樓宇煙霧探測(cè)技術(shù)：關(guān)于各種規(guī)范和認(rèn)證

作者：Grainne Murphy，ADI 營(yíng)銷經(jīng)理

煙霧探測(cè)及其重要性

智能樓宇技術(shù)正不斷發(fā)展，將靜態(tài)樓宇轉(zhuǎn)化為富有生機(jī)活力的高效實(shí)體，即所謂的智能樓宇。這種發(fā)展需要采用多項(xiàng)技術(shù)，以降低運(yùn)行和維護(hù)成本。在綠色樓宇、零排放和更低的碳排放等大趨勢(shì)的影響下，需要對(duì)樓宇中的更多狀況實(shí)施監(jiān)控。其中有些解決方案和測(cè)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(yán)格的法律法規(guī)影響，還需要采用解決方案和測(cè)量方法來提高樓宇的安全性。

就安全而言，煙霧探測(cè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)：挽救生命。

煙霧探測(cè)市場(chǎng)因?yàn)橐恍╆P(guān)鍵因素不斷創(chuàng)新，其中包括：

• 工業(yè)建筑面積增加：國(guó)際能源署（IEA）預(yù)測(cè)，全球樓宇建筑面積將以約3%/年的速度增加。這是發(fā)展中國(guó)家的城市化水平不斷提高，對(duì)能源的使用率不斷上升所驅(qū)動(dòng)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(wú)價(jià)的原則，煙霧探測(cè)規(guī)范極為重要。面臨的挑戰(zhàn)在于，錯(cuò)誤報(bào)警疏散可能引發(fā)停機(jī)和恐慌，尤其現(xiàn)在的樓宇都是采用可容納數(shù)千人的設(shè)計(jì)（例如，華盛頓的波音艾弗雷特工廠就設(shè)計(jì)為可容納約40，000人）。廚房中會(huì)產(chǎn)生烹飪氣體或蒸汽，可能恰恰會(huì)在煙霧探測(cè)器不應(yīng)因?yàn)閿_亂報(bào)警被禁用的位置造成錯(cuò)誤報(bào)警?，F(xiàn)在樓宇采用的合成材料會(huì)陰燃，產(chǎn)生致命煙氣，所以在真正緊急的情況下，能夠進(jìn)行疏散的時(shí)間會(huì)更少。現(xiàn)在新的防火規(guī)范規(guī)定，應(yīng)該盡最大可能減少誤報(bào)，且在真正發(fā)生火災(zāi)時(shí)更快發(fā)出警報(bào)。本文將介紹待定和現(xiàn)行的全球標(biāo)準(zhǔn)，以及這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)煙霧探測(cè)技術(shù)及其市場(chǎng)的影響。

煙霧探測(cè)器系統(tǒng)中主要采用兩種煙霧探測(cè)技術(shù)：

• 電離系統(tǒng)，在兩個(gè)導(dǎo)電板之間摻加了少量放射性材料。如此對(duì)空氣進(jìn)行離子化，使得電流流動(dòng)。在煙霧進(jìn)入腔室中時(shí)，它會(huì)減少電流流動(dòng)，并觸發(fā)警報(bào)。有些歐美國(guó)家禁止使用電離探測(cè)器，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法保證精準(zhǔn)探測(cè)到萌發(fā)初期的火災(zāi)。
• 光電煙霧探測(cè)器，使用光來檢測(cè)火災(zāi)。在探測(cè)器內(nèi)部，有一個(gè)光感測(cè)腔室，使用光來探測(cè)煙霧。當(dāng)檢測(cè)到煙霧時(shí)，它會(huì)將LED光折射到光電探測(cè)器中。光束到達(dá)此傳感器時(shí)，即觸發(fā)警報(bào)。

全球標(biāo)準(zhǔn)匯總

基本主要有5大全球標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)行比較，通過各自認(rèn)證的要求各不相同。煙霧探測(cè)器系統(tǒng)需要作為終端產(chǎn)品進(jìn)行全面測(cè)試，但也可能是在煙霧探測(cè)技術(shù)子系統(tǒng)級(jí)別進(jìn)行測(cè)試。這雖然不能代替全面認(rèn)證，但是可以在獲得價(jià)格高昂的終端系統(tǒng)認(rèn)證之前令人安心。

美國(guó)和加拿大

• UL 268：用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的煙霧探測(cè)器

第7版：計(jì)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(bào)警

第8版：計(jì)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(zhǔn)確的煙霧探測(cè)重要性示例

這些標(biāo)準(zhǔn)包含對(duì)聚氨酯燃燒和陰燃，以及對(duì)烹飪干擾（漢堡包）測(cè)試的更新。

歐洲

• EN 14604：煙霧報(bào)警設(shè)備（2006）
• BS EN 54：火災(zāi)探測(cè)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（2015）

第29部分：多傳感器火災(zāi)探測(cè)器——使用煙霧和熱傳感器組合的點(diǎn)式探測(cè)器

國(guó)際

• ISO 7240：火災(zāi)探測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)（2018）

第7部分：采用散射光、透射光或電離的點(diǎn)式煙霧探測(cè)器

• 中國(guó)關(guān)于點(diǎn)式煙霧探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)依照此標(biāo)準(zhǔn)的2003年版本

