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Sensorik

Rauch ist nicht gleich Rauch

12. November 2020, 14:04 Uhr   |  Christoph Kämmerer

Rauch ist nicht gleich Rauch
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Wie kann in einer Küche der Rauch durch angebranntes Essen von einem tatsächlich entstehenden Brand unterschieden werden? Der sogenannte »Hamburger Nuisance Alarm« sorgt für mehr Sicherheit durch geringere Fehlalarme – und ist nur schwer zu bestehen.

Moderne Gebäude sind mit vielen verschiedenen Sensoren ausgestattet, um das Leben im Alltag zu vereinfachen. Neben Umweltsensoren und Smart Home Applikationen für Strom- und Heizungsregelung, nehmen sicherheitsrelevante Sensoren eine wichtige Rolle ein. Dazu gehören auch Rauchmelder. Rauchmelder sind essenziell und per Gesetz vorgeschrieben. Allerdings können die aktuell angebotenen – die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen – weder in Küchen noch in Badezimmern angebracht werden, ohne das erhöhte Risiko von Fehlalarmen durch zum Beispiel Wasserdampf in Kauf zu nehmen. Fehlalarme sind nicht zu unterschätzen, da sie einerseits den Nutzer zum Abschalten der Rauchmelder verleiten, andererseits aber auch hohe Kosten durch fehlgeleitete Feuerwehreinsätze verursachen können.

Moderne Rauchmelder – ein weiter Weg zu gehen

Fehlende Rauchmelder in Bad und Küche sind jedoch ein ernstzunehmendes Problem, da vor allem in der Küche ein hohes Brandpotenzial vorhanden ist. Insbesondere in modernen Apartments stellt das ein Risiko dar, da oft die Küche in den Wohnraum integriert ist. Brände breiten sich in einem modernen Umfeld mit einem hohen Elektronik- und Plastikanteil schnell aus, sodass ein engmaschigeres Netz aus Rauchmeldern wichtig für die Branderkennung ist.

In globalen Standards wird versucht, diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, indem bei neuen Tests die Detektion von unterschiedlichen Raucharten vorgeschrieben wird. Verschiedene Regionen haben leicht abweichende Vorschriften – EN in Europa, UL in Nordamerika und ISO International. UL hat in seinen neuesten Editionen (UL268 - 7te Edition und UL217 - 8te Edition) einen weiteren Test mit Namen »Hamburger Nuisance Alarm« eingeführt. Hier muss eine definierte Konzentration von einem rauchenden Hamburger-Patty von einer definierten Konzentration brennenden Polyurethans unterschieden werden. Dieser Test soll ermöglichen, die Fehlerquote in Küchen zu verringern

UL’s »Hamburger Nuisance Alarm« näher beleuchtet

Der »Hamburger Nuisance Alarm« ist recht einfach konzipiert, dennoch stehen selbst moderne Rauchmelder vor einer Herausforderung: Ein Hamburger-Patty wird über eine bestimmte Zeit gegrillt. Es wird dabei getestet, ob der Rauchmelder bei dem entstehenden Rauch den Alarm (ab einer definierten Grenze) auslöst.

Schematische Darstellung des Referenzsystems bei UL
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Bild 1. Schematische Darstellung des Referenzsystems bei UL.

Dieser Test ist standardisiert, sodass jeder Rauchmelder unter identischen Bedingungen getestet werden kann. Als Referenz wird die sogenannte Verdunkelungsmessung benutzt. Hier wird eine Lichtquelle in einem Abstand von zwei Metern mit einem Lichtstrahl mit Durchmesser von zehn bis 15 cm aufgebaut. Als Lichtquelle wird eine Dampflampe mit einer definierten Wellenlänge von 589 nm verwendet. Rauch, der sich zwischen Lampe und Detektor befindet, verdunkelt das Licht. Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau und das Prinzip der Referenzmessung.

Dabei wird die Abdunkelung des Lichtstrahls durch den Rauch mit dem Referenzsignal in einem rauchfreien Raum verglichen. Basierend auf der Abdunkelung, kann man auf die Rauchdichte und Konzentration des Rauches schließen. Je höher die Verdunkelung, desto höher ist die Konzentration bei gleichen Partikeln. Naturgemäß variiert die Verdunkelung nicht nur mit der Konzentration, sondern auch mit der Partikelart. Dies basiert auf dem Streuquerschnitt und variiert stark von Partikelart zu Partikelart.

Als zusätzliche Komponente zur Alarmerzeugung spielt die Zeit der Verdunkelung eine Rolle. Demnach wird laut Standard ein Alarm entweder nach einem gewissen Zeitlimit oder einer Grenzdichte der Verdunkelung im Referenzsystem ausgelöst. So schreibt der Standard des Hamburger-Nuisance-Alarms vor, dass die Grenze bei einer Verdunkelung von mehr als 1,5 Prozent pro Fuß liegt, wie in der UL217, Sektion 54, definiert.

