A study on the Development of Smoke Detector Sensitivity Test Equipment

휴대용 연기감도시험기 개발에 관한 연구

A study on the Development of Smoke Detector Sensitivity Test Equipment

김형권·권성필·윤헌주·사공성호

Hyeong-Gweon Kim · Seong-Pil Kwon · Hun-Ju Yoon · Seong-Ho Sakong

한국소방산업기술원소방산업기술연구소

(2009. 8. 19. 접수/2009. 10. 9. 채택)

요 약

본연구는자동화재탐지설비의신뢰도증진및국민의안전확보를위한정밀한점검기구의개발에기 여하기위해현장에설치되어있는연기감지기를검정기술기준과동일한시험내용으로현장에서성능시 험을실시할수있는시험기를개발하고자하였다

.

40

이내에

400

C

,

0~25%/m

Fan

rpm

20~40cm/sec

.

ABSTRACT

In this study we could contribute to the development of a precise checking tool with which the reli- ability of the automatic fire detection systems was enhanced and the safety of the people was ensured.

In the same way as the domestic technical standard, the portable smoke sensitivity tester, which was developed in this work, could be used to check the capability of the smoke detectors installed in the field. Its heater inside was warmed up to 400

C in 40 seconds and the paper as a smoke source was burned to produce smoke for the test. With the Photoelectric smoke detector it was possible to mea- sure and control the smoke concentration in a range from 0%/m to 25%/m. With the adjustment of rpm of the fan, it was possible to keep a constant wind velocity in a range from 20cm/sec to 40cm/sec.

Key words :

Smoke detector, Sensitivity tester, Portable, Smoke source, Smoke concentration

1. 서 론

최근의 건축물은복잡화 다양화하면서더욱 고층화 되고 대형화되고있어국민의 안전은더욱 불안해지 고 있는 것이사실이다. 소방기본법에 의한 소방대상 물의경우화재발생시조기감지하여통보하는기능,

소화하는기능 및피난 기능에대한 설비를갖추도록 하고있다. ^{소방공무원에의해준공검사시이를확인}

하고 있으며, 이들 설비의 정상적인작동여부를 사후 에지속적으로관리하는시스템이마련되어있다.

화재발생원인을 분석하여보면예방가능한 화재 가많게되는데 이것은 형식적이거나비전문적인소

방점검이 그원인 중에 하나라고 할 수있으며 이는 소방인력의증원과정밀한첨단점검장비등을사용하 여정밀검사를실시한다면 사전예방및대형화재의 발생건수를경감시킬수있을 것으로생각된다.

법에서정하여진기본적인소방설비는예방행정으로 소방점검을법제화하여실시하고있는데이러한점검은 소방공무원에의한소방검사와방화관리제도에의한자 체점검으로크게나누어구분할수있다. ^{이경우점검}

기구를사용하여점검이이루어지고 있는데이점검기 구에대한관리및표준화가되어있지않은실정이다.^1,2)

특히화재를 조기감지하여통보하는자동화재탐지 설비의감지기는화재를조기에발견하여초기진화하 는데가장중요한요소중의하나이다. 이러한감지기 의성능확인은 검정기술기준에의하면 연기발생원으

†

E-mail: [email protected]

로동양호지(주)의여과지 2호(ADVANTEC filter paper

No. 2, ^일본)^{를사용하고}, 2^{종연기감지기의경우} 5%/

m~15%/m 연기농도및 20cm/sec~40cm/sec의풍속에서

작동하도록 되어있으나현행 점검기구는이러한 조건 을충족시키지못하고있는실정이다.

본연구는소방대상물에기설치되어있는연기감지 기의 성능을점검할 수있도록하기 위하여연기발생 원으로 종이를사용하고, 농도및풍속의조절이가능 하여 국가가 정하고있는 검정기술기준의감지농도에 의한 성능확인이가능한 시험기를개발하여현장에서 좀 더 표준화되고 정밀한 성능시험이 가능한 휴대용 연기감도시험기를개발하고자 한다.

2. 휴대용연기감도시험기

감지기의형식승인 및검정기술기준에맞는 1종, 2

종및 3종의연기감지기의 연기감도측정이가능하도 록실험실에서 사용하는 감도시험기를 휴대용으로개 발하였으며, 휴대용연기감도시험기는 크게본체, 연기 센서, 메인컨트롤부등으로구분된다.

2.1연기감도시험의검정기술기준

감지기의형식승인및검정기술기준제19조의감도

시험에대하여 Table 1에나타내며, 검정기술기준에의

거한연기감지기감도시험장치를 Figure 1에나타낸다.

