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樓宇煙霧探測技術：關于各種規范和認證

2020-08-03 13:42:24 ADI

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煙霧探測及其重要性

智能樓宇技術正不斷發展，將靜態樓宇轉化為富有生機活力的高效實體，即所謂的智能樓宇。這種發展需要采用多項技術，以降低運行和維護成本。在綠色樓宇、零排放和更低的碳排放等大趨勢的影響下，需要對樓宇中的更多狀況實施監控。其中有些解決方案和測量方法是為了提升工作人員的舒適度和工作效率。但是，受愈加嚴格的法律法規影響，還需要采用解決方案和測量方法來提高樓宇的安全性。
就安全而言，煙霧探測面臨著巨大的挑戰：挽救生命。
煙霧探測市場因為一些關鍵因素不斷創新，其中包括：

工業建筑面積增加：國際能源署(IEA)預測，全球樓宇建筑面積將以約3%/年的速度增加。這是發展中國家的城市化水平不斷提高，對能源的使用率不斷上升所驅動的。
樓宇中使用的合成材料也越來越多。

所以，本著以人為本、生命無價的原則，煙霧探測規范極為重要。面臨的挑戰在于，錯誤報警疏散可能引發停機和恐慌，尤其現在的樓宇都是采用可容納數千人的設計（例如，華盛頓的波音艾弗雷特工廠就設計為可容納約40,000人）。廚房中會產生烹飪氣體或蒸汽，可能恰恰會在煙霧探測器不應因為擾亂報警被禁用的位置造成錯誤報警。現在樓宇采用的合成材料會陰燃，產生致命煙氣，所以在真正緊急的情況下，能夠進行疏散的時間會更少。現在新的防火規范規定，應該盡最大可能減少誤報，且在真正發生火災時更快發出警報。本文將介紹待定和現行的全球標準，以及這些標準對煙霧探測技術及其市場的影響。
煙霧探測器系統中主要采用兩種煙霧探測技術：

電離系統，在兩個導電板之間摻加了少量放射性材料。如此對空氣進行離子化，使得電流流動。在煙霧進入腔室中時，它會減少電流流動，并觸發警報。有些歐美國家禁止使用電離探測器，因為它們無法保證精準探測到萌發初期的火災。
光電煙霧探測器，使用光來檢測火災。在探測器內部，有一個光感測腔室，使用光來探測煙霧。當檢測到煙霧時，它會將LED光折射到光電探測器中。光束到達此傳感器時，即觸發警報。

全球標準匯總

基本主要有5大全球標準可進行比較，通過各自認證的要求各不相同。煙霧探測器系統需要作為終端產品進行全面測試，但也可能是在煙霧探測技術子系統級別進行測試。這雖然不能代替全面認證，但是可以在獲得價格高昂的終端系統認證之前令人安心。

美國和加拿大

UL 268：用于火災報警系統的煙霧探測器
- 第7版：計劃于2020年5月29日開始生效，但有可能延遲至2021年6月30日生效
UL 217：煙霧報警
第8版：計劃于2020年5月29日開始生效，但有可能延遲至2021年6月30日生效

圖1. 準確的煙霧探測重要性示例

這些標準包含對聚氨酯燃燒和陰燃，以及對烹飪干擾（漢堡包）測試的更新。

歐洲

EN 14604：煙霧報警設備(2006)
BS EN 54：火災探測和火災報警系統(2015)
- 第29部分：多傳感器火災探測器——使用煙霧和熱傳感器組合的點式探測器

國際

ISO 7240：火災探測和報警系統(2018)
- 第7部分：采用散射光、透射光或電離的點式煙霧探測器
中國關于點式煙霧探測器的標準依照此標準的2003年版本

UL 268和UL 217涵蓋美國和加拿大的相關法規，這些標準要求通過技術（和算法）有效區分聚氨酯泡沫墊燃燒產生的指定煙霧濃度和漢堡包燃燒產生的指定煙霧濃度。注意：加拿大法規要求采用不同的煙霧測試室設置。另外三項標準分別是：EN 14604，2006年發布的歐洲標準；BS EN 54，英國對2015年發布的歐洲EN 54標準（這項標準第29部分的內容是關于煙霧探測）的解讀；以及ISO 7240，這是2018年發布的全球標準（這項標準第7部分與煙霧有關）。目前中國關于點式煙霧探測器的標準依照ISO 7240的2003年版本。

測試細節

接下來，我們將就標準的兩個方面展開討論：測試和測試設置要求。以下示例均使用UL標準。

典型尺寸為d = 5英尺或2米，光束直徑4英寸至6英寸（10.2厘米至15.2厘米）時，使用鈉蒸汽燈(589 nm)。d表示光源與光電探測器之間的距離。

圖2. UL標準測試的示例圖

火災室內測試以起火后的報警時間或減光率（在有些情況下，兩者皆用）來表示。減光率是一種測量煙霧濃度的單位。它測量在存在煙霧的情況下，光束到達探測器(D)的數量，并與無煙霧情況下，光束到達探測器(D)的數量進行比較。減光率越高，煙霧濃度水平越高。
目前最嚴格的測試標準分別為NA/Canada UL 217和UL 268。此處列出了一些相關測試，除此以外，還存在很多：
UL 217（第8版）/UL 268（第7版）

