[기고] 연기 감지기 설계, 어떻게 화재 경보 오작동 테스트 통과하나

  • 2020-09-07
  • 글 / 크리스토프 캐머러(Christoph Kammerer) FAE, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)


세계 각 지역별 표준들마다 다양한 종류의 연기를 감지하기 위한 새로운 테스트들을 도입하려는 추세이다. 이 글에서는 여러 테스트에 대한 설명과 함께, 새로운 테스트를 통과하려면 연기 감지기를 어떻게 설계해야 하는지에 대해 살펴본다.

연기 감지기의 진화

오늘날의 건물들은 일상의 편의성과 안전성을 높이기 위해 다양한 센서들을 활용한다. 조명이나 난방 같은 스마트홈 애플리케이션과 환경 센서뿐 아니라, 안전과 관련한 센서들 역시 매우 중요하다. 이들 중 하나가 연기 감지기이다. 연기 감지기는 의무적으로 사용하도록 법에 규정되어 있다.

그런데 시중의 많은 연기 감지기 제품들이 주방에서 요리할 때 생기는 연기나 욕실의 수증기로 인해 오경보(false alarm)를 일으킬 수 있다는 우려가 늘어나고 있다. 오경보는 결코 사소한 문제가 아니다. 오경보가 발생하는 것이 귀찮아 사용자가 연기 감지기를 아예 꺼둘 수도 있고, 혹은 오경보 때문에 불필요하게 소방관들이 출동할 수도 있다.



그렇다고 욕실이나 주방에 연기 감지기를 설치하지 않는다면 이 역시 심각한 문제가 될 수 있다. 주방 같은 곳에서는 화재 위험성이 높기 때문이다. 특히 최근의 아파트들은 주방과 거실이 이어져 있는 경우가 많다. 현대의 주거 환경에서는 합성 소재 사용이 많아 화재가 빠르게 번질 수 있다. 그러므로 신속한 화재 감지를 위해서는 촘촘하게 설치된 연기 감지기 망이 필요하다.

이에 세계 각 지역별 표준들마다 다양한 종류의 연기를 감지하기 위한 새로운 테스트들을 도입하려는 추세이다. 지역마다 조금씩 다른 규정들을 갖고 있다. EN은 유럽에서, UL은 북미에서, ISO는 국제적으로 사용되는 규격이다. UL은 2021년 6월에 시행 예정인 새로운 개정판(UL 268: 7차 개정판, UL 217: 8차 개정판)에서 ‘햄버거 경보 테스트(hamburger nuisance alarm test)’라고 부르는 화재 경보 오작동 테스트를 도입하고 있다.

이 테스트에서는 특정 농도의 햄버거 패티 연기와 연소 중인 폴리우레탄 연기를 구분할 수 있어야 한다. 이러한 테스트는 주방에서의 오경보 발생률을 낮추는 데 도움이 될 것이다. 이 글에서는 이 테스트에 대한 설명과 함께, 이 새로운 테스트를 통과하려면 연기 감지기를 어떻게 설계해야 하는지에 대해 살펴본다.

UL의 햄버거 경보 테스트

햄버거 경보 테스트는 요리 연기를 재현하여 실시된다. 테스트 자체는 간단하지만, 최신 연기 감지기도 통과하기가 매우 까다로운 테스트이다. 햄버거 패티를 정해진 시간 동안 굽는다. 이때 (정해진 한계에서 시작하여) 발생하는 연기로 인해서 경보가 발생되는지 검사한다. 이 테스트는 모든 연기 감지기를 동일한 조건에서 테스트할 수 있도록 표준화되었다. 광소멸률(obscuration) 측정을 기준으로 사용한다.

테스트를 위해서는 약 2미터의 거리에로 라이트 빔 직경이 10~15cm인 광원을 설치한다. 광원으로는 파장이 589nm인 증기 램프를 사용한다. 램프와 검출기 사이에 연기가 발생하면 빛이 차단된다. 그림 1은 측정 장비 설치 및 측정 원리를 보여준다.



라이트 빔이 연기에 의해서 차단되면 이를 연기가 없는 환경에서 측정한 대조 신호와 비교한다. 이 광소멸률을 근거로 해서 연기 밀도와 연기 농도를 판단할 수 있다. 동일한 입자라고 했을 때, 광소멸률이 높을수록 농도가 높은 것이다. 광소멸률은 입자 타입에 따라서도 달라진다. 이것은 입자 타입마다 산란 단면이 크게 다를 수 있기 때문이다.

광소멸률 시간 또한 경보 발생에 있어서 추가적인 요소이다. 따라서 특정 시간 이내에 특정 광소멸률 한계에 도달하는지 검사한다. 햄버거 경보 테스트에서는 햄버거 패티를 굽는 동안에 광소멸률이 1.5%/ft에 도달하기 전에 경보가 발생하지 않아야 한다고 규정하고 있다.

