Detektory kouře by měli patřit, vedle zabezpečení proti vniku osob, k základním ochranným elektronickým prostředkům budov, domů a bytů. Už jen včasný poplach může toho hodně zachránit. Detektory kouře pracují převážně na principu ionizace nebo přerušení paprsku světla. O těchto principech a integrovaných vyhodnocovacích obvodech je následující článek...

Zabezpečovací technika nemusí objekt chránit pouze před nedovoleným vnikem nežádoucích osob, ale i k samotné ochranně objektu. Mezi takové ochranné prostředky patří i hlídání objektu proti vzniku ohně - požáru. K tomu slouží detektory nebo senzory kouře. A právě o nich, o jejich principu a konstrukci, je tento článek.

Senzor kouře

Na trhu detektorů kouře se obvykle využívají dva typy senzorů založených na následujících principech:

 

• Ionizační senzory - využívají ionizační komoru, kde dochází k ionizaci plynu, resp. detekovaného kouře
  
• Fotoelektrické senzory - využívají útlum nebo změnu směru světla procházejícího kouřem

Většina prodávaných detektorů pak je již v kompletním provedení se snímačem vyhodnocovací elektronikou zakrytovanou do obvykle kulatého plastového pouzdra s otvory pro přístup plynu/kouře. Detektor je obvykle napájen 9 V baterií, Lithiovou baterií nebo síťovým přívodem 230 V. K indikaci přítomnosti kouře s obvykle využívá piezosiréna zabudovaná přímo v detektoru. Někdy se ještě vybavuje teplotním detektorem pro indikaci ohně/plamenů.

Ionizační princip

Ionizační kouřové senzory využívají ionizační komoru a zdroj ionizační radiace k detekci kouře. Tento typ senzoru je obvykle nejvyužívanější z důvodu nízké ceně a lepší detekci menších částeček kouře produkované plameny ohně. Uvnitř ionizačního detektoru je malé množství (okolo 1/5000th gramů) prvku americium-241. Radioaktivní prvek americium má poločas rozpadu 432 let a dobrý zdrojem požadovaných alfa částic.

Konstrukce ionizační komory je v zásadě jednoduchý. Skládá se ze dvou elektrod na něž je připojeno kladné a záporné napětí zdroje (baterie). Alfa částice generované prvkem americium ionizují atomy kyslíku a dusíku ve vzduchu nacházející se v komoře. Ionizace znamená uvolnění elektronu z atomu. Volný elektron tak reprezentuje záporný náboj, zatímco atom s chybějícím elektronem = iont naopak kladný náboj. Elektron je přitahován ke kladné elektrodě a kladně nabitý atom naopak k záporné elektrodě. Celý senzor se tak v klidovém stavu chová jako slabý zdroj proudu. Jestliže se do prostoru komory dostane kouř, přeruší tento proud tak, že jeho částice k sobě přitáhnout kladné ionty a neutralizují je. Tím se snižuje hodnota proudu úměrně ke koncentraci kouře. Množství radiace je extrémně malé a navíc je tvořena alfa částicemi, které nemohou projít ani skrz papír nebo několika centimetrovou vrstvou vzduchu. Nedoporučuje se však přímá manipulace s ním.

Fotoelektrický princip

Druhý nejpoužívanější princip pro detekci kouře, využívající světlo, obvykle pracuje na jednom ze dvou možných principů:

 

• blokování průchodu světla (Photoelectric Light Obscuration Smoke Detector) - útlum světla na cestě mezi vysílačem (LED) a přijímačem (fotodiodou) => spínání na tmu
  
• odklánění paprsku světla (Photoelectric Light Scattering Smoke Detector)
- odklon paprsku, který jde mimo přijímač (fotodiodu), kouřem přímo na něj => spínání na světlo

V prvním případě - blokování průchodu světla - je princip jednodušší a pokud na světlo citlivý přijímač (fotodioda) dopadne světlo o menší intenzitě způsobené kouřem, dojde k sepnutí alarmu a hlášení přítomnosti kouře.