비축적형연기감지기작동시험에있어서연기농도는 각 종별의 K 값에 1.5를곱한 1m 당감광율의 농도,

풍속은 V(20~40) cm/s의 기류에서 T초(30초) 이내에 작동하여야 하며, 비축적형 연기감지기 부작동시험의 경우연기농도는각종별의 K 값에 0.5를곱한 1m 당 감광율의농도, 풍속은 V(20~40) cm/s의기류에서 t분

(5분) 이내에작동하지아니하여야한다.³⁾

연기농도의 표시는 절대농도와 상대농도로 표시할 수 있으며 절대농도는 단위체적 중의 입자의 개수로 표현하는 개수농도, 단위체적 중의 입자의 중량으로

표현하는 중량농도가 있으나연기의 특성인 연기입자 의입경분포와발생량을측정하는데 한계가있다.

상대농도는광선이연기층을통과할때, ^{광강도의감}

소를측정하는감광계수(Cs: Smoke Concentration), 광 학농도등으로연기의농도를 측정한다. 검정기술기준 에서는광강도의감쇠에의한감광계수를이용하고있

다. ^이는 Lambert-Beer^{의 법칙에 의한 방법으로 다음}

의식을적용할수있다. I = Ioe^−kl

여기서 Io=입사광의강도, I =투과광의강도, l=광 로길이, k =정수(감광계수) 이다.

검정기술기준에서는 이 식을 이용하여 기구적으로

0.5m에서측정하여이것을 1m 감광율로 환산하여 사

용하고있다. 1m 감광율은다음과같이나타낼수있다.

이것을 0.5m의감광율의식으로변환하면다음의식

으로나타낼수있다.

이때대응하는셀렌광전지의 출력을 세분화하여감 광율과비교하여 연기농도를나타내고있다.⁴⁾

검정기술기준에서는 연기발생원으로종이를 사용하 도록하고 있으며훈소를 유도하고일정한연기를 발

E1 = 1 ⁻ I1

I0

⎝ ----⎠

⎛ ⎞^×100 %^{[ ]}

E1 = 2E0.5 − (E0.5)²

---100

Table 1.

The Sensitivity Test of Spot-type Photoelectric Detector

종별

K V T t

1

20cm/sec~

40cm/sec 30s 5min

2

10

3

15

(주): K는 공칭작동농도로서 감광율로 나타낸다. 이 경우 감광 율은 광원을 색온도 2800도인 백열전구로 하고 수광부는 시감 도에 비슷한 것으로 한다.

Figure 1.

Smoke sensitivity test equipment.

Table 2.

Properties of the Paper for Smoke Sources.

Weight Thickness Flow Time Retention

Particle Size Color

125g/m

0.26mm 80s 5

m White

생하기 위하여 400^oC을유지하도록 하고있다. 이때

사용하는동양호지 2^{호의물성은} Table 2^와같다.

2.2휴대용연기감도시험기시험챔버

휴대용연기감도시험기 시험챔버 본체의 각 부분별

상세는 Figure 2와같다. 그림과 같이휴대용연기감도

시험기는연기발생부, 연기주입장치부, 연기주입및연 기통로, ^{연기송풍장치부}, ^{연기농도측정부}, ^{감지기접촉}

부로크게구분된다.

본체크기는 180mm × Ø 130mm이며, 챔버내구성

은연기센서, ^{메인 콘트롤 보드및제어보드}, ^송풍기,

펌프및히터로구성된다.

2.3휴대용감도시험기구성

개발된연기감도시험기의구성은점검대, 본체, 컨트 롤러, 아답터 및전원코드로 구성된다. Figure 3은휴 대용연기감도시험기의구성을 나타낸다.

2.4휴대용연기감도시험기연기센서

본연구에서사용한연기센서는 광전식으로연기감 지는 외부의 빛이 차단되는 챔버에서 연기의 농도에 비례하는빛의산란이발생하고이로인해수광부에서 연기농도와비례하는전압이출력되며이값을디스플 레이가능하도록 신호증폭부에서센서의 출력을 마이

컴에서수치화가능한레벨로증폭(DC 0V~5V로증폭)

하여연기농도를 검지제어하도록하였다. Figure 4에 연기센서의상세를 나타낸다.

Figure 5에는연기센서의구동회로를나타내었으며

외부의빛이차단되는챔버에서연기의농도에비례하 는빛의산란이 발생하고이로인해수광부에서 연기 Figure 2.

Test chamber configuration of smoke sensitivity

portable tester.

Figure 3.

Photograph of smoke sensitivity portable tester.

Figure 4.

Smoke sensor.