紙火
- 必須在t = 240 s之前發出警報
木火
必須在t = 240 s之前發出警報
必須在減光率超過29.26%/m之前發出警報
必須在減光率超過15.47%/m和t = 360 s之前發出警報
必須在減光率超過34.3%/m之前發出警報
在減光率超過0.987%/m，或者MIC值在59.3%至49.2%范圍之前，不得發出報警/故障信號
不得發出報警/故障信號
靈敏度測試測量受控煙霧室中煙霧探測器發出警報時的減光率
必須在t = 240 s之前發出警報
陰燃煙霧
燃燒的聚氨酯泡沫
陰燃聚氨酯
漢堡包（干擾報警）
靈敏度測試、灰塵測試、高濕度測試
可燃液體火災（UL 268，僅加拿大地區）

對于EN 14604、BS EN 54和ISO 7240，同一測試或其他規范的靈敏度等級可能不同，例如針對液體（庚烷）火災、發光的陰燃棉花，或者低溫黑煙液體火災。
注意：執行整套測試時，必須參考所有相關規范。

測試規定以及國際規范之間的重疊

以下是五項主要測試規范的要求：

UL 268 和 UL 217
- 28個組合樣本，所有都用于每種測試（除非與測試機構另有約定）
EN 14604
20個樣本：樣本按響應閾值升序編號（靈敏度降低）
22個樣本：6個靈敏度最低的樣本采用17至22的編號，其他樣本從1至16任意編號
20個樣本：4個靈敏度最低的樣本采用17至20的編號，其他樣本從1至16任意編號
BS EN 54
ISO 7240

測試設置非常重要，因為它們決定了按照這5項標準執行每次測試需要多少探測器。UL 268和UL 217需要28個樣本，每次測試會用到所有樣本。對于其他3項標準，樣本按具體要求編號，特定樣本需要通過特定測試。例如，ISO 7240規定，所有樣本都必須接受再現性測試，但只有樣本3需要接受炫光測試。從全球合規性角度，這意味著，因為特定設備需要通過特定測試（出于合規性考慮），所以必須按每項標準執行每項測試，標準之間不得重疊。在有些情況下，兩個不同UL標準的測試條件完全相同，所以，符合一項標準意味著也符合另一項標準。
EN 54-29、EN 14604和ISO 7240對煙道和煙室的要求完全相同，都會執行一些測試。這些標準對通風條件的要求也完全相同。在有些情況下，兩個不同UL標準的測試條件完全相同，所以，符合一項標準意味著也符合另一項標準。

煙霧探測技術：一種技術不足以滿足所有要求

本文總結介紹了一些煙霧探測技術、其定義、煙霧探測器測試，以及它們與5項國際標準的關系。文中并沒有將一個標準與另一個進行詳細對比分析。而是使用一些示例，說明滿足煙霧探測法規要求的過程有多嚴格和復雜。每個國際地區都有一套非常詳細的測試，每種測試采用的測試方法（和設置）都不同。
但是，通過目前最嚴格的兩項標準UL 217和UL 268就意味著產品很好的表明合規性，盡管這不能代替地區測試。對于地區合規，需要對當地的測試要求和方法進行非常詳細地檢查。甚至從地方層面來看，未來法規要求也會越來越嚴格。
使用UL列出的組件或子系統會令人更安心。UL組件認可是指UL對完整產品或系統中使用的組件或材料進行評估。這些組件只能用于符合UL認證標準的終端產品中。本文發布時，ADPD188BI和煙室正申請列入UL認可組件中。

圖3. ADPD188BI煙霧探測模塊

ADPD188BI煙霧探測模塊在3.8 mm × 5.0 mm × 0.9 mm小型封裝中集成了LED、光電二極管和一個模擬前端(AFE)。其優勢包括：

減少了器件數量
具有低信號測量的高信噪比(SNR)和寬動態范圍，能夠滿足新的和現有的生命安全法規要求
減少了干擾警報，通過雙色檢測和高動態范圍來確保驗證過的警報（避免警報禁用）
低功耗，允許有線或無線環路中連接更多設備
小尺寸，可將探測器置于難以觸及的位置
無需LED供應鏈管理
采用標準SMT裝配流程

未來趨勢

法規變化要求采用更小巧、更精準的煙霧探測系統。除了法規變化以外，客戶還要求產品更美觀，能夠用于更廣泛更棘手的部署場景。要滿足這些要求，就需要更小的產品外形和更低的功率。使用雙波長探測的系統可以減少干擾警報，符合新測試法規要求。高SNR和高動態范圍系統也有助于更好地識別煙霧類型。光學技術支持實現更高的動態范圍，不僅提高可靠性，還可縮小外形尺寸和/或降低功耗。

因為現在消除了（例如烹飪和蒸汽導致的）干擾警報，所以煙霧探測器可以更密集地安裝在廚房和衛生間中，增加樓宇中實際安裝的設備數量，形成覆蓋范圍更大的網絡系統。因此，低功率要求支持電池運行（延長使用壽命），或增加主回路中的設備數量。但在系統層面，對于無線網絡而言，更快發出警報意味著需要采用低延遲網絡。考慮到煙霧探測對生命安全的影響，實體系統會繼續作為獨立設備使用。但是，在未來，可能也需要將煙霧探測集成到其他樓宇控制系統中，例如，集成到疏散或緊急照明系統中，所以，小尺寸將越來越重要。

關鍵詞：樓宇煙霧探測 ADI