이 테스트의 2부에서는 소파와 같이 실제 주거 환경에 사용되는 소재로서 폴리우레탄을 연소시켜 테스트를 진행한다. 연기 감지기는 그 차이를 감지하고 광소멸률이 5%/ft에 도달했을 때 경보를 발생해야 한다.

이는 결코 쉽지 않은 일이다. 실제 화재 연기와 요리 연기를 구분하기가 쉽지 않기 때문이다. 게다가 이 테스트는 UL217과 UL 268에서 규정하고 있는 많은 테스트들 중의 하나에 불과하다. 결과의 임의성을 배제하고 감지기들 사이에 전반적인 품질 밀도를 보장하기 위해서는 동일한 연기 감지기 제품 여러 대가 이 테스트를 통과해야 한다.

테스트를 통과할 수 있는 설계는

대부분의 최신 연기 감지기는 광전 원리로 동작한다. 햄버거 경보 테스트에서는 라이트 빔이 방출되고 이 빛이 입자에 부딪혀서 반사된다. 이 산란은 입자 타입, 입자 농도, 산란 각도에 따라서 달라진다. 이 산란 신호에 따라서 연기 감지기의 경보 발생 여부가 결정된다.

연기 감지기가 햄버거 경보 테스트를 통과하려면 햄버거 연기와 그 밖의 연기를 구분할 수 있도록 신호대 잡음비가 높아야 한다. 아나로그디바이스(Analog Devices)의 ADPD188BI는 통합 광학 센서 모듈로서, 연기 감지기 제조사들이 이 까다로운 테스트를 통과할 수 있도록 솔루션을 제공한다. 그림 2는 ADPD188BI의 동작 원리를 보여준다.



연기 감지를 위한 이 통합 모듈 제품은 왼쪽 빈 공간에 파장이 470nm인 청색 LED와 파장이 850nm인 적외선 LED로 구성되는 2개의 트랜스미터 LED를 탑재하고 있다. 오른쪽에는 포토다이오드와 아날로그 프런트엔드(AFE)가 실장된다. LED가 빛을 방출하면 연기 입자가 이 빛을 포토다이오드로 회절시킨다. LED 드라이버가 통합되며 내부 시간 슬롯에 따라서 스위칭한다. 사용자는 이 시간 슬롯을 사용해서, 레지스터를 계속해서 다시쓰기할 필요 없이, 전체 프런트엔드의 타이밍을 제어할 수 있다.

아날로그 프런트엔드는 전류-대-전압 컨버터와 주변 광을 위한 아날로그 필터로 이루어진다. 이 아날로그 필터는 일정한 주변 광을 위한 저역통과 필터와 형광등에서 방출되는 것과 같은 가변적 주변 광을 위한 적분기로 이루어진다. 이 때 아날로그-디지털 컨버터(ADC)는 전압을 디지털 신호로 변환한다.

ADPD188BI는 높은 수준의 기능 통합을 통해 다양한 이점들을 제공한다. 불과 몇몇 외부 부품만을 필요로 하므로 전체적인 시스템을 좀더 수월하게 교정할 수 있다. 2색 광 파장 검출을 사용함으로써 오경보 발생률을 더욱 낮춘다. 각 파장을 개별적으로 측정하는 것에 더해서, 그 비율까지 제공하기 때문이다. 뿐만 아니라 이 모듈은 기존 검출기보다 크기가 작고 전력 소모도 적다. 적외선 LED를 작동할 때의 전력 소모가 5μW/Hz 이하이다. LED와 포토다이오드를 아날로그 프런트엔드에 완벽하게 통합함으로써 연기 감지기 제조사들에게 단일 모듈 솔루션을 제공한다.

ADPD188BI 모듈의 이처럼 높은 통합 수준은 햄버거 경보 테스트를 통과하는 데도 유리하다. 통상적으로 LED는 특정 전류 조건에 대해 광도 측면에서 부품 간 편차가 크다. 이 때문에 지금까지 연기 감지기 제조사들은 교정 작업을 해야 했다. LED 광도-대-전류의 기울기와 오프셋을 교정함으로써 모든 LED가 동일하게 동작하도록 할 수 있다. 아나로그디바이스는 LED와 전체적인 신호 경로를 ADPD188BI 모듈에 통합하고 이 센서 모듈을 사전에 교정함으로써 부품 간 편차를 줄였다. 연기 감지기 제조사들은 이처럼 사전 교정이 완료된 모듈을 사용하여 시스템 설계를 보다 쉽게 할 수 있다.

