Датчики дыма: спасающая жизнь технология, история и современные инновации

Общие сведения

Датчик дыма (smoke detector) детектирует воздушные частицы и оповещает жильцов, давая критические секунды для эвакуации до того, как вдыхание дыма или ожоги станут летальными. Оборудование дома хотя бы одним датчиком снижает риск гибели при пожаре на 50 %. В 1992 г. читатели R&D Magazine назвали домашние пожарные сигнализации одним из «30 продуктов, изменивших нашу жизнь». С начала 1970-х датчики стали широко доступны и доступны по цене. До их внедрения жертвы домашних пожаров в среднем 10 000 в год; к началу 1990-х — ниже 6000 ежегодно.

Бытовые датчики бывают двух основных типов. Фотоэлектрический использует оптический луч; когда частицы дыма рассеивают луч, фотоэлектрическая ячейка фиксирует падение интенсивности и триггерит тревогу. Эта конструкция наиболее отзывчива к тлеющим пожарам с густым дымом. Ионизационная камера (ICSD) использует малую дозу радиоактивного материала для ионизации воздуха в сенсорной камере. Дым нарушает ионный поток между электродами, запуская тревогу. ICSD быстрее детектирует открытое горение с малым дымом. В США 80–90 % жилых блоков — ICSD.

Большинство ICSD — автономные блоки на 9-вольтовой батарее, но строительные коды во многих регионах теперь требуют подключения к электросети дома с батарейным бэкапом на случай отключения питания.

Радиационный источник ICSD излучает альфа-частицы, срывающие электроны с молекул воздуха, создавая положительные и отрицательные ионы. Противоположно заряженные электроды в камере притягивают ионы, устанавливая малый ток. Частицы дыма прикрепляются к ионам, прерывая ток. Референтная камера, свободная от дыма, дает базовину; значимая разница между камерами триггерит тревогу.

История

В 1939 г. швейцарский физик Эрнст Мейли изобрел ионизационную камеру для детекции горючих газов в шахтах. Прорыв — холоднокатодная трубка, усиливающая слабый электрический сигнал до уровня, способного драйвить тревогу.

Хотя ICSD вошли на рынок США в 1951 г., изначально ограничивались промышленностью из-за стоимости. К 1971 г. жилые ICSD стали коммерчески доступны по ~$125, продавали несколько сотен тысяч в год. За следующие пять лет улучшения — твердотельная схема, энергоэффективные сирены, умный мониторинг батареи — снизили цену на 80 % и вытолкнули продажи до 8 млн в 1976 г. и 12 млн в 1977 г. Улучшения также позволили обычные 9-вольтовые батареи и сократили нужное радиоактивное вещество.

Сырье

ICSD собирают из корпуса поливинилхлорида или полистирола, малогабаритного электронного звука, печатной платы (ПП) со стандартными компонентами, сенсорной камеры и референтной камеры, каждая с электродами и радиоактивным источником.

Америций-241 (Am-241) — предпочтительный радиоактивный источник с конца 1970-х. Высокая стабильность, полувыраст 458 лет, инкапсулирован в золотые и серебряные фольги для безопасной манипуляции.

Производственный процесс

Производство включает два главных шага: изготовление Am-241 источника в рабочую фольгу и сборку полного ICSD. Каждый этап включает жесткое тестирование для надежности.

Радиоактивный источник

• AmO₂ смешивают с золотом, прессуют в брикет, сплавляют под давлением и теплом >800 °C. Брикет оборачивают в серебро и золото, герметизируют. Холодная прокатка приводит фольгу к ~0,2 мм толщиной, 20 мм ширине, режут на полосы 1 м.
• Круглые исходные диски (~5 мм) выбивают из фольги, монтируют в металлические держатели, запечатывают прокатанным металлическим ободом.

Сенсорная и референтная камеры

• Исходный диск устанавливают в сенсорную камеру и второй — в референтную. Электроды помещают в обе камеры и выводят наружные контакты.

Печатная плата

• ПП изготавливают по схеме: сверлят отверстия, наносят медные трассы на обратную сторону. Компоненты — диоды, конденсаторы, резисторы — паяют на плату, выводы подрезают.
• Сенсорная камера, референтная камера, звук монтируют на ПП.
• Волновая пайка финализирует монтаж компонентов.

Корпус

• Пластиковый корпус — монтажная база и крышка — литье под давлением: порошковый пластик с пигментами нагревают, формуют под давлением, охлаждают.

Финальная сборка

• ПП сажают на пластиковую базу, устанавливают тестовую кнопку, монтажную кронштейн, накрывают крышкой — блок готов.
• Готовый детектор упаковывают в коробку с батареей и инструкцией.

Новые разработки

Недавние инновации повышают эффективность. Одна модель включает стробоскопическую тревогу, оповещающую слабослышащих даже когда детектор в другой части здания.

В 1993 г. Newtron Products редизайнили традиционный детектор для размещения в стандартных корпусах фильтров HVAC, позволяя непрерывный пробор воздуха по всему зданию. При детекции дым блок выключает вентилятор против распространения дыма и излучает дуктовый резонансный сигнал, слышимый по всей конструкции.

Акустический детектинг — другой الناشющий подход. Исследователи NIST Building and Fire Research Laboratory обнаружили: различные строительные материалы — дерево, пластик, гипсокартон — излучают характерные звуки при экспансии от быстрого нагрева. Пьезоэлектрические преобразователи улавливают эти акустические сигнатуры до возгорания материалов, давая раннее предупреждение зарождающихся пожаров — перегрева электропроводки.