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基于烟雾探测的完整测光系统,实现火灾预防的有效监测方案设计

2021-03-25 ADI 阅读:
除了传统的火灾和烟雾探测灵敏度测试之外,更新版的UL-217标准现在还要求烟雾探测器不会在发生干扰事件时发出误警报,比如在做饭时。所以,现代的烟雾探测器必须能够区分烹饪干扰事件和火灾事件。

随着全球城市化进程的推进,火灾已经成为现代世界人类安全最大威胁之一。随着世界人口的增加,最大的趋势、最高的增长率非城市化莫属。国际能源机构指出,全球建筑物的建筑面积每年以约3%的速度增长,这会导致住房和商业建筑的密度日益增高。当今的建筑都被设计成可以容纳成千上万的人,因此建筑的管理,尤其是其中人员的安全至关重要。3awednc

因此,早期火灾探测非常重要,有利于防止发生大规模灾难,杜绝对环境造成影响。当前,全球主要国家和地区的有关法规成了推动多数环境和安全变革的动力。在烟雾探测方面,相关法规每次修订后都会变得更加严格,即使在地方一级,这些法规关注的焦点始终都是提高探测准确率,加快报警速度,确保人员安全。从20世纪70年代开始,烟雾探测器已被广泛用于商用和住宅建筑中。3awednc

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图1:有效的烟雾报警是火灾降低损失的关键3awednc

降低误触发是烟雾探测器普及应用的关键

如今,探测器主要分为两类,一是电离类型,使用放射性物质来电离空气,然后检测电荷不平衡;二是光电类型,使用光电探测器对某个角度发射的光源,并检测从大气尘粒反射到光电二极管的光所引起的光电探测器电流。尽管推荐使用这两种类型的解决方案的组合,但人们更愿意使用光电烟雾探测器,因为它在探测常见的房屋火灾时更可靠,且能够更快处理阴燃火。3awednc

遗憾的是,自20世纪70年代以来,电子和常用的家居建材取得了长足发展,但烟雾探测器技术和规范几乎未发生任何变化。对标准的新修订,例如由美国保险人实验室(UL)发布的ANSI/UL-217和ANSI/UL-268,或者由国家消防机构(NFPA)发布的NFPA® 72国家火灾报警规范,都旨在通过对现代烟雾探测器设计提出更复杂的要求来解决这些差距。3awednc

例如,除了传统的火灾和烟雾探测灵敏度测试之外,更新版的UL-217标准现在还要求烟雾探测器不会在发生干扰事件时发出误警报,比如在做饭时。所以,现代的烟雾探测器必须能够区分烹饪干扰事件和火灾事件。3awednc

这些新标准的目标是:通过减少日常活动中产生的误警报次数来提高安全性和减少火灾死亡人数。传统上,这需要使用采用多项传感器技术且具备一定的人工智能水平的复杂解决方案;但是,使用ADPD188BI大大降低了该解决方案的实施难度。3awednc

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图2:基于ADPD188BI光学模块的UL-217烟雾探测器参考设计3awednc

图2所示的电路是是ADI公司基于ADPD188BI光学模块的UL-217烟雾探测器参考设计。为了简单、快速实施开发,该设计兼容Arduino尺寸控制器平台,并包含烟雾探测自定义算法,以对新发布的ANSI/UL-217第8版标准指定的烟雾和火灾测试实施评估。3awednc

使用ADPD188BI进行烟雾检测

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ADPD188BI光学模块是专为烟雾检测应用而设计的完整光电式测量系统。用ADPD188BI代替传统的分立式烟雾检测器电路可大大简化设计,因为光电子器件(由两个LED和两个光电检测器组成)和模拟前端(AFE)已集成到同一个封装中。3awednc

为了进行烟雾检测,ADPD188BI采用双波长技术,两个集成LED发出两种不同波长的光:一种为470nm(蓝光),另一种为850nm(红外光)。这些LED在两个独立的时隙中发出光脉冲,发射的光被空气中的颗粒物散射回器件上。3awednc

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图3全球烟雾探测法规挑战:易燃聚氨酯和烹饪滋扰(汉堡)测试更新3awednc

然后,两个集成的光电检测器接收散射的光并产生成比例的输出电流,该电流在内部由AFE转换成数字码。假设LED光功率保持恒定,如果ADPD188BI输出值随时间而增大,则表明空气中的颗粒物在增加或聚积。3awednc

UL-217标准要求检测器在特定的时间窗口和遮蔽范围内对不同类型的火灾和烟雾做出响应。图1中的参考设计通过烟雾检测算法分析ADPD188BI的蓝光和红外光(IR)输出数据,从而满足上述要求。3awednc