Als zweiten Teil des Tests, wird Polyurethan entflammt. Der Rauchmelder muss den Unterschied erkennen und bereits bei fünf Prozent pro Fuß den Alarm auslösen.
Dieser Test ist natürlich nur einer von vielen, die in UL217 und UL268 definiert sind. Auch muss dieser Test von mehreren identischen Rauchmeldern bestanden werden, um Zufälle auszuschließen und eine breite Qualitätsdichte der Detektoren zu garantieren.

Wie Rauchmelder diesen Test bestehen können

Die meisten modernen Rauchmelder funktionieren auf photoelektrischer Basis. Hier wird ein Lichtstrahl ausgesendet und von den Partikeln reflektiert. Die Streuung ist abhängig von der Art der Partikel, deren Konzentration und dem Streuwinkel. Basierend auf dem Streusignal trifft der Rauchmelder eine Entscheidung, den Alarm auszulösen.

Speziell für den »Hamburger Nuisance Alarm« ist ein Detektor mit einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis notwendig, da das Signal vom Hamburger-Rauch schwer von anderen Raucharten zu unterscheiden ist.

Schematische Darstellung der Funktionsweise des ADPD1888Bl
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Bild 2. Schematische Darstellung der Funktionsweise des ADPD1888Bl.

Genau hier kommt das Sensormodul von Analog Devices ins Spiel, da es Herstellern von Rauchmeldern ermöglicht, diesen Test zu bestehen. In Bild 2 sieht man die Funktionsweise des ADPD188BI schematisch dargestellt.

Der ADPD188BI besteht aus einem Gehäuse, bei dem zwei Sende-LEDs – blau mit einer Wellenlänge von 470 nm und infrarot mit einer Wellenlänge von 850 nm – in einem Kaveat (abgeschirmte Einbuchtung) auf der linken Seite untergebracht sind. Im rechten Teil des Gehäuses sitzt eine Photodiode und das analoge Frontend. Die LEDs strahlen das Licht aus und die Rauchpartikel streuen das Licht zurück auf die Photodiode. Die LED-Treiber sind integriert und von den internen »Time Slots« geschaltet. Diese »Time Slots« ermöglichen es dem Benutzer, die zeitliche Koordinierung des kompletten Frontends zu regulieren, ohne die Register konstant neu beschreiben zu müssen.

Das analoge Frontend besteht aus einem Strom-zu-Spannungswandler und einem analogen Filter für das Umgebungslicht. Dieser besteht aus einem Bandpassfilter für das konstante Umgebungslicht und einem Integrator für das nichtkonstante Umgebungslicht, wie es beispielsweise von einer Fluoreszenzlampe ausgeht. Der integrierte Analog-Digital-Konverter wandelt danach die Spannung in ein digitales Signal.

Das richtige Sensormodul für den Rauchmelder

Mit der hohen Integrationsdichte hat das ADPD188BI Rauchsensormodul einige Vorteile. Durch die wenigen extern nötigen Komponenten ergibt sich eine bessere Kalibrierungsmöglichkeit des kompletten Systems. Durch die zweifarbige Lichtwellendetektierung werden Fehlalarme weiter reduziert, da man zusätzlich zu der einzelnen Messung jeder Wellenlänge noch das Verhältnis bilden kann. Außerdem ist das Modul klein und verfügt über einen niedrigeren Stromverbrauch als herkömmliche Detektoren. Der Stromverbrauch liegt bei Betrieb der infraroten LED bei ~5µW/Hz. Eine vollständige Integrierung der LEDs und der Photodiode in das analoge Frontend ermöglicht es, dem Rauchmelderhersteller eine Ein-Modul-Lösung anzubieten.

Der hohe Integrationsgrad des ADPD1888BI-Moduls, führt zum »make or break« im Hamburger-Nuisance-Test. Da die normalen LEDs eine große Streuung bezüglich der Lichtstärke aufweisen, muss jeder einzelne Rauchmelder herkömmlicher Technologie einzeln kalibriert werden. Dies entfällt beim ADPD188BI. Durch die Kalibration der Steigung und des Versatzes der Licht-zu-Stromstärke-Werte der LED stellt man sicher, dass alle LEDs das gleiche Verhalten zeigen. Da zusätzlich zu den LEDs der komplette Signalpfad im ADPD1881 integriert ist, kann Analog Devices das Sensormodul vorkalibrieren. Somit wird die Streuung der Part-zu-Part-Variation verringert. Rauchmelderhersteller können so auf ein vorkalibriertes Modul zurückgreifen, dessen Handhabung im System somit um einiges erleichtert ist.

