Détecteur de fumée

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Contexte

Un détecteur de fumée est un appareil qui détecte la présence de fumée dans un bâtiment et avertit les occupants, leur permettant d'échapper à un incendie avant de succomber à l'inhalation de fumée ou à des brûlures. Équiper une maison d'au moins un détecteur de fumée réduit de moitié les chances que les résidents meurent dans un incendie. En 1992, les lecteurs de R&D Magazine a sélectionné les détecteurs de fumée domestique comme l'un des « 30 produits qui ont changé nos vies ». Les détecteurs de fumée sont devenus largement disponibles et abordables au début des années 1970. Avant cette date, le nombre de décès dus aux incendies dans les maisons était en moyenne de 10 000 par an, mais au début des années 1990, ce chiffre est tombé à moins de 6 000 par an.

Deux types de base de détecteurs de fumée sont actuellement fabriqués pour un usage résidentiel. Le détecteur de fumée photoélectrique utilise un faisceau optique pour rechercher la fumée. Lorsque des particules de fumée brouillent le faisceau, une cellule photoélectrique détecte la diminution de l'intensité lumineuse et déclenche une alarme. Ce type de détecteur réagit le plus rapidement aux feux couvants qui libèrent des quantités relativement importantes de fumée.

Le deuxième type de détecteur de fumée, connu sous le nom de détecteur de fumée à chambre d'ionisation (ICSD), est plus rapide à détecter les incendies enflammés qui produisent peu de fumée. Il utilise un matériau radioactif pour ioniser l'air dans une chambre de détection ; la présence de fumée affecte le flux des ions entre une paire d'électrodes, ce qui déclenche l'alarme. Entre 80 et 90 % des détecteurs de fumée des foyers américains sont de ce type. Bien que la plupart des modèles résidentiels soient des unités autonomes qui fonctionnent avec une batterie de 9 volts, les codes de construction dans certaines régions du pays exigent désormais que les installations dans les nouvelles maisons soient connectées au câblage de la maison, avec une batterie de secours en cas de panne de courant .

La source de rayonnement ICSD typique émet des particules alpha qui retirent les électrons des molécules d'air, créant des ions positifs d'oxygène et d'azote. Dans le processus, les électrons se fixent à d'autres molécules d'air, formant des ions négatifs d'oxygène et d'azote. Deux électrodes de charge opposée à l'intérieur de la chambre de détection attirent les ions positifs et négatifs, créant un petit flux de courant dans l'espace d'air entre les électrodes. Lorsque les particules de fumée pénètrent dans la chambre, elles attirent une partie des ions, perturbant le flux de courant. Une chambre de référence similaire est construite de manière à ce qu'aucune particule de fumée ne puisse entrer. Le détecteur de fumée compare en permanence le flux de courant dans la chambre de détection au flux dans la chambre de référence ; si une différence significative apparaît, une alarme est déclenchée.

Historique

Le développement de ces engins de sauvetage a commencé en 1939 lorsque Ermst Meili, un physicien suisse, a conçu un dispositif de chambre d'ionisation capable de détecter les gaz combustibles dans les mines. La véritable percée a été l'invention par Meili d'un tube à cathode froide qui pouvait amplifier le petit signal électronique généré par le mécanisme de détection à une force suffisante pour activer une alarme.

Bien que les détecteurs de fumée à chambre d'ionisation soient disponibles aux États-Unis depuis 1951, ils n'étaient initialement utilisés que dans les usines, les entrepôts et les bâtiments publics, car ils étaient coûteux. En 1971, les ICSD résidentiels étaient disponibles dans le commerce; ils coûtent environ 125 $ par détecteur et se vendent à raison de quelques centaines de milliers par an.

Une multitude de nouveaux développements technologiques ont eu lieu au cours des cinq années suivantes, réduisant le coût des détecteurs de 80 % et augmentant les ventes à 8 millions en 1976 et 12 millions en 1977. À cette époque, les circuits à semi-conducteurs avaient remplacé les premiers tube cathodique, réduisant considérablement la taille des détecteurs ainsi que leur coût. Des améliorations de conception, y compris des avertisseurs sonores plus économes en énergie, ont permis d'utiliser des tailles de piles couramment disponibles plutôt que les piles spécialisées difficiles à trouver qui étaient auparavant nécessaires. Les améliorations apportées aux circuits ont permis de surveiller à la fois la diminution de la tension et l'accumulation de résistance interne dans la batterie, l'un ou l'autre déclenchant un signal pour remplacer la source d'alimentation. La nouvelle génération de détecteurs pourrait également fonctionner avec de plus petites quantités de sources radioactives, et la chambre de détection et l'enceinte du détecteur de fumée ont été repensées pour un fonctionnement plus efficace.

Matières premières

Un détecteur de fumée ICSD est composé d'un boîtier en plastique polychlorure de vinyle ou polystyrène, d'un petit klaxon d'alarme électronique, d'un circuit imprimé avec un assortiment de composants électroniques, et une chambre de détection et une chambre de référence, chacune contenant une paire d'électrodes et le matériau source radioactif.