농도와비례하는전압이출력되며이값을디스플레이 가능하도록신호증폭부에서센서의출력을마이컴에서

수치화 가능한레벨(DC 0~5V)로증폭하도록하였다.

2.5휴대용연기감도시험기메인콘트롤부

휴대용연기감도시험기의농도제어및풍속제어는원 격으로리모콘을이용하여조작및제어가가능하도록 하였으며, 마이콤을이용하여회로를설계하였다. 휴대 용연기감도시험기의 본체 내에는 중앙제어부, ^통신부

로나눌수있으며, 센서, Fan, Pump, Heater의제어를 위해서각각회로를구성하여제어할수있도록하였다.

Figure 6는중앙제어부의 회로구성도를 나타낸 것

으로 외부 리모콘의 조작에 의해 연기센서의 신호를 측정, 연기주입용펌프를제어하여연기농도의조절하 고, 시험챔버 내의풍속을 유지하기 위한 Fan의속도

제어, 연기를발생하기위한 Heater를제어하여시험에

필요한요구사항에적합하게실험할수있도록하였다.

Figure 7는 Micom 전원부로서 메인컨트롤러의 동

작에필요한 전원(5V)을공급하도록설계하였다.

Figure 8는통신부로서 본체의 제어용 회로와 연결

하여 메인컨트롤부와리모콘이통신할 수있도록구 성하였으며, 전압레벨을 ± 10V 높여리모콘과 케이블 간의선로노이즈및전압강하등에의한오동작을줄 여통신할수있도록하였다.

Figure 9은히터온도를제어하는파트로서 ON/OFF

제어가능하도록구성하였으며, DC 12V, 2.5A의전원 을컨트롤러를통해 공급받도록구성하였으며, 10V인 가하여 400^oC를 제어 가능하도록 히터에 일정 전원

(DC 10V, 1.5A)을공급하여온도를일정하게한다.

Figure 10은정전압회로에의해 Fan의전압을일정

하게유지하여 Fan의일정한회전으로일정한풍속유

지하도록 하였으며 DC 4.5~5V, 0.1A의 전원 인가로

Fan을 ON/OFF 할수있으며풍속을 일정하게한다.

Figure 11는정전압회로에 의해솔레노이드에일정

한 전압으로 솔레노이드의 ON/OFF 제어하여 연기농 도제어를 위한일정한 연기의주입을 일정하게하도

록하였으며 DC 6V, 0.1A의전원인가로 솔레노이드

를 ON/OFF ^한다.

Figure 5.

The circuit configuration of smoke sensor drive.

The circuit configuration of the main control units.

Figure 7.

Power source with Micom.

Figure 9.

The circuit configuration of the heater control.

Figure 8.

The circuit configuration of the communications.

2.6컨트롤박스의상세

휴대용연기감도기험기의컨트롤박스는 Figure 12와 같이 본체접속용 및 어답터 접속용 커넥터, ^전원스위

치와조작스위치및표시부로구성되어있다.

3. 실 험

개발된 휴대용연기감도시험기가 국가검정기술기준 에적합한성능을유지하는지확인하기위하여연기농 도, 히터온도및풍속특성을실험하였다.

Figure 13^{는연기농도}, ^{히터온도및풍속특성측정}

을 위한 시험장치를 나타낸다. (a) 히터 온도 측정은 비접촉 적외선온도계(Raytec^사, Model -MX2, ^미국)^을

사용하였으며, (b) 풍속의 특성조사를 위해 RPM미터

(PROVA, Model- MR-1501, ^대만)^{을 이용하여회전수}

를조사하고이에대응하는풍속을측정하였다. (c) 풍 Figure 10.

The circuit configuration of the fan controls.

Figure 12.

Photograph of control box.

Figure 11.

The circuit configuration of solenoid controls.

Figure 13.

Test equipments.

속은 아네모마스타(Kanomax사, Model-6611, 일본)을 사용하였다.

연기농도는검정기술기준에의거한연기감지기감도 시험장치에서 농도를 보정한 아나로그감지기(CNEGS

사, 한국)를사용하여측정하였으며(d), 본실험을위해 전원공급은 배터리가 아닌 직류전원공급기(Sorensen, DCS40-25M37 및 ED, Model 200E, 한국)을사용하여 실험하였다.

4. 결과 및 고찰

개발된 휴대용연기감도시험기가 국가검정기술기준 에적합한성능을유지하는지확인하기위하여연기센 서, 히터및풍속에대하여실험한결과는다음과같다.