So besteht der Rauchmelder den Test

Analog Devices‘ Kalibrierungsmethode zielt direkt auf die Kalibrierung der Steigung und des Versatzes der LEDs ab. Hierzu wird der ADPD188BI unter einen Reflektor gelegt, das reflektierte Licht von der integrierten Photodiode gemessen. Die Steigung und der Versatz kann für jeden einzelnen ADPD188BI getrennt bestimmt werden und die Kalibrierungskoeffizienten in einem non-volatilen Speicher – den eFuse-Registern – des Chips eingespeichert werden.

Messergebnisse für den Hamburger- (oben) und Polyurethan-Test (unten) in einer UL-Testumgebun
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Bild 3. Messergebnisse für den Hamburger- (oben) und Polyurethan-Test (unten) in einer UL-Testumgebung.

Durch Auslesen dieser Koeffizienten kann die Chip-Variabilität minimiert werden. Somit können Alarmschwellen in den Algorithmen schärfer gesetzt, Fehlalarme reduziert und letztendlich die UL-Tests bestanden werden.

Das Sensormodul wurde auch unter Testbedingungen getestet. Bild 3 zeigt eine Probe des ADPD188BI in einer genormten UL-Testumgebung – einmal gegen brennendes Polyurethan (oben) und einmal gegen Hamburger Rauch (unten).

Formel Rauchmelder-Test
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Die Auftragung erfolgt jeweils über die Zeit (x-Achse), mit dem Signal des ADPD188BI auf der linken y-Achse. Dies ist in Power Transfer Ratio dargestellt, welches das Verhältnis der Leistung zum Betreiben der LEDs zu der empfangenen Leistung der Photodiode beschreibt. Die Formel, welche das Power Transfer Ratio beschreibt ist im Folgenden angegeben:

Diese Größe ermöglicht es verschiedene Bausteine miteinander zu vergleichen. Auf der rechten y-Achse hingegen, ist die Verdunkelung in Prozent pro Fuß (%/ft) aufgetragen. Während die grüne Kurve den UL-Referenzbeam zeichnet, sind die blaue und rote Kurve jeweils das blaue und das infrarote Signal des ADPD188BI.

Wie Bild 3 zeigt, sind die beiden Signalkurven des ADPD1881BI sehr unterschiedlich in den beiden Szenarien und der Sensor kann deutlich zwischen den Raucharten unterscheiden. Ein Unterschied ist der zeitliche Verlauf des Signals, bei dem die Alarmschwelle durch Polyethuran bereits viermal so früh erreicht wird (nach 220 Sekunden), wie bei Hamburger-Rauch (nach mehr als 1000 Sekunden). Die kritische Dichte wird im Fall von Polyurethan bereits nach vier Minuten erkannt.

Das hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Sensors, ermöglicht außerdem die klare Unterscheidung und Aufzeichnung der Veränderung der Konzentration der Partikel, wie beispielsweise der sprunghafte Anstieg im Fall von Polyurethan zeigt. Dies ist in Bild 3 rot markiert.

Zusätzlich misst der ADPD188BI zwei Wellenlängen, deren Verhältnis eine weitere Größe für die Kalibration des robusten Algorithmus zum Erkennen von Hamburger-Rauch und damit für das Bestehen des Hamburger Tests darstellt.

Raucharten richtig unterscheiden

Der neu eingeführte Hamburger-Test ist sehr schwer zu bestehen, da die Rauchpartikel eines verbrannten Hamburger-Patty sich nicht viel von herkömmlichem Rauch unterscheiden. Ein Rauchsensor braucht daher ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis, um Hamburger-Rauch von anderen Raucharten unterscheiden zu können. Dabei spielt eine geringe Sensor-Part-zu-Part-Variation eine entscheidende Rolle. Messungen und Tests werden zuverlässiger absolviert, dadurch werden im finalen Einsatz weniger Fehlalarme erzeugt. Analog Devices hat mit dem ADPD188BI ein hochsensitives und integriertes Sensormodul entwickelt, welches nicht nur ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis und zweifarbige Erkennung besitzt, sondern auch die Part-zu-Part-Variation minimiert und daher eine einfache Design- und Algorithmen-Entwicklung ermöglicht.

Der Autor

Christoph-Kaemmerer von Analog Devices
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Christoph-Kaemmerer von Analog Devices

Christoph Kämmerer

ist seit Februar 2015 bei Analog Devices in Deutschland tätig. Er schloss 2014 sein Studium an der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen mit einem Master in Physik ab. Danach arbeitete er als Praktikant in der Prozessentwicklung bei Analog Devices in Limerick. Nach Abschluss des Traineeprogramms im Dezember 2016 arbeitet er nun als Field Applications Engineer bei Analog Devices und ist auf enue Anwendungen spezialisiert.

christoph.kaemmerer@analog.com

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