L'américium 241 (Am-241), un isotope radioactif, est la matière première préférée des ICSD depuis la fin des années 1970. Il est très stable et a une demi-vie de 458 ans. Il est généralement traité avec de l'or et scellé dans des feuilles d'or et d'argent.

Le processus de fabrication

La fabrication d'un détecteur de fumée comprend deux étapes principales. L'un est la fabrication de l'Am-241 sous une forme (généralement une feuille) qui peut être installée dans les chambres de détection et de référence. L'autre est l'assemblage de l'ensemble de l'ICSD, en commençant soit par tous les composants individuels, soit par des chambres de détection et de référence préfabriquées obtenues auprès du fabricant de la matière source radioactive. La description suivante couvre toutes les étapes, même si certaines peuvent être réalisées par différents fabricants. Des tests et des inspections à plusieurs étapes du processus d'assemblage garantissent un produit fiable.

Source radioactive

• 1 Le processus commence avec le composé AmO ₂ , un oxyde d'Am-241. Cette substance est soigneusement mélangée à de l'or, façonnée en briquette et fondue par pression et chaleur à plus de 1470°F (800°C). Un support en argent et un revêtement avant en or ou en alliage d'or sont appliqués sur la briquette et scellés par forgeage à chaud. La briquette est ensuite traitée en plusieurs étapes de laminage à froid pour obtenir l'épaisseur et les niveaux d'émission de rayonnement souhaités. L'épaisseur finale est d'environ 0,008 pouce (0,2 mm), la couche d'or représentant environ un pour cent de l'épaisseur. La bande d'aluminium résultante, qui mesure environ 0,8 pouce (20 mm) de large, est coupée en sections de 39 pouces (1 mètre) de long.
• 2 éléments de source ICSD circulaires sont découpés dans la bande d'aluminium. Chaque disque, qui mesure environ 0,2 pouce (5 mm) de diamètre, est monté dans un support en métal. Une fine bordure métallique sur le support est roulée pour sceller complètement le bord coupé autour du disque.

Les chambres de détection et de référence

• 3 Un disque de matériau source est monté dans la chambre de détection et un autre est monté dans la chambre de référence adjacente. Les électrodes sont installées dans les deux chambres et connectées à des fils externes qui dépassent du fond des chambres.

Le circuit imprimé

• 4 Les cartes de circuits imprimés sont préparées à partir des schémas de conception en perçant des trous pour les fils des composants et en posant une trace de cuivre à l'arrière pour former les chemins des courants électriques. Sur la chaîne de montage, les différents composants électroniques (diodes, condensateurs, résistances, etc.) sont insérés dans les trous appropriés de la carte. Les fils s'étendant à l'arrière de la planche sont coupés.

• 5 La chambre de détection, la chambre de référence et un avertisseur sonore sont installés sur la carte de circuit imprimé.
• 6 La carte passe ensuite sur une machine à souder à la vague, qui soude les composants électroniques en place.

Logement

• 7 Le boîtier en plastique se compose d'une base de montage et d'un couvercle. Les deux sont fabriqués par un procédé de moulage par injection dans lequel du plastique en poudre et des pigments de moulage sont mélangés, chauffés, forcés dans un moule sous pression, puis refroidis pour former les pièces finales.

Assemblage final

• 8 Le circuit imprimé est placé sur la base de montage en plastique. Un bouton de test est installé afin que l'appareil puisse être testé périodiquement après l'installation dans la maison. Un support de montage est ajouté à la base et le couvercle est ajouté pour compléter l'assemblage.
• 9 Le détecteur de fumée est emballé dans une boîte en carton, avec une pile et un manuel d'utilisation.

Nouveaux développements

Certains développements récents peuvent rendre les détecteurs de fumée encore plus efficaces. Un modèle, par exemple, utilise une alarme lumineuse stroboscopique pour alerter les personnes malentendantes du danger. La lampe stroboscopique à distance peut être montée dans une chambre même si le détecteur peut être situé dans une autre pièce ou un autre couloir, offrant le même avantage d'alerte précoce disponible pour les personnes entendantes lorsqu'une alarme retentit de l'extérieur de la chambre.

En 1993, Newtron Products a repensé un détecteur de fumée traditionnel pour l'adapter aux filtres à air standard d'un système de chauffage ou de climatisation central afin d'examiner l'air qui circule dans tout un bâtiment. Lorsqu'il détecte de la fumée, l'appareil arrête le ventilateur du système pour empêcher le flux d'air de contribuer à la propagation de la fumée et du feu. De plus, il déclenche une alarme qui résonne dans les conduits et est audible partout dans le bâtiment.

Un autre type de détecteur d'incendie peut utiliser le son. Les enquêteurs du Building and Fire Research Laboratory de l'Institut national des normes et de la technologie ont découvert que divers types de matériaux de construction, tels que le bois, le plastique et les cloisons sèches, émettent des sons identifiables lorsqu'ils se dilatent à cause d'un chauffage rapide. Les transducteurs piézoélectriques peuvent détecter ces sons avant même que les matériaux ne commencent réellement à brûler. Cela serait particulièrement utile pour détecter les débuts d'incendie causés par un câblage électrique surchauffé à l'intérieur des murs d'un bâtiment.