V druhém případě - odklonění paprsku - je samotná konstrukce senzoru složitější a naopak pokud nějaké světlo dopadne na přijímač vlivem jeho odklonu přítomností kouře, podobně jako to dělají zrcátka, dojde k sepnutí alarmu a hlášení přítomnosti kouře. Metoda kouřem odkláněného paprsku (Photoelectric Light Scattering Smoke Detector) může být vytvořena například do T tvarovanou komorou se zabudovaným zdrojem světla LED v horizontální dutině písmene T a snímačem (fotodetektorem) v patě vertikálního průchodu T, který generuje proud, když na něj dopadne paprsek světla. Ve stavu bez kouře, světlo prochází napříč horizontální trubicí a nic nedopadá na fotodetektor. Když se v prostoru snímače objeví určitá koncentrace kouře, resp. částic jeho spalin, odkloní paprsek z horizontálního směru do vertikálního, ten dopadá na citlivou plochu fotodetektoru a detektor začne hlásit alarm - tzn. podobně jako funkce jednocestné optozávory spínající na světlo.

Obr. 4. Příklad struktury reálného optického senzoru kouře: 1: optická komora 2: kryt 3: sokl krytu 4: fotodioda 5: infračervená LED

Porovnání principů - který je lepší ?

Oba dva popisované principy, tj. ionizační i optický senzor, jsou efektivní a oba principy jsou certifikovány jako UL kouřové detektory. Obecně ionizační senzory mají rychlejší odezvu na kouř z hořících plamenů obsahující menší částice spalin, zatímco optický senzor reaguje rychleji na spaliny/kouř z doutnajících ohňů. U obou typů senzorů však může pára nebo vysoká vlhkost způsobit kondenzaci vody na deskách plošných spojů a snímačích, což může vyvolat falešné hlášení kovu.

Ionizační detektory jsou obecně levnější, ale mají tendenci k hlášení kouře i jen při plynech vznikajících při normálním vaření, kvůli vysoké citlivost na tzv. minutové kouřové částice. Na druhou stranu mají vlastnost automatické sebekontroly, kdy v případě, že dojde k výpadku napájení nebo k vybití napájecí baterie, ozve se automaticky siréna jako při detekci kovu. To je způsobeno poklesem proudu generovaného senzorem v důsledku snížení napěťového (potenciálového) rozdílu na elektrodách.

Vyhodnocovací obvody Freescale

Aby bylo možné převést detekovanou přítomnost kouře na nějaký řídící signál, který například spustí akustické hlášení sirénou, provede hlášení o požáru hasičům nebo spustí hasicí zařízení, je nutné k tomu použít nějakou vyhodnocovací elektroniku. Ta bude schopna posoudit informaci o úrovni kouře získanou ze senzoru a "vyrobit" požadované řídící signály a spínací signály. V dnešní době, kdy se vše maximálně integruje, je vše součástí jednoho obvodu. Mezi takové obvody například patří i součástky firmy Freescale (dříve Motorola) označené jako MC145018 (pro ionizační senzor) a MC145012 (pro fotoelektrický senzor).

MC145018 - vyhodnocovací IO pro ionizační senzor kouře

V nabídce firmy Freescale je více podobných obvodů, které se však liší jen v drobnostech. Typický zástupce je MC145018, který je zpětně kompatibilní se staršími obvody UL217 a UL268. Součástka poskytuje mimo jiné následující vlastnosti:

• Signálový vstup pro ionizační senzor s FET tranzistorem a komparátorem
• Nastavitelnou hysterezi vstupního komparátoru
• Nastavení citlivosti
• Signálový výstup z komparátoru
• Výstup pro signalizaci stavu detektoru LED (10 mA)
• Budič piezoelektrické sirény - obdélníkový signál při kouři modulovaný periodou 1 s se střídou 1:1
• Ochranu vstupů i výstupů
• Napájení napětím 6 až 12 V
• Detekci nízkého napětí napájecí baterie
• Pulsní testování stavu baterie/akumulátoru zatěžováním diodou
• Diodová ochrana napájecích vstupů proti přepólování
• Reset obvodu při zapnutí napájení
• Automatický test funkce detektoru

Na obrázku 7. je blokové schéma vnitřní konstrukce chipu. V centru chipu je interní oscilátor OSC, který generuje taktování nejen pro buzení/modulaci sirény, LED indikaci, ale i časování pro čtení hodnoty vstupního signálu ze senzoru a kontrolní činnost (např. vnitřní napájení). Frekvence oscilátoru se liší při stavu bez detekce kouře a s detekcí, kdy v prvním případě je perioda cca 1.65 s, zatímco v druhém případě při detekci kouře s pracovní frekvence zvýší a perioda klesne na 40 ms.