UL 268和UL 217涵蓋美國(guó)和加拿大的相關(guān)法規(guī)，這些標(biāo)準(zhǔn)要求通過技術(shù)（和算法）有效區(qū)分聚氨酯泡沫墊燃燒產(chǎn)生的指定煙霧濃度和漢堡包燃燒產(chǎn)生的指定煙霧濃度。注意：加拿大法規(guī)要求采用不同的煙霧測(cè)試室設(shè)置。另外三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)分別是：EN 14604，2006年發(fā)布的歐洲標(biāo)準(zhǔn)；BS EN 54，英國(guó)對(duì)2015年發(fā)布的歐洲EN 54標(biāo)準(zhǔn)（這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)第29部分的內(nèi)容是關(guān)于煙霧探測(cè)）的解讀；以及ISO 7240，這是2018年發(fā)布的全球標(biāo)準(zhǔn)（這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)第7部分與煙霧有關(guān)）。目前中國(guó)關(guān)于點(diǎn)式煙霧探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)依照ISO 7240的2003年版本。

測(cè)試細(xì)節(jié)

接下來，我們將就標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)方面展開討論：測(cè)試和測(cè)試設(shè)置要求。以下示例均使用UL標(biāo)準(zhǔn)。

• 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(shí)，使用鈉蒸汽燈（589 nm）。d表示光源與光電探測(cè)器之間的距離。

圖2. UL標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的示例圖

火災(zāi)室內(nèi)測(cè)試以起火后的報(bào)警時(shí)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(cè)量煙霧濃度的單位。它測(cè)量在存在煙霧的情況下，光束到達(dá)探測(cè)器（D）的數(shù)量，并與無(wú)煙霧情況下，光束到達(dá)探測(cè)器（D）的數(shù)量進(jìn)行比較。減光率越高，煙霧濃度水平越高。

目前最嚴(yán)格的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分別為NA/Canada UL 217和UL 268。此處列出了一些相關(guān)測(cè)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(fā)出警報(bào)

• 木火

必須在t = 240 s之前發(fā)出警報(bào)

• 陰燃煙霧

必須在減光率超過29.26%/m之前發(fā)出警報(bào)

• 燃燒的聚氨酯泡沫

必須在減光率超過15.47%/m和t = 360 s之前發(fā)出警報(bào)

• 陰燃聚氨酯

必須在減光率超過34.3%/m之前發(fā)出警報(bào)

• 漢堡包（干擾報(bào)警）

在減光率超過0.987%/m，或者M(jìn)IC值在59.3%至49.2%范圍之前，不得發(fā)出報(bào)警/故障信號(hào)

• 靈敏度測(cè)試、灰塵測(cè)試、高濕度測(cè)試

不得發(fā)出報(bào)警/故障信號(hào)

靈敏度測(cè)試測(cè)量受控?zé)熿F室中煙霧探測(cè)器發(fā)出警報(bào)時(shí)的減光率

• 可燃液體火災(zāi)（UL 268，僅加拿大地區(qū)）

必須在t = 240 s之前發(fā)出警報(bào)

對(duì)于EN 14604、BS EN 54和ISO 7240，同一測(cè)試或其他規(guī)范的靈敏度等級(jí)可能不同，例如針對(duì)液體（庚烷）火災(zāi)、發(fā)光的陰燃棉花，或者低溫黑煙液體火災(zāi)。

注意：執(zhí)行整套測(cè)試時(shí)，必須參考所有相關(guān)規(guī)范。

測(cè)試規(guī)定以及國(guó)際規(guī)范之間的重疊

以下是五項(xiàng)主要測(cè)試規(guī)范的要求：

• UL 268 和 UL 217

28個(gè)組合樣本，所有都用于每種測(cè)試（除非與測(cè)試機(jī)構(gòu)另有約定）

• EN 14604

20個(gè)樣本：樣本按響應(yīng)閾值升序編號(hào)（靈敏度降低）

• BS EN 54

22個(gè)樣本：6個(gè)靈敏度最低的樣本采用17至22的編號(hào)，其他樣本從1至16任意編號(hào)

• ISO 7240

20個(gè)樣本：4個(gè)靈敏度最低的樣本采用17至20的編號(hào)，其他樣本從1至16任意編號(hào)

測(cè)試設(shè)置非常重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了按照這5項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行每次測(cè)試需要多少探測(cè)器。UL 268和UL 217需要28個(gè)樣本，每次測(cè)試會(huì)用到所有樣本。對(duì)于其他3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，樣本按具體要求編號(hào)，特定樣本需要通過特定測(cè)試。例如，ISO 7240規(guī)定，所有樣本都必須接受再現(xiàn)性測(cè)試，但只有樣本3需要接受炫光測(cè)試。從全球合規(guī)性角度，這意味著，因?yàn)樘囟ㄔO(shè)備需要通過特定測(cè)試（出于合規(guī)性考慮），所以必須按每項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行每項(xiàng)測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)之間不得重疊。在有些情況下，兩個(gè)不同UL標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件完全相同，所以，符合一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)意味著也符合另一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