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此算法是为ADPD188BI传感器阵列专门设计的,旨在根据UL-217规范的规定检测火灾状况,同时尽可能地减少功耗。算法本身通过一个大数据集进行了调整和验证,该数据集是在上表定义的所有测试场景中从许多ADPD188BI器件捕获到的。测试是在经过认证的专门提供UL-217测试环境的设施进行的。这些数据集包括参考测量结果,以便了解不同烟雾源下的传感器性能和报警条件。3awednc

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图4:专为烟雾检测应用而设计的完整光电式测量系统ADPD188BI3awednc

烟雾检测器常常使用电池供电,因此该算法尽可能地减少了传感器需要提供的数据以及每次报警判断所需的计算量。此算法支持ADPD188BI输出较少的数据,从而节省电力并减少微控制器的功耗周期,但仍符合严格的UL-217规范。3awednc

ADPD188BI的烟雾响应用接收光功率与发射光功率之比来表示较好。此参数称为功率传输比(PTR),比原始输出码有意义得多,因为它与所使用的实际硬件设置无关。此外,遮蔽水平(烟雾探测器的标准测量单位)与PTR直接相关。3awednc

ADPD188BI的全环响应受环境温度影响。对于蓝光通道,这更加复杂,因为温度响应曲线的形状也会根据所使用的LED电流量不同而变化。下图显示温度对ADPD188BI工作温度范围内的相对输出响应的影响,蓝光LED使用100mA和175mA的常见ILED设置。对于红外通道,温度响应曲线与LED电流无关。3awednc

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图5:温度对相对于25°C的ADPD188BI输出响应的影响3awednc

选择传感器时,元件尺寸是主要考虑因素,因为腔室内的空间非常宝贵。在该参考设计中,默认传感器的温度和湿度精度额定值分别为±0.2°C和±2%相对湿度。3awednc

选择恰当的烟室配合ADPD188BI使用

市面上的大多数烟雾检测器解决方案使用烟室来帮助抑制环境光,减少内部光污染,并使昆虫或蜘蛛干扰读数的风险尽可能降低。对于ADPD188BI,使用烟室会引起一个恒定的背景信号出现在读数中,这是由烟室表面的光散射所致。至关重要的是,背景信号水平必须接近或低于报警阈值,以避免读数出现重大误差。3awednc

ADPD188BI对腔室的响应也可以用功率传输比(PTR)表示,加到烟雾响应上,当解读器件的PTR数据时必须予以考虑。3awednc

ADPD188BI使用ADI公司专有烟室,该烟室专门设计用于满足器件和行业要求。此烟室的内部几何形状支持获得更高信噪比(SNR)读数,从而获得ADPD188BI的更优PTR值。3awednc

常规烟室设计与ADPD188BI不兼容,因为传统烟雾检测器使用前向散射系统,而ADPD188BI的集成光电器件使用反向散射系统。3awednc

电路设计的另一个考虑因素是冷凝对ADPD188BI读数的影响。腔室内表面可能会形成露水和冷凝水,从而导致光散射。对系统而言,这种光散射表现为烟雾。在较湿润的热带地区,经常有冷凝水形成,这种光散射的问题尤其严重。3awednc

为了减轻冷凝的影响,光模块周围放置有加热电阻,其会散发足够的热量,在需要时可抑制露水的形成。为此目的选择电阻时,需要在期望温升与从电源汲取的电流之间折衷。3awednc

请注意,此加热模块会显著增加设计所需的总系统功耗。使用较低电阻值会产生更多热量,但会消耗更多的电源电流。对于电池供电系统,它还会导致电池寿命缩短,设计时必须作为额外因素加以考虑。3awednc

图2中的参考设计使用三个25Ω电阻的并联组合,由此会导致温度升高10°C至20°C。晶体管开关允许微控制器板通过脉冲宽度调制(PWM)输出或通用输入/输出(GPIO)引脚激活加热电路模块。3awednc

本文总结

因为现在消除了(例如烹饪和蒸汽导致的)干扰警报,所以烟雾探测器可以更密集地安装在厨房和卫生间中,增加楼宇中实际安装的设备数量,形成覆盖范围更大的网络系统。因此,低功率要求支持电池运行(延长使用寿命),或增加主回路中的设备数量。但在系统层面,对于无线网络而言,更快发出警报意味着需要采用低延迟网络。考虑到烟雾探测对生命安全的影响,实体系统会继续作为独立设备使用。此外,在未来,可能也需要将烟雾探测集成到其他楼宇控制系统中,例如,集成到疏散或紧急照明系统中,小尺寸将越来越重要。像ADPD188BI这样的一套利用光学双波长技术进行烟雾探测的完整测光系统,较好的兼顾这些需求,将促进烟雾探测在当今楼宇防灾减灾中的普及应用。3awednc

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