Jestliže je vše v pořádku, není pro sirénu generován žádný signál. Při nízkém napětí napájení (9 V baterie) je generován modulační signál pro sirénu, kdy je nastaven aktivní stav na 10ms impuls vždy po 40 sekundách. Při detekci kouře se pro sirénu vytváří modulační signál s periodou 1 Hz. LED připojená na vstup 5 je pak buzená vždy každý 24 hod. cykl na 11 ms. Při detekci kouře se spolu se sníženou periodou sníží i čas mezi impulsy ze 39.6 s na 0.96 s = cca 1 Hz.

MC145012 - vyhodnocovací IO pro fotoelektrický senzor kouře

CMOS integrovaný obvod MC145012 je sofistikovaný nízkopříkonový analogo-digitální součástka pro zpracování signálu od fotoelektrického senzoru kouře, zpětně kompatibilní s UL217 a UL268. Když nastane detekce je interním push-pull budičem generován obdélníkový signál pro externí piezoelektrickou sirénu.

Součástka poskytuje mimo jiné následující vlastnosti:

• Signálový vstup pro fotoelektrický senzor se zesilovačem s nastavitelným zesílením
• Výstup pro buzení IR LED senzoru kouře (impuls délky 0.1 s se periodou 8 s)
• Vstupy/Výstupy pro řízení externích zařízení
• Výstup pro signalizaci stavu detektoru LED (10 mA)
• Budič piezoelektrické sirény - obdélníkový signál při kouři modulovaný periodou 1 s se střídou 1:1
• Ochranu vstupů i výstupů
• Napájecí napětí: 6.0 až 12 V - vhodný pro napájení z 9 V baterie
• Pracovní rozsah teplot: - 10 až 60°C
• Průměrný napájecí proud: 8 µA
• Reset obvodu při zapnutí napájení (Power-On Reset)
• Ochranu vstupů i výstupů
• Podporuje zvukové evakuační signály NFPA 72, ANSI S3.41 a ISO 8201

Na vstupu pro připojení senzoru je umístěn signálový zesilovač s proměnným zesílením, který umožňuje přímé připojení infračervené fotodiody (IR fotodioda) umístěné v detekční komoře. Dva externí kondenzátory C1 a C2 nastavují zesílení. Nízká úroveň zesílení je platná při standby módu, střední úroveň definovaná kondenzátory se automaticky použije při detekci kouře a vysoké zesílení pak při stisknutí tlačítka "test". Během standby módu pak monitorovací obvody periodicky kontrolují citlivost komory i funkci samotného obvodu zatěžováním proudem z vývodu pro LED. Rozhodovací úroveň pro indikaci nízkého napětí baterie se dá nastavit dvěma externími rezistory. Přídavné I/O vývody umožňují v případě kouře například aktivovat nouzové únikové osvětlení, vzdálené alarmy nebo automatické vytáčení čísla, např. na hasiče. Celé časové řízení obvodu je dáno interním oscilátorem s pevnou periodou 8 ms.

Zvuk připojené sirény a blikání připojené LED hlásí:

• Blikání LED (perioda 0.45 s a délka pulsu 8 ms) a zvuk sirény (modulace s periodou 1 s, střídou 1:1) indikuje kouř v místě detektoru
• Zvuk sirény (modulace s periodou 1 s, střídou 1:1) bez blikání LED značí přítomnost kouře ve vzdáleném senzoru
• Občasné pípnutí (impuls délky 8 ms s periodou 32 s) spolu s bliknutím LED (impuls délky 8 ms s periodou 32 s) značí nízké napětí napájecí baterie

Závěr

Detektory kouře jsou čím dál více rozšířené, když je pořád hlavně najdeme v kancelářích a firemních prostorách než v domácnostech. V budoucnu se však jistě díky stále nižším cenám začnou objevovat i u nás doma. Rozhodně by jejich použití v mnoha případech mohlo zabránit alespoň snížit ztráty z požáru díky včasnému přivolání hasičů.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka českého pobočky firmy Freescale - www.freescale.cz
• Domovská stránka firmy Freescale - www.freescale.com
  
• datasheet obvodu MC145012 (12 stran)
• datasheet obvodu MC145012 (8 stran)
  
• Odkazy na zajímavé stránky k tématu: http://home.howstuffworks.com/smoke.htm, http://home.howstuffworks.com/smoke2.htm , www.reliablefire.com/firealarm/firealarms.html, www.me.utexas.edu/%7Eezekoye/rsch.dir/firesite/smoke_detector.html
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz