KR20110004106A

KR20110004106A - 광전식 연기감지기의 점검장치

Info

Publication number: KR20110004106A
Application number: KR1020090061748A
Authority: KR
Inventors: 육현대; 이춘하; 김시국; 양승현
Original assignee: 호서대학교 산학협력단
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-13
Also published as: KR101018968B1

Abstract

본 발명은 광전식 연기감지기의 작동기준인 연기농도에 자동으로 도달시킬 수 있어 점검시의 신뢰성을 높일 수 있는 광전식 연기감지기의 점검장치에 관한 것으로, 하우징의 하단에 설치되어 가열된 열에 따라 연기를 발생하는 연기발생부와, 상기 하우징의 내부에 형성되어 연기발생부로부터 발생된 연기가 연기감지기로 직접 유도되는 것을 차단하는 차단부재와, 상기 하우징 내에서 차단부재 하단에 설치되어 상기 연기발생부에서 발생된 연기가 연기감지기의 수평 방향으로 공급 및 순환되도록 유도하는 순환팬과, 상기 하우징의 내부 상단부와 차단부재 사이의 양 측면에 이격 설치되어 순환팬에 의해 공급된 연기의 농도를 검출하는 광센서, 및 상기 연기발생부와 순환팬의 동작을 펄스폭변조(PWM) 방식으로 제어하되, 순환팬을 점검시간동안 규정된 풍속을 펄스폭변조에 의해 일정하게 유지하고, 광센서를 통해 검출된 광량의 변화량에 따라 연기농도를 계산하여 표시함과 아울러 검출한 연기농도가 설정된 목표값에 도달할 경우 연기발생부의 동작을 가변 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

화재감지기, 점검기기, 연기, 광센서, PWM제어, 마이크로프로세서

Description

광전식 연기감지기의 점검장치{DEVICE FOR FIELD INSPECTING OF SMOKE DETECTOR}

본 발명은 화재감지기의 점검장치에 관한 것으로, 특히 연기농도 측정이 가능하고 광전식 연기감지기의 형식승인시의 작동기준인 연기농도에 자동으로 도달 및 유지시킬 수 있어 점검시의 신뢰성을 높일 수 있는 광전식 연기감지기의 점검장치에 관한 것이다.

일반적으로, 건물에는 화재가 발생했을 때 많은 사람들이 이 화재상태를 자각할 수 있도록 하기 위해 경보기를 울리는 화재경보장치가 설치되어 있다.

이러한 화재경보장치는 화재가 발생되었을 때, 연기나 열을 감지하여 일정신호를 출력하는 화재감지기와, 화재감지기로부터 일정신호를 입력받아 경보음을 발생시키는 경보장치로 구성된다.

여기서, 화재감지기는 주로 건물내 천장 등에 설치되는 것으로, 화재에 의하여 발생되는 열을 이용하는 열감지기와 연기를 감지하는 연기감지기로 나누어진다. 보통 화재감지기의 외주면에 설치된 LED는 열이나 연기의 정도가 일정 정도에 이르면 점등되는데, 이는 화재감지기가 작동을 시작한다는 것을 의미한다.

이러한 화재감지기 중 상기 열감지기로서는 바이메탈식이나 열반도체식 및 열전대식 등이 있으며, 연기감지기로는 광전식과 이온화식이 이용되고 있다.

기존의 화재감지기 점검장치는 이러한 화재감지기(열감지기, 연기감지기)의 작동상태를 체크하는 기구로서, 열을 발생시킴으로서 열감지기의 작동상태를 체크하는 열 점검기기와, 연기를 발생시킴으로서 연기감지기의 작동상태를 체크하는 연기 점검기기가 있다.

상기 광전식 연기감지기 점검기기의 경우 연기시료의 종류에 따라 A타입(향)과 B타입(디메틸실리콘오일) 및 C타입(탄화수소혼합물)의 3가지 방식의 점검기기가 있다.

도 1은 향을 연기시료로 사용하는 A타입 점검기기의 구성도를 나타낸 것으로, 광전식 연기감지기의 감도실험을 수행하는 점검부(10)와, 점검부(10)를 조절하는 컨트롤러(20; 조작부)로 구성되어 있다. 점검부(10)는 향(11), 상기 향을 지지하는 솔더링 금속(12), 향과 솔더링 금속을 감싸고 있는 하우징(15), 및 지지대(14)를 포함하여 구성된다.

A타입 점검기기는 컨트롤러(20)의 전압조정단자(V.ADJ)를 이용하여 전압을 높이면 온도가 상승하게 되어 연기가 발생한다.

도 2는 디메틸실리콘오일을 연기시료로 사용하는 B타입 점검기기의 구성도를 나타낸 것으로, 연기감지기의 감도실험을 수행하는 점검부(30)와, 점검부(30)를 조 절하는 컨트롤러(40; 조작부)로 구성되어 있다. 점검부(30)는 연료탱크(31), 디메틸실리콘오일이 적셔진 면솜(32), 상기 면솜에 설치된 가열심지(33), 팬(34), 벨로우즈 커버(35), 및 지지대(36)를 포함하여 구성된다.

모세관 현상에 의해 디메틸실리콘오일이 면솜(32)에 공급된 상태에서 가열심지(33; Heating wick)에 전원이 인가되면 코일이 가열되고, 디메틸실리콘오일이 연소되어 연기를 발생시킨다.

도 3은 탄화수소혼합물을 연기시료로 사용하는 C타입 점검기기의 구성도를 나타낸 것으로, 점검기기(50)는 연료탱크(51)와 노즐(52), 금속바(53), 홀더(54), 스프링(55) 및 지지대(56)로 구성되어 있다.

상기 연료탱크(51)에 저장된 연기시료를 노즐(52)을 통해 분사하는 방식으로 연기감지기를 점검한다. 연기시료로는 프로판 48%, 부탄 29%, 이소부탄 23% 등으로 구성되어 있으며, 별도의 전원이 필요없고 에어로졸 방식으로 연기를 약 2초 정도 분사하여 감도실험을 실시한다.

본 출원인은 기존의 광전식 연기감지기의 점검기기의 문제점을 분석하고자 현재 현장에 설치되어 사용 중에 있던 10년 이상이 된 광전식 연기감지기 200개를 실험시료로 사용하여 감지기 형식승인시 시험장비를 이용한 감도실험의 작동율과 현장 점검기기를 이용한 감도실험의 작동율을 비교ㅇ분석하였다. 형식승인시 감도실험은 화재감지기의 형식승인 및 검정기술기준(KOFEIS 0301) 제19조(광전식 감지기의 감도시험)에 의거하여 감광율이 15%/m인 농도의 연기를 포함하는 풍속 20∼40cm/s의 기류에 투입하는 경우 30초 이내에 광전식 연기감지기가 작동하는지에 대 해 실험을 실시하였다. 현장 점검기기의 감도실험은 점검기기의 작동순서에 의해 실험을 실시하여 광전식 연기감지기가 30초 이내에 작동하는지 확인하였다.

아래 표 1은 광전식 연기감지기의 감도 실험 결과를 나타낸 것으로, 감지기의 형식 승인시의 감도실험 결과 총 200개의 시료 중 작동 127개와 부작동 73개로써 부작동율 36.5%로 나타났으며, 점검기기를 이용한 감도실험 결과, A타입 점검기기(10)에서는 총 200개의 시료 중 작동 191개와 부작동 9개로써 부작동율 4.5%, B타입 점검기기(30)에서는 총 200개의 시료 중 작동 195개와 부작동 5개로써 부작동율이 2.5%, C 타입 점검기기(50)에서는 총 200개의 시료 중 작동 196개와 부작동 4개로써 부작동율 2.0%로 나타났다.

점검기기의 타입	샘플 개수	작동 개수	부(不)작동 개수
Approval type	200개	127개	73개
A type	200개	191개	9개
B type	200개	195개	5개
C type	200개	196개	4개

도 4는 광전식 연기감지기의 감도실험결과 작동율을 그래프로 나타낸 것으로, 감지기 형식승인시 시험장비를 이용한 감도실험과 현장 점검기기를 이용한 감도실험의 경우 작동율상에서 약 33.5%(형식승인시의 감도시험 부작동율; 36.5%, 점검기기의 감도시험 부작동율 평균; 3.0%)이상 차이가 나타나는 것을 확인하였다. 이는 현재 현장 점검기기를 이용한 감도실험의 경우 감지기 형식승인시의 감도실험 작동율을 기준으로 볼 때 신뢰성이 33.5 % 이상 떨어지는 것이다.

이와 같은 결과로 소방점검시 기존 점검기기를 이용한 감도실험은 화재감지기의 정상적인 작동여부를 확인할 수 없으며, 이는 화재발생시 화재감지기의 작동실패를 초래할 수 있는 원인으로 사료된다.

도 5는 아날로그식 광전식분리형감지기를 이용한 연기시료의 농도측정 실험결과를 나타낸 것으로, 광전식 연기감지기의 형식승인시 시험기준은 연기농도 15%/m의 일정한 농도에서 감도실험이 실시되고 있으나, 점검기기의 연기농도를 측정해 본 결과 A타입 점검기기(10)의 경우 연기농도 31%/m, B타입 점검기기(30)의 경우 연기농도 31%/m, C타입 점검기기(50)의 경우 연기농도 44%/m로 형식승인시의 농도보다 A타입 및 B타입 점검기기는 약 2배 이상, C타입 점검기기는 약 3배 이상의 높은 연기농도로 측정되는 것을 확인할 수 있었다.

도 6은 광학농도계를 이용한 연기농도 측정 실험결과를 나타낸 것으로, 광전식 연기감지기의 형식승인시 시험기준은 연기농도 15%/m의 일정한 농도에서 감도실험이 실시되고 있으나, 현장 점검기기의 연기시료의 농도를 측정해 본 결과 A타입 점검기기(10)의 경우 연기농도 32%/m, B타입 점검기기(30)의 경우 연기농도 32%/m, C타입 점검기기(50)의 경우 연기농도 50%/m로 형식승인시의 농도보다 A타입 및 B타입 점검기기는 약 2배 이상, C타입 점검기기는 약 3배 이상의 높은 연기농도를 확인할 수 있었다.

신뢰성확인 실험결과와 연기농도 측정실험결과로부터 다음과 같은 고찰이 가능하였다. 형식승인시의 작동율과 A타입, B타입 및 C타입 현장 점검기기를 이용한 작동율에서 33.5%라는 큰 차이를 확인하였다. 이것은 화재감지기의 작동신뢰도 측면에서 현장 점검기기의 신뢰도가 형식승인시의 신뢰도보다 33.5% 낮음을 반증하는 결과이다.

아날로그식 광전식분리형감지기와 광학농도계를 이용한 현장 점검기기의 연기시료농도 측정실험 결과에서 알 수 있는 사실은 기존의 현장 점검기기로는 감지기의 정확한 동작여부에 대한 점검이 어려울 뿐만 아니라, 정확한 연기농도 측정이 불가하다는 것이다. 그리고 광전식 연기감지기로 유입되는 실제의 연기농도는 감지기의 체적과 환경조건을 고려하면 측정된 연기농도 수치보다 더 높을 것으로 사료된다.

따라서, 광전식 연기감지기에 대한 기존의 점검기기를 실험한 바, 연기발생농도가 형식 승인 기술기준 대비 2~3배에 달할 정도로 높아 현장점검의 의미가 없을 정도이고, 기존 점검기기의 경우 연기농도 측정이 실제로 불가하여 표준화된 점검기기의 개발이 시급하다.

본 발명은 연기감지기의 정확한 성능확인을 위한 광전식 연기감지기의 고신뢰성 점검기기를 개발함으로써, 화재발생시 화재감지기의 정확한 작동성능을 확보하여 화재피해를 최소화할 수 있는 광전식 연기감지기의 점검장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 점검부 내부의 기구적인 개선을 통해 발생된 연기가 감지기의 챔버내에 수평기류로 유입되고, 비접촉식 광센서(Photo Sensors)와 PWM(PULSE WIDTH　MODULATION)제어부 및 메인제어부를 채용하여 점검부 내 셀 블록의 연기농도를 자동으로 측정하여 디스플레이가 가능하고, 디스플레이되는 연기농도에 의해 연기발생부를 제어하여 연기농도를 일정하게 유지 및 자동 점검이 가능한 광전식 연기감지기의 점검장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 점검기기는, 하우징의 하단에 설치되어 가열된 열에 따라 연기를 발생하는 연기발생부; 상기 하우징의 내부에 형성되어 연기발생부로부터 발생된 연기가 연기감지기로 직접 유도되는 것을 차단하는 차단부재; 상기 하우징 내에서 차단부재 하단에 설치되어 상기 연기발생부에서 발생된 연기가 연기감지기의 수평 방향으로 공급 및 순환되도록 유도하는 순환팬; 상기 하우징의 내부 상단부와 차단부재 사이의 양 측면에 이격 설치되어 순환팬에 의해 공급된 연기의 농도를 적외선으로 검출하는 광센서; 및 상기 연기발생부와 순환팬의 동작을 펄스폭변조(PWM) 방식으로 제어하되, 순환팬을 점검시간동안 설정된 풍속을 펄스폭변조에 의해 일정하게 유지하고, 광센서를 통해 검출된 적외선의 변화량에 따라 연기농도를 계산하여 표시함과 아울러 검출한 연기농도가 설정된 목표값에 도달할 경우 연기발생부의 동작을 가변 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 차단부재는 상기 순환팬과 광센서의 사이에 설치되어 연기발생부에서 발생된 연기가 상기 순환팬에 의해 하우징 내에서 순환되도록 한다.

상기 연기발생부는, 단열재로 이루어진 셀 블록; 상기 셀 블록의 하단부에 설치되는 히터; 상기 히터의 상단에 안착되어 가열된 열에 따라 연기를 발생하는 연기시료; 및 상기 연기시료에서 발생된 연기에 포함된 그을음을 제거하는 필터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 광센서는 순환팬에 의해 공급된 연기가 연기감지기에 도달하기 전에 감지할 수 있는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기 하우징의 상단에 형성되어 천장에 설치된 연기감지기를 씌워서 외부와 밀폐시키는 커버부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 컨트롤러는, 검출한 연기농도가 설정된 목표값에 도달하였는지의 여부에 따른 제어신호에 따라 연기발생부와 순환팬으로 공급되는 전압의 펄스폭을 가변시키는 PWM제어부; 상기 광센서로부터 입력된 적외선 변화량을 증폭 및 정류하는 신호처리부; 상기 신호처리부로부터 입력된 신호를 디지털신호로 변환하고, 디지털로 변환된 데이터를 산술처리하여 변화량에 해당하는 연기농도를 산출함과 아울러 산출한 연기농도가 일정한 목표값에 도달할 경우 PWM제어부를 통해 연기발생부의 작동을 가변 제어하는 메인제어부; 및 상기 산출된 연기농도와 연기농도에 따른 테스트관련 메시지를 출력하는 디스플레이;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 소방점검 시에 연기감지기의 정확한 성능확인을 위한 표준화 및 자동화된 광전식 연기감지기의 점검기기를 개발함으로써 현장 점검에 있어서 정확한 점검이 가능하며, 화재발생시 화재감지기의 정확한 작동성능을 확보하여 화재피해를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 7은 본 발명에 의한 연기감지기의 현장 점검기기를 나타낸 회로 블록도이고, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 의한 점검부의 구성을 나타낸 측면도 및 사시도로서, 점검기기는 점검부(100)와 컨트롤러(200)를 포함하여 이루어져 있다.

점검부(100)는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 차단부재(111)와 순환팬(113) 및 광센서(115)가 내장된 하우징(110)과, 상기 하우징(110)의 하단에 설치되어 셀 블록(151)이 내장된 연기발생부(150), 및 상기 하우징(110)의 상단에 설치되어 천장에 위치한 연기감지기(1)를 외부와 밀폐시키는 커버부재(190)를 포함하여 이루어져 있다.

연기발생부(150)는 가열된 열에 따라 연기를 발생하게 되는 데, 연기발생부(150)는 단열재로 이루어진 셀 블록(151)과, 상기 셀 블록(151)의 하단에 설치되어 열을 발생하는 히터부(153)와, 상기 히터부(153)의 상단에 안착되어 가열된 열에 따라 연기를 발생하는 연기시료(155)와, 상기 연기시료(155)에서 발생된 연기에 포함된 그을음(soot)을 제거하는 필터(157)를 포함하여 이루어져 있다.

아울러, 셀 블록(151)은 단열 케이스로 이루어져 열이 외부, 내부의 센서 및 회로 부품들로 방출되는 것을 차단하게 되며, 상기 히터부(153)는 공급된 전원에 따라 가열되는 세라믹 재질의 히터(153-1)와, 상기 히터(153-1)의 하단에 설치된 단열판(153-2) 및 상기 히터(153-1)의 상단에 설치된 금속플레이트(153-3)로 이루어져 있다.

한편, 차단부재(111)는 하우징(110)의 내부에 형성되어 연기발생부(150)로부터 발생된 연기가 연기감지기(1)로 직접 유도되는 것을 차단하게 된다.

순환팬(113)은 하우징(110) 내에서 차단부재(111)의 하단에 설치되되 상기 연기발생부(150)에서 발생된 연기가 연기감지기(1)의 수평 방향으로 유입되도록 유도하게 된다.

광센서(115)는 상기 하우징(110)의 내부의 상단부와 차단부재(111) 사이의 양 측면에 이격 설치되어 순환팬(113)에 의해 공급된 연기의 농도를 적외선으로 검출하는 발광소자(115-1) 및 수광소자(115-2)로 이루어져 있다. 상기 광센서(115)는 순환팬(113)에 의해 공급된 연기가 연기감지기에 도달하기 전에 감지할 수 있는 위치에 설치되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 차단부재(111)는 상기 순환팬(113)과 광센서(115)의 사이에 설치되어 연기발생부(150)에서 발생된 연기가 상기 순환팬(113)에 의해 하우징 내에서 회전되는 순환 수평 기류를 형성하게 된다. 여기서, 연기감지기(1)에 수직으로 연기가 유입될 경우 점검부(100)의 내부에는 상당히 많은 연기가 차 있는 상태에서 연기를 점검하게 되는 문제점이 있지만, 연기감지기(1)에 수평으로 연기가 유입될 경 우 연기감지기의 형식승인 기준과 동일한 농도의 연기측정이 가능하게 된다.

커버부재(190)는 하우징(110)의 상단에 형성되어 천장에 설치된 연기감지기(1)를 씌워서 연기감지기를 외부로부터 밀폐시키게 된다.

그리고, 컨트롤러(200)는 도 7에 도시된 바와 같이 PWM제어부(210)와 신호처리부(220), 메인제어부(230), 디스플레이(240) 및 전원공급부(250)를 포함하여 이루어져 있는 데, 상기 컨트롤러(200)는 상기 연기발생부(150)와 순환팬(113)의 동작을 펄스폭변조(PWM) 방식으로 제어하되, 순환팬(113)을 점검시간동안 설정된 풍속을 펄스폭변조에 의해 일정하게 유지하고, 광센서(115)를 통해 검출된 적외선의 변화량에 따라 연기농도를 계산하여 표시함과 아울러 검출한 연기농도가 설정된 목표값에 도달할 경우 연기발생부(150)의 동작을 가변 제어하도록 구성되어 있다.

아울러, 상기 PWM제어부(210)는 검출한 연기농도가 설정된 목표값에 도달하였는지의 여부에 따른 제어신호에 따라 연기발생부(150)와 순환팬(113)으로 공급되는 전압의 펄스폭을 가변시키되, 점검시간동안 일정한 속도의 풍속 및 연기농도를 유지하도록 제어한다. 신호처리부(220)는 상기 광센서(115)로부터 입력된 적외선 변화량을 증폭 및 정류한다. 메인제어부(230)는 상기 신호처리부(220)로부터 입력된 신호를 디지털신호로 변환하고, 디지털로 변환된 데이터를 산술처리하여 변화량에 해당하는 연기농도를 산출함과 아울러 산출한 연기농도가 일정한 목표값에 도달할 경우 PWM제어부(210)를 통해 연기발생부(150)의 작동을 가변 제어한다. 디스플레이(240)는 상기 메인제어부(230)에 의해 산출된 연기농도와 연기농도에 따른 테스트관련 메시지를 표시한다.

상기에서 메인제어부(230)는 예컨대, ATmega 128형 마이크로컨트롤러가 이용될 수 있고, 상기 PWM제어부(210)는 L298N형 DC모터 드라이버가 이용될 수 있다.

즉, 연기발생부(150)에서 발생된 연기는 차단부재(111)와 순환팬(113)에 의해 연기감지기(1)에 수평으로 유입되게 된다. 즉, 상기 발생된 연기는 차단부재(111)로 인해 연기감지기(1)로 직접 유도되지 않는다. 이때, 발생된 연기농도는 광센서(115)에 의해 검출된다.

상기 광센서(115)의 수광소자(115-2)를 통해 검출되는 발광소자(115-1)의 적외선의 양은 연기농도에 따라 달라지게 되는데, 이 적외선의 변화량은 광센서(115)에 의해 읽혀지고 신호처리부(220)에서는 이 변화량을 증폭 및 정류하여 메인제어부(230)로 전달한다. 메인제어부(230)에서는 이를 ADC(analog/digital converting)하고 표준편차를 이용하여 안정된 값으로 산술처리하여 변화량에 해당하는 농도를 디스플레이(240; LCD)에 표시한다. 이때 표시되는 농도가 일정한 목표값에 도달할 경우 메인제어부(230)는 출력부인 PWM제어부(210)를 통해 연기발생부(150)의 작동 상태를 제어하도록 하며, 점검시간동안 순환팬(113)의 속도를 일정하게 유지하도록 한다.

상기 광센서(115; Photo Sensor)는 연기농도를 측정하기 위한 반도체 소자로, 적외선 발광다이오드로 구성된 발광소자(115-1; EL-1KL5)와 포토트랜지스터로 구성된 수광소자(115-2; ST-1KLA)로 이루어져 있다.

상기 발광소자(115-1)는 고성능 갈륨비소(GaAs) 적외선 발광다이오드로서, 인간의 시각으로는 감지되지 않지만 수광소자(115-2)인 포토다이오드 또는 포토트 랜지스터 등과 조합하여 광센서의 역할을 하는 소자이다.

화합물 반도체는 실리콘이나 게르마늄처럼 단일 소자를 바탕으로 하는 반도체와는 달리 두 종류 이상의 원소가 비교적 간단한 정수비로 결합된 화합물 소자를 일컫는다. 대표적인 화합물 반도체인 갈륨비소(GaAs) 반도체는 실리콘 반도체보다 스위칭 속도가 10배 이상 빠르고, 소비전력도 11배 이상 낮아 이동통신, 위성통신, 자동차용 충돌방지장치 및 모바일 센서 등의 마이크로파 시스템과 초고속 광통신시스템 등의 핵심 부품으로 널리 사용되고 있다.

갈륨비소(GaAs) 적외선 발광다이오드의 특징으로는 좁은 빔 각도를 가지며, 우수한 내구성, 요구되는 어떠한 환경조건하에서도 고신뢰도를 보증하고 있으며, 빔 각도가 ㅁ 5ㅀ로서 우수한 지향성과 직진성을 가진다.

또한, 갈륨비소(GaAs) 적외선 발광다이오드는 전력소비가 적고 작동온도 범위가 넓은 특징이 있고, 주위온도가 약 25℃ 정도까지 상승하더라도 전력손실의 변화가 없다가 그 이상의 온도에서는 전력손실이 오히려 직선적으로 감소되는 특징을 가지고 있으며, 주위온도 25℃의 조건에서 정전류의 증가에 따라 복사강도 또한 거의 비례적으로 증가하는 특징을 지니고 있다. 또한, 온도가 상승할수록 복사강도는 약간 감소할 뿐 큰 변화는 없으며, 900∼1,000nm 사이의 파장에서 상대적인 강도가 절정에 다다르는 특징이 있다.

또한, 갈륨비소(GaAs) 적외선 발광다이오드는 1.0∼1.3V 사이의 정전압 범위에서 정전류가 급격히 상승하는 특징이 있어 증폭효과가 탁월하고, 다른 적외선 발광다이오드의 방사각도보다 범위가 좁아 상대적으로 첨예한 직진성과 지향성을 가 질 수 있으며, 거리의 증가에 따라 상대복사강도 값은 감소하는 추세를 가진다.

상기와 같은 특성을 갖는 발광소자(115-1)의 규격과 특성을 아래 표 2 및 표 3에 각각 정리하였다.

항목	기호	정격	단위
역전압	V_R	5	V
정전류	I_F	100	mA
펄스정전류^*1	I_FP	1	A
전력소비	P_C	170	mW
작동온도	Topr.	-40∼+100	℃
보관온도	Tstg.	-55∼+125	℃
납땜온도	Tsol.	260	℃

여기서, *1은 pulse width가 pw ≤ 100㎲이고, period는 10㎳이다.

항목	기호	조건	최소값	표준값	최대값	단위
정전압	VF	IF=100mA	·	1.35	1.7	V
역전류	IR	VR=5V	·	·	10	μA
캐패시턴스	Ct	f=1MHz	·	25	·	pF
복사강도	Po	IF=100mA	·	10	·	mW/sr
피크방출파장	λp	IF=100mA	·	940	·	nm
스펙트럼밴드폭	△λ	IF=100mA	·	50	·	nm
반각	△θ	·	·	±5	·	deg.

그리고, 수광소자(115-2)인 포토트랜지스터(Photo Transistors)는 광기전력 효과를 이용한 것으로 포토다이오드에 증폭기능을 더한 소자이며, 베이스 표면에 빛이 입사되면 역바이어스된 베이스-컬렉터 사이에 광전류가 흐르고 이 전류가 트랜지스터에 의해 증폭되는 구조를 기지고 있다.

포토트랜지스터는 빛의 유무나 세기를 감지하여 전류로 변환하는 소자로서 적외선 발광소자(115-1)와 결합하여 신호를 포착, 물체 유무를 검출하는 곳에 응용되는 소자이다. 포토트랜지스터는 2단자(Collector, Emitter)형 타입이며, 빔 각도는 ±15°를 유지한다.

본 발명에 적용된 포토트랜지스터는 낮은 소비전력, 폭넓은 작동온도, 광범위한 광전류 동작 특징을 가지며, V_CE(Collector-Emitter voltage)이 증가하면 Ic(Collector current) 값도 상승하게 되는데, 이때 각각의 조도 레벨에 따라 Ic 값이 변하는 특징이 있다. 조도가 높으면 높을수록 Ic 값이 상승하게 된다.

포토트랜지스터는 주위온도 25℃, V_CE=3V의 일정한 조건하에서 조도가 증가함에 따라 컬렉터 전류(Ic) 또한 거의 비례적으로 증가하는 특성을 지니고 있고, 800∼900nm 사이의 파장에서 상대강도가 절정에 다다르는 특성이 있고, 앵글각도가 0±20°의 범위에서 그 감도가 0∼100%까지 변화하는 특성이 있다.

두 주위온도가 약 25℃ 정도까지 상승하더라도 콜렉터 전력손실의 변화가 없다가 그 이상의 온도에서는 전력손실이 오히려 직선적으로 감소되며, 약 100℃ 정도의 온도에서는 손실이 직하강하는 특징을 가지고 있다.

아래 표 4 및 표 5는 수광소자(115-2; ST-1KLA)가 지니는 최대정격 및 전기광학적 특성을 보여준다. 수광소자(115-2)는 낮은 소비전력, 폭넓은 작동온도, 광범위한 광전류 동작 특징을 가짐을 알 수 있다.

항목	기호	정격	단위
C-E voltage	V_CEO	40	V
E-C voltage	I_ECO	4	V
Collector current	I_C	50	mA
Collector power dissipation	P_C	150	mW
Operating temp.	Topr.	-30∼+100	℃
Storage temp.	Tstg.	-50∼+150	℃
Soldering temp.	Tsol.	260	℃

항목	기호	조건	최소값	표준값	최대값	단위
Collector dark current	I_CEO	V_CEO=10V	-	1	200	nA
Light current	I_R	V_CE=10V,E_V=200Lx	1.5	6.0	16	mA
C-E saturation voltage	V_CE (sat)	I_C=2mA, E_V=2000Lx	-	0.2	0.4	V
Rise time	tr	V_CC=10V,I_C=2mA R_L=100Ω	-	8	-	μs
Fall time	tf	V_CC=10V,I_C=2mA R_L=100Ω		10	-	μs
Spectral sensitivity	λ	-	500~1050			nm
Peak wavelength	△p	-	-	880	-	nm
Half angle	△θ	-	-	±15	-	°

한편, 출력부(210)는 목표값 도달여부에 따라 연기발생부(150) 및 순환팬(113)을 제어해 주는 부분으로서 펄스폭변조 기능을 갖는다.

예컨대, PWM제어부(210)는 연기감지기(1)에 도달되는 연기농도가 15%/m가 되었을 때 연기발생부(150)의 펄스폭 제어를 통해 연기농도를 일정하게 유지시켜 주기 위한 장치이다. 기존의 현장 점검기기를 살펴보면 연기만을 일방적으로 공급하는 단편적인 기능을 가질 뿐 일정 연기농도에 도달할 경우 연기공급을 제어하는 기능과 일정농도에 도달된 연기를 유지시켜 주는 항연 기능이 없다. 이로 인해 연기농도가 연기감지기의 작동 농도를 초과하여 과도하게 공급되는 문제점이 발생하였다.

따라서, PWM제어부(210)로 사용하여 연기의 농도가 일정한 범위에 도달할 경우 연기 공급을 제어하고, 연기농도가 낮은 경우에는 연기를 지속적으로 공급하기 위하여 전압의 폭을 정밀하고 신속하게 제어해 주어야 한다. 또한 PWM제어부(210)로 사용하여 형식승인시험 시 풍속기준에 만족하는 풍속으로 제어해 주어야 한다.

상기 PWM제어 방식의 경우 기존 무접점 릴레이(SSR)에서 이용되는 온/오프 방식보다 아날로그신호에 가까운 제어가 가능하여 정밀한 제어가 가능하다.

도 9는 본 발명의 실시예에 의한 도 7의 메인제어부의 예를 도시한 회로도로서, 본 발명의 실시예에서는 메인제어부(230)의 마이크로프로세서로 신뢰도와 정확도가 가장 좋은 ATMEL사의 ATmega 128을 선택하였다. ATmega 128을 사용함으로써 C언어를 활용해 연기농도를 자동으로 측정할 수 있는 Auto measurement of smoke concentration 기능과 미리 설정한 연기농도에 도달시 자동으로 테스트할 수 있는 Auto test 기능, 일정한 연기농도를 계속 유지할 수 있는 Constant of smoke concentration 기능이 가능하도록 구현하였다.

ATmega 128의 특징은 고성능, 저전압의 AVR 8비트 마이크로프로세서로써 향상된 RISC 구조를 가지고, 비휘발성 프로그램과 데이터메모리를 가지고 있다. 또한 JTAG(IEEE std. 1149.1 호환) 인터페이스를 제공하고 작동전압 4.5V∼5.5V가 필요하고 동작속도는 0∼16MHz로 빠른 동작속도를 보이는 특징이 있으며, 아날로그신호를 컴퓨터가 처리할 수 있는 디지털신호로 변환시켜주는 ADC 기능(A/D converter)과 제어과정에서 불필요한 전력낭비와 발열을 막을 수 있는 PWM(Pulse, Width, Modulation)제어를 내장하고 있다.

도 9에 도시된 블록도의 점선 부분은 AVR 코어로 32개의 범용 레지스터를 지원하는 풍부한 명령어 셋으로 모든 레지스터는 Arithmetic Logic Unit(ALU)와 직접 연결되어 있으며 단일 클럭에 한 명령어를 처리할 수 있도록 두 가지의 독립된 레지스터들을 제공한다. 이와 같은 구조는 일반적인 CISC 마이크로프로세서보다 10배 이상의 속도와 보다 효율적인 코드를 가능하게 해준다. 또한 개발 프로그램과 시스템 개발툴을 완벽히 제공하고, 이 개발툴은 C 컴파일러, 매크로 어셈블러, 프로그램 디버거/시뮬레이터, In-Circuit 에뮬레이터와 테스트 키트를 포함하고 있다.

디스플레이(240)는 메인제어부(230)에 의해 연산된 연기농도를 표시하는 LCD로 구성되어 있다.

전원공급부(250)는 점검기기의 신호원이 되는 광센서(115)로부터 출력되는 신호를 증폭시키기 위한 증폭기 등의 아날로그부를 위한 9V 전원과, 메인제어부(230) 및 표시장치를 구동시키는 디지털부를 위한 5V 전원을 각각 공급하며, 정전압 레귤레이터를 포함한다.

본 발명에서 연기감지기의 정확한 성능확인을 위해서는 '감지기의 형식승인 및 검정기술기준 제19조(광전식 연기감지기의 감도시험)'에 의거하여 감광율이 15%/m인 농도의 연기를 포함하는 풍속 20~40cm/s의 기류에 투입하는 30초 이내에 광전식 연기감지기가 동작되도록 해야 한다. 이 내용을 만족시키기 위해서는 소프트웨어적으로 다음과 같은 기능이 구현되어져야 한다.

1)감광율이 15%/m인 연기농도가 되도록 연기를 발생시켜야 되고, 2)상기 연기농도가 충족되면 연기 발생이 차단되어 감광율이 15%/m인 연기농도는 일정시간 동안 유지되어야 하며, 3)풍속 20~40cm/s의 기류가 형성되어야 하며, 4)상기 항목들이 모두 충족될시 30초 동안 유지 후 모든 동작이 정지되어야 한다.

