 신호 처리와 동기 검출을 포함하며, 아날로그 전단(AFE)은 주변광으로 인해 일반적으로 발생하는 변조 간섭으로 인한 신호 오프셋 및 왜곡을 최고 수준으로 제거합니다. 데이터 출력 및 기능 구성은 1.8 V I2C 인터페이스 또는 시리얼 주변 장치 인터페이스(SPI) 포트를 통해 이루어집니다.   ADPD188BI는 UL-217 8판/UL-568 7판, EN-54, GB 및 ISO 표준을 지원합니다. 이 제품은 듀얼 파장 감지를 사용하여 더 높은 SNR과 동적 범위를 제공함으로써 오경보(Nuisance Alarms)를 줄이고, 3배 낮은 전력 소모로 인해 더 작고 비용 효율적인 배터리를 사용할 수 있도록 지원합니다. 통합 광 모듈(3.8mm x 5mm x 0.9mm, 1개의 블루 LED, 1개의 IR LED 및 2개의 포토다이오드 포함)은 EMC 설계를 간소화하며, 다양한 산업 디자인 옵션을 허용하고, 개별 부품 수를 75% 줄여줍니다. 최종 테스트 시의 루프 보정을 통해 연기 감지기 제품의 보정 문제를 줄일 수 있습니다.   ADI는 또한 ADPD188BI 광 모듈을 평가하기 위한 간단한 수단을 제공하는 EVAL-ADPD188BIZ-S2 평가 보드와 연기 및 에어로졸 감지 애플리케이션용 EVAL-CHAMBER 연기 챔버도 제공합니다. 평가 시스템은 EVAL-ADPD188BIZ-S2 평가 보드, EVAL-ADPDUCZ 마이크로컨트롤러 보드, 선택 사항인 EVAL-CHAMBER 연기 챔버, 그리고 Wavetool Evaluation Software 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)로 구성됩니다. 이 소프트웨어는 사용자가 낮은 수준 및 높은 수준의 구성 가능성을 제공하며, 실시간 주파수 및 시간 도메인 분석, 사용자 데이터그램 프로토콜(UDP) 전송 기능을 제공하여 평가 보드가 사용자 개발 시스템과 쉽게 인터페이스할 수 있도록 합니다.

결론

새롭게 도입된 햄버거 불편 테스트는 매우 통과하기 어려운데, 그 이유는 타버린 햄버거 패티에서 발생하는 연기 입자가 일반적인 연기와 크게 다르지 않기 때문입니다. 따라서 연기 센서는 햄버거 패티 연기와 다른 종류의 연기를 구별하기 위해 높은 신호 대 잡음비를 필요로 합니다. 이 과정에서 낮은 센서 간 편차가 결정적인 역할을 합니다. 측정 및 테스트는 더 신뢰성 있게 완료되고 통과되며, 이를 통해 최종 애플리케이션에서 오경보가 줄어듭니다. 새로운 연기 감지용 통합 광 모듈인 ADPD188BI를 사용함으로써 Analog Devices는 높은 신호 대 잡음비와 이색 감지 기능을 갖춘 고감도 통합 센서 모듈을 제공하며, 센서 간 편차를 최소화하여 설계 및 알고리즘 개발을 간소화합니다. 이는 새로운 연기 경보기를 개발하기 위한 이상적인 솔루션이 될 것입니다.