아나로그디바이스가 사용하는 교정 방법은 LED의 기울기와 오프셋을 곧바로 교정하는 것이다. 이를 위해 ADPD188BI는 반사기 아래에 탑재된다. 반사된 빛은 포토다이오드에 의해 측정된다. 각각의 ADPD188BI로 기울기와 오프셋을 계산하고, 교정 계수를 칩에 내장된 비휘발성 메모리인 eFUSE 레지스터에 저장한다. 이 계수들을 판독함으로써 칩 편차를 최소화할 수 있다. 이는 알고리즘에 경보 임계값을 좀더 예민하게 설정할 수 있고, 오경보를 줄일 수 있고, 궁극적으로 UL 테스트를 성공적으로 통과할 수 있다는 것을 의미한다.

그림 3은 표준 UL 테스트 환경에서 수행한 ADPD188BI의 테스트 결과를 보여준다. 왼쪽은 햄버거 연기에 대한 것이고, 오른쪽은 연소 폴리우레탄 연기에 대한 것이다.



이들 도표는 시간(x축)에 대한 ADPD188BI의 신호(왼쪽 y축)를 보여준다. 이 값은 전력 전달 비율로서 구한 것이다. 다시 말해 LED 동작 전력과 포토다이오드로 수신된 전력의 비율이다. 이 전력 전달 비율을 공식으로 나타내면 다음과 같다:
 


이 수치를 사용해서 모듈들을 비교할 수 있다. 오른쪽 y축은 %/ft로 광소멸률을 나타낸다. 녹색 선은 UL 기준 빔이고, 파란색과 보라색 선은 각각 ADPD188BI의 청색과 적외선 신호를 보여준다.

그림 3에서 보듯이, ADPD188BI의 신호 선들이 두 상황으로 매우 다르다는 것을 알 수 있다. 이것은 이 센서가 두 가지 연기 유형을 확실하게 구분할 수 있다는 것을 말해준다. 한 가지 차이점은 시간에 따른 신호의 전개인데, 경보 임계점이 폴리우레탄 연기의 경우는 220초 이후로서, 이는 1000초 이후를 나타낸 햄버거 연기에 비하면 4분의 1 수준이다. 폴리우레탄의 경우 테스트 통과 기준인 4분보다 훨씬 전에 이미 한계 수준을 감지하고 있다.

이 센서는 또한 신호대 잡음비가 높아서 입자 농도의 변화를 확실하게 구분하고 기록할 수 있다. 이는 그림 3의 오른쪽 그래프에서 빨간색으로 표시한 부분에서 보이는 것처럼, 연소하는 폴리우레탄 사례에서 기울기가 갑자기 치솟는 것으로서 알 수 있다.

또한 ADPD188BI는 2가지 파장을 측정하는데, 이 둘의 비율은 또 다른 수치를 제공하므로 이를 사용해서 햄버거 연기를 감지하기 위한 알고리즘의 강건성을 높일 수 있고, 그럼으로써 햄버거 경보 테스트를 성공적으로 통과할 수 있다.

연기 감지의 획기적 전환점이 될 통합 광학 모듈

새로 도입된 햄버거 경보 테스트를 통과하기란 말처럼 그리 쉬운 게 아니다. 햄버거 패티가 탈 때 나는 연기 입자가 일상적인 연기와 별로 다르지 않기 때문이다. 따라서 햄버거 패티 연기와 그 밖의 연기들을 구분하기 위해서는 연기 센서에 높은 신호대 잡음비가 요구된다. 이를 위해서는 센서 부품 간 편차가 낮은 것 또한 중요하다.

그래야 측정 신뢰성을 높일 수 있고 테스트를 성공적으로 통과할 수 있다. 이는 최종 애플리케이션에서의 오경보 발생 저하로 이어질 것이다. 연기 감지를 위한 새로운 통합 광학 모듈 ADPD188BI를 통해서 아나로그디바이스는 고감도의 통합 센서 모듈을 제공한다. ADPD188BI는 높은 신호대 잡음비와 2색 검출 기능을 제공할 뿐 아니라 부품 간 편차를 최소화함으로써 시스템 설계와 알고리즘 개발을 간소화한다.
 

저자 소개

크리스토프 캐머러(Christoph Kämmerer)는 2015년 2월 아나로그디바이스(Analog Devices) 독일 지사에 입사했다. 2014년에 에를랑겐 소재 프리드리히 알렉산더 대학에서 물리학 석사학위를 취득했다. 아나로그디바이스 리머릭 지사에서 프로세스 개발과 관련해서 인턴으로 근무했으며, 2016년 12월에 수습 프로그램을 마친 후 현재 FAE로서 신생 애플리케이션을 주로 맡고 있다.
문의: christoph.kaemmerer@analog.com

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