상기 1)항목의 기능 구현을 위하여 연기농도 측정장치에 의해 측정된 연기농도가 15%/m가 될 때까지 연기발생용 히터(153-1)에 전류를 인가하여 연기를 발생시켰다. 단, 여기에서 히터(153-1)에 전류를 연속적으로 공급할 경우, 응답시간의 지연에 의하여 연기농도가 과도하게 상승하게 되므로 컨트롤러(200)가 측정한 농도값을 연기발생부(150)에 피드백하며 15%/m에 도달시까지 제어하도록 하였다. 이를 위해 연기농도가 규정농도에 도달시까지 메인제어부(230)에서 PWM제어부(210)에 신호를 보내어 PWM제어부(210)의 펄스폭변조 방식에 의해 히터(153-1)에 흐르는 전류를 디지털방식의 온/오프 방식이 아닌 아날로그 방식처럼 정밀 제어하도록 하였다.

상기 2) 및 4) 항목을 구현시키기 위해서 메인제어부(230)에 타이머 기능을 포함시켜 연기발생부(150)의 히터 전류를 30초동안 홀딩 제어하게 된다.

상기 3) 항목의 동작을 위하여 순환팬(113)을 설치하고 연기발생부(150)와 마찬가지로 펄스폭방식에 의해 전압을 제어하여 20~40cm/s의 기류가 형성되도록 하였다.

도 10은 본 발명에 의한 점검기기의 작동 과정을 나타낸 흐름도로서, 도 7 및 도 8a를 참조하여 살펴보면 아래와 같다.

먼저, 도 8a와 같이 점검기기의 점검부(100)를 천장에 설치된 연기감지기(1)에 씌워서 세팅한다.

이 상태에서 케이블 커넥터를 이용하여 점검부(100)와 컨트롤러(200)를 연결하고, 컨트롤러(200)의 파워를 온시킨다(S11).

이어, 컨트롤러(200)의 메인제어부(230)는 PWM제어부(210)를 통해 펄스폭 제어신호를 발생하여 연기발생부(150)의 히터(153-1)로 동작전원을 공급하고, 순환팬(113)을 구동시킨다(S12).

이어, 연기시료(155)는 히터(153-1)의 가열된 열에 따라 연기를 발생하게 되며, 연기는 순환팬(113)에 의해 연기통로를 통해 광센서(115) 측으로 유입된다(S13).

광센서(115)의 수광소자(115-2)에 의해 검출된 연기농도에 따른 적외선 변화량에 대한 데이터는 컨트롤러(200)의 신호처리부(220)를 통해 메인제어부(230)로 공급되며, 메인제어부(230)는 입력된 데이터를 통해 점검부(100)에서 발생된 연기농도를 연산하게 된다(S14).

이어, 메인제어부(230)는 연산된 연기농도가 미리 설정된 15%/m에 도달하였는지를 비교 판단(S15)함과 아울러 연산된 연기농도를 디스플레이(240)를 통해 표시하게 된다. 만일 연기농도가 15%/m에 도달되지 않았으면 메인제어부(230)는 히터(153-1)가 작동되도록 PWM제어부(210)를 통해 지속적으로 제어하게 되며, 순환팬(113)은 PWM제어부(210)를 통해 형식승인시 시험기준에 적합한 풍속인 대략 25cm/s를 지속적으로 제어하게 된다(S16).

상기에서 풍속이 25cm/s이고 연기농도가 15%/m에 도달되면, 메인제어부(230)는 PWM제어부(210)를 통해 풍속과 연기농도를 일정하게 제어하면서 소정의 시간(대략 30초)동안 테스트를 하게 된다(S17). 예컨대, 풍속이 25cm/s이고 연기농도가 15%/m에 도달되면, 메인제어부(230)는 디스플레이(240)에 "READY"라는 문구를 표시하고, 이때 외부로부터 "START" 명령이 입력되면 30초동안 테스트를 한 후 30초가 경과되면 "TEST END"라는 메시지를 디스플레이(240)에 표시하게 된다(S18).

도 11은 본 발명에 의한 점검부의 연기농도 측정 실험 결과 그래프로서, 전원을 인가하고 시간이 경과함에 따라 연기농도가 상승되고, 그때의 연기농도가 메인제어부(230)에 의해 디스플레이(240)에 자동으로 표시된다. 일정시간 경과 후 광전식 연기감지기의 형식 승인시의 기준과 동일한 연기농도로 측정되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 하우징(110) 내부의 연기농도가 15%/m될 때까지 메인제어부(230)에서 PWM제어부(210)에 신호를 보내어 PWM제어부(210)의 펄스폭변조 방식으로 히터(153-1)에 공급되는 전류를 아날로그 방식으로 정밀 제어하고, 셀 블록(151) 내부의 연기농도가 일정하게 유지되는 결과로 확인되었다. 또한, PWM제어부(210)에 신호를 보내어 PWM제어부(210)의 펄스폭변조 방식으로 송풍팬(113)의 속도를 점검시간동안 일정한 풍속으로 유지되는 것을 확인되었다.

도 12는 본 발명에 의한 점검기기(Developed tester)와 기존의 점검기기(A-type tester, B-type tester, C-type tester)를 이용하여 연기농도 측정 실험의 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 본 발명에 의한 점검기기(Developed tester)가 형식승인(Type approval)시의 연기농도와 유사한 15%/m의 연기농도가 나타남을 확인하였다.