4.1광산란식광전식연기센서특성

Figure 14(a)는검정기술기준에정하여진종이를연소

시켜얻은연기에대하여연기센서의연기에대한출력 특성으로출력전압에대응하는연기농도를나타낸것으 로연기농도가높아질수록출력값이 0V~4.76V로변화하 고검정기술기준에의거하여 연기감지기감도시험장치 에서농도를보정한아나로그감지기에서측정한값과비

교하면 0%/m~25%/m의연기농도에대응함을알수있다.

Figure 14(b)는상대습도 60%R.H.에서 측정한 시간

에따른연기농도의변화를나타낸것으로 5%/m의경 우 15초, 15%/m의경우 30초, 25%/m의경우 40초이 후에적정한연기농도로제어하고있음을알수있다.

Figure 14(b)에서연기농도의 리플이발생하는 것은

연기센서의특성상 5~8초사이의 펄스를보내어 연기 량을감지하기때문으로이것을줄이는방법으로는발 광소자의 지속적인발광으로데이터를읽는 것이지만 현재상품화되어 판매되는연기감지기의 경우와 동작 원리를 동일하게 하기 위하여 펄스 타임을 이용하여 주기적펄스에 의해측정하도록하였다.

Figure 14.

Characteristics of smoke concentration in

accordance with the output voltage and the time.

Characteristics of heater temperature in

accordance with the applied voltage and the time.

4.2연기발생을위한히터의특성

Figure 15(a)^{는주위온도} 25^oC^{에서인가전압에 따른}

히터의온도특성을나타낸것으로인가전압이 8V~11V

로인가할때 312~448^oC로발열함을할수있다. 따라

서이때의전류와전압을확인하여일정전압을인가한 다면 간단한온도제어가 가능함을알수있다. Figure 14(b)는 Figure 7(a)의자료를 근거로 10V를인가하여

400^oC의 열을 발생 하도록 하여 시간에 따른 변화를

확인한 것으로 40초가지나면 400^oC를유지하게되어 시험을 실시할수있게됨을알수있다.

본연구에서는휴대용으로 현장에서직접검정기술 기준에 맞는시험을 할수있는감도시험기의 개발을 목적으로하였기때문에간단한제어방법을사용하여 제어할수있는방법을선택하여그목적에맞는시험 기를개발하였다고 할수있다.

4.3풍속제어를위한 FAN의특성

Figure 16(a)^{는주위온도} 25^oC^{에서인가전압에 따른}

Fan의회전수를 나타낸것으로인가전압이 4.3V~5.5V

로인가할때 7,174rpm~9,946rpm 으로회전함을알수

있다. Figure 16(b)는센서의 중앙부에서측정하는 경

우를 나타낸 것으로 5V을 인가하여 8,600rpm 부근의

회전수를갖도록제어하는경우 30cm/sec의풍속을유

지함을 알 수 있으며 Figure 16(a)의 Fan의 회전수에

비례하여 인가전압을조절하여 20~40cm/sec의풍속을 제어할수있다.

5. 결 론

본연구는휴대용연기감도시험기의 표준에 관한연 구로서 현장에설치되어 있는연기감지기를 검정기술 기준과동일한시험내용으로현장에서성능시험을실 시할수있도록개발한결과

1. 검정기술기준에정하여진종이를 400^oC로가열하 는시험은 40초이내에실현이 가능하였으며

2. 광전식 연기감지를 통해 0%/m~25%/m 연기농도 를제어할수있었고

3. Fan의 rpm조절로 20~40cm/sec의일정풍속제어를 실현하였다.

이에따라국가가정하고있는검정기술기준의감지 농도에의한성능확인이가능한시험기가개발되어현 장에서 표준화되고정밀한 성능시험이가능하게 되면 자동화재탐지설비의 신뢰도 증진과 안전확보에 기여 할수있을것으로 기대된다.

감사의 글

본연구는 2007년소방방재청차세대핵심소방기술개

발사업의 지원으로이루어졌으며 본연구를 수행하도 록지원한소방방재청에감사드립니다.

참고문헌

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화재소방학회 논문지, Vol.23, No.4, pp.137-144 (2009).

3. 한국소방산업기술원, “KOFEIS 0301, 감지기의형식 Figure 16.

Characteristics of wind velocity and fan rotation

in accordance with the applied voltage.

승인및검정기술기준·시험세칙“(2005).

4. 윤헌주, 권성필, 김형권, 사공성호, “광전식감도시험 기의발광부와수광부작동원리에관한연구”, ^한국

화재소방학회춘계학술논문발표회논문집, pp.151-154

(2008).

5. 김형권, 권성필, 윤헌주, 사공성호, “휴대용연기감도 시험기의표준에관한연구”, ^{한국화재소방학회춘계}

학술논문발표회논문집, pp.194-199(2009).