EN 54-29、EN 14604和ISO 7240對(duì)煙道和煙室的要求完全相同，都會(huì)執(zhí)行一些測(cè)試。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通風(fēng)條件的要求也完全相同。在有些情況下，兩個(gè)不同UL標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件完全相同，所以，符合一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)意味著也符合另一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

煙霧探測(cè)技術(shù)：一種技術(shù)不足以滿足所有要求

本文總結(jié)介紹了一些煙霧探測(cè)技術(shù)、其定義、煙霧探測(cè)器測(cè)試，以及它們與5項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。文中并沒有將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與另一個(gè)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。而是使用一些示例，說明滿足煙霧探測(cè)法規(guī)要求的過程有多嚴(yán)格和復(fù)雜。每個(gè)國(guó)際地區(qū)都有一套非常詳細(xì)的測(cè)試，每種測(cè)試采用的測(cè)試方法（和設(shè)置）都不同。

但是，通過目前最嚴(yán)格的兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)UL 217和UL 268就意味著產(chǎn)品很好的表明合規(guī)性，盡管這不能代替地區(qū)測(cè)試。對(duì)于地區(qū)合規(guī)，需要對(duì)當(dāng)?shù)氐臏y(cè)試要求和方法進(jìn)行非常詳細(xì)地檢查。甚至從地方層面來看，未來法規(guī)要求也會(huì)越來越嚴(yán)格。

使用UL列出的組件或子系統(tǒng)會(huì)令人更安心。UL組件認(rèn)可是指UL對(duì)完整產(chǎn)品或系統(tǒng)中使用的組件或材料進(jìn)行評(píng)估。這些組件只能用于符合UL認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的終端產(chǎn)品中。本文發(fā)布時(shí)，ADPD188BI和煙室正申請(qǐng)列入U(xiǎn)L認(rèn)可組件中。

圖3. ADPD188BI煙霧探測(cè)模塊

ADPD188BI煙霧探測(cè)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(gè)模擬前端（AFE）。其優(yōu)勢(shì)包括：

• 減少了器件數(shù)量
• 具有低信號(hào)測(cè)量的高信噪比（SNR）和寬動(dòng)態(tài)范圍，能夠滿足 新的和現(xiàn)有的生命安全法規(guī)要求
• 減少了干擾警報(bào)，通過雙色檢測(cè)和高動(dòng)態(tài)范圍來確保驗(yàn)證 過的警報(bào)（避免警報(bào)禁用）
• 低功耗，允許有線或無(wú)線環(huán)路中連接更多設(shè)備
• 小尺寸，可將探測(cè)器置于難以觸及的位置
• 無(wú)需LED供應(yīng)鏈管理
• 采用標(biāo)準(zhǔn)SMT裝配流程

未來趨勢(shì)

法規(guī)變化要求采用更小巧、更精準(zhǔn)的煙霧探測(cè)系統(tǒng)。除了法規(guī)變化以外，客戶還要求產(chǎn)品更美觀，能夠用于更廣泛更棘手的部署場(chǎng)景。要滿足這些要求，就需要更小的產(chǎn)品外形和更低的功率。使用雙波長(zhǎng)探測(cè)的系統(tǒng)可以減少干擾警報(bào)，符合新測(cè)試法規(guī)要求。高SNR和高動(dòng)態(tài)范圍系統(tǒng)也有助于更好地識(shí)別煙霧類型。光學(xué)技術(shù)支持實(shí)現(xiàn)更高的動(dòng)態(tài)范圍，不僅提高可靠性，還可縮小外形尺寸和/或降低功耗。

因?yàn)楝F(xiàn)在消除了（例如烹飪和蒸汽導(dǎo)致的）干擾警報(bào)，所以煙霧探測(cè)器可以更密集地安裝在廚房和衛(wèi)生間中，增加樓宇中實(shí)際安裝的設(shè)備數(shù)量，形成覆蓋范圍更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，低功率要求支持電池運(yùn)行（延長(zhǎng)使用壽命），或增加主回路中的設(shè)備數(shù)量。但在系統(tǒng)層面，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)而言，更快發(fā)出警報(bào)意味著需要采用低延遲網(wǎng)絡(luò)?？紤]到煙霧探測(cè)對(duì)生命安全的影響，實(shí)體系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)作為獨(dú)立設(shè)備使用。但是，在未來，可能也需要將煙霧探測(cè)集成到其他樓宇控制系統(tǒng)中，例如，集成到疏散或緊急照明系統(tǒng)中，所以，小尺寸將越來越重要。

作者

Grainne Murphy

Grainne是ADI公司工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)解決方案部門營(yíng)銷經(jīng)理。她擁有超過25年的工程經(jīng)驗(yàn)，負(fù)責(zé)管理客戶需求、參與和ADI公司關(guān)鍵產(chǎn)品組合的營(yíng)銷/溝通策略以及智能樓宇的未來方向。她畢業(yè)于愛爾蘭利默里克大學(xué)（BENG），同時(shí)擁有牛津布魯克斯大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。