도 13은 광전식 연기감지기의 200개를 대상으로 본 발명에 의한 점검기기(Developed tester)와 기존의 점검기기(A-type tester, B-type tester, C-type tester)를 이용하여 감도 실험을 한 결과를 나타낸 그래프로서, 기존의 점검기기를 이용한 감도실험의 경우 감지기의 형식 승인(Type approval)시 시험장비를 이용한 감도실험의 작동율과 대략 30% 이상 차이가 나타났지만, 본 발명에 의한 점검기기를 이용한 감도실험의 경우 감지기의 형식승인시 시험장비를 이용한 감도실험과 유사한 작동율이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

도 14는 본 발명에 의한 점검부 내부의 풍속을 측정한 결과를 나타낸 그래프로서, 시제품의 점검부(100) 상단에서 감지기(1)의 설치방향에 대하여 수평으로 유동하는 기류의 풍속을 측정한 경과 평균 25.3cm/s로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 광전식 연기감지기의 형식승인시의 시험기준을 만족하는 것을 의미한다.

상기의 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이다. 그러므로, 이러한 수정, 변경 및 부가는 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1 내지 도 3은 종래기술에 의해 화재감지기의 점검기기를 각각 나타낸 도면이다.

도 3 내지 도 6은 종래의 점검기기를 이용하여 연기농도 측정 실험결과를 각각 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 화재감지기의 점검기기를 나타낸 회로 블록도이다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 의한 도 7의 점검부의 구조를 나타낸 측면도 및 사시도이다.

도 9는 본 발명에 의한 도 7의 메인제어부의 세부 구성을 나타낸 회로도이다.

도 10은 본 발명의 연기농도 측정 과정을 나타낸 플로우챠트이다.

도 11은 본 발명에 의한 점검부의 연기농도 측정 실험 결과 그래프이다.

도 12 및 도 13은 본 발명과 종래의 점검기기를 이용한 연기농도 측정 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.

도 14는 본 발명에 의한 점검부 내부의 풍속을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 연기감지기 100: 점검부

110: 하우징 111: 차단부재

113: 순환팬 115: 광센서

115-1: 발광소자 115-2: 수광소자

150: 연기발생부 151: 셀 블록

153: 히터부 155: 연기시료

157: 필터 200: 컨트롤러

210: PWM제어부 220: 신호처리부

230: 메인제어부 240: 디스플레이

250: 전원공급부

Claims

하우징의 하단에 설치되어 가열된 열에 따라 연기를 발생하는 연기발생부;

상기 하우징의 내부에 형성되어 연기발생부로부터 발생된 연기가 연기감지기로 직접 유도되는 것을 차단하는 차단부재;

상기 하우징 내에서 차단부재 하단에 설치되어 상기 연기발생부에서 발생된 연기가 연기감지기의 수평 방향으로 공급 및 순환되도록 유도하는 순환팬;

상기 하우징의 내부 상단부와 차단부재 사이의 양 측면에 이격 설치되어 순환팬에 의해 공급된 연기의 농도를 검출하는 광센서; 및

상기 연기발생부와 순환팬의 동작을 펄스폭변조(PWM) 방식으로 제어하되, 순환팬을 점검시간동안 설정된 풍속을 펄스폭변조에 의해 일정하게 유지하고, 광센서를 통해 검출된 적외선의 변화량에 따라 연기농도를 계산하여 표시함과 아울러 검출한 연기농도가 설정된 목표값에 도달할 경우 연기발생부의 동작을 가변 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 광전식 연기감지기의 점검장치.
제 1 항에 있어서,

상기 차단부재는 상기 순환팬과 광센서의 사이에 설치되어 연기발생부에서 발생된 연기가 상기 순환팬에 의해 하우징 내에서 순환되도록 하는 광전식 연기감 지기의 점검장치.
제 1 항에 있어서,

상기 연기발생부는, 단열재로 이루어진 셀 블록; 상기 셀 블록의 하단부에 설치되는 히터; 상기 히터의 상단에 안착되어 가열된 열에 따라 연기를 발생하는 연기시료; 및 상기 연기시료에서 발생된 연기에 포함된 그을음을 제거하는 필터;를 포함하는 광전식 연기감지기의 점검장치.
제 1 항에 있어서,

상기 광센서는 순환팬에 의해 공급된 연기가 연기감지기에 도달하기 전에 감지할 수 있는 위치에 설치되는 광전식 연기감지기의 점검장치.
제 1 항에 있어서,

상기 광센서는 갈륨비소(GaAs) 적외선 발광다이오드로 구성된 발광소자와, 포토트랜지스터로 구성된 수광소자로 이루어진 광전식 연기감지기의 점검장치.
제 1 항에 있어서,

상기 하우징의 상단에 형성되어 천장에 설치된 연기감지기를 씌워서 외부와 밀폐시키는 커버부재를 더 포함하는 광전식 연기감지기의 점검장치.
제 1 항에 있어서,

상기 컨트롤러는, 검출한 연기농도가 설정된 목표값에 도달하였는지의 여부에 따른 제어신호에 따라 연기발생부와 순환팬으로 공급되는 전압의 펄스폭을 가변시키되, 점검시간동안 일정한 속도의 풍속 및 연기농도를 유지하도록 제어하는 PWM제어부; 상기 광센서로부터 입력된 적외선 변화량을 증폭 및 정류하는 신호처리부; 상기 신호처리부로부터 입력된 신호를 디지털신호로 변환하고, 디지털로 변환된 데이터를 산술처리하여 변화량에 해당하는 연기농도를 산출함과 아울러 산출한 연기농도가 일정한 목표값에 도달할 경우 PWM제어부를 통해 연기발생부의 작동을 가변 제어하는 메인제어부; 및 상기 산출된 연기농도와 연기농도에 따른 테스트관련 메시지를 출력하는 디스플레이;를 포함하는 광전식 연기감지기의 점검장치.