拆解一氧化碳偵測器

作者 : Brain Dipert,EDN專欄作者

當家中的偵測器在大半夜開始大聲鳴叫,執行其「產品壽命結束」(EOL)訊號以提醒使用者更換CO警報器時,我的腦海中立刻浮現「拆解」的想法...

長期讀者們可能都知道我並不喜歡「過時設計」(obsolete by design)。不過,一般的制式規定除外,尤其是那些如果持續長時間使用或甚至超過一般使用壽命可能造成損害的情況。那麼,印表機算是個例外嗎?

由於印表機製造商單方面決定,一旦有一個無可替代的零件被認為浸泡於墨水中(有利於製造商),繼續使用會對列印品質產生不利影響,因而中止其功能持續存在,這算不算例外?呃…不算是。然而,如果是一氧化碳(CO)感測器呢?它應該算是個例外,雖然你也可能看到製造商對其採取(稍微)擅自作主的方式。

在我們家中有兩個一氧化碳警報器,每層樓各安裝了一個First Alert CO600基本款裝置,透過交流電(AC)供電;First Alert與其他製造商明顯的差異在於其透過電池供電(作為備用或單獨使用),以及增加煙霧偵測功能等。

去年秋天,就在半夜期間(想當然爾),樓下的偵測器開始大聲鳴叫,每分鐘快速重覆五次。提到煙霧警報器,起初我以為聲音來自掛在其上天花板的舊式硬線設計Statitrol SmokeGard 907B2煙霧偵測器;這部份就保留給具創造力的讀者們去想像吧!而當我拆除煙霧偵測器後,仍然聽到鳴叫聲,才知道我需要重新接線並且再次連接,才能繼續正常使用。

等到我分辨出真正發出聲音的地方,看到安裝在CO警報器CO警報器內的紅色LED (通常是穩定運作狀態)正持續閃爍。快速瀏覽了說明書之後才知道這是「產品壽命結束」(End of Life;EOL)訊號的執行狀況,即提醒使用者必須更換CO警報器了。儘管對此一切還在狀況外,但我的腦海中立刻浮現「拆解」的想法。

那麼,馬上來看看這個「待宰裝置」,如同往常一樣,在它的旁邊放置一枚直徑為0.75吋(19.1mm)的1美分硬幣作為尺寸比較:

在準備寫這篇文章時,我瀏覽了說明書。從它的說明書中可知,正面的楕圓大按鈕有兩個主要功能:

  • 每週測試。按下警報器蓋上的測試/靜音按鈕,直到警報聲響起。在測試過程中,你會聽到響亮的警報聲順序-4次嗶聲、暫停、4次嗶聲、暫停。警報順序應該會持續5-6秒。如果沒有發出警報聲,請確定裝置是否完全插入無開關式插座。若裝置仍無法發出警報聲,請立即更換。[作者註:我每週都得這樣做嗎?坦白說並不需要。而且,我也沒依照建議的每月用吸塵器的軟刷清潔前蓋…]
  • 靜音功能。CO達到警報標準時,警報器會發出重複的喇叭聲:4次嗶聲、暫停、4次嗶聲等等。長按住測試/靜音按鈕,直到喇叭無聲。剛開始的靜音時間會持續約4分鐘。在最初的4分鐘靜音時間後,CO警報器會重新評估目前CO狀態並作出相應的反應。如果CO狀態仍具有潛在的危險性—或者開始逐漸升高,喇叭就會再響起。

後來我還發現了第三項功能,早一點看說明書的話,這項功能在去年秋天半夜CO警報器鳴叫時應該就派上用場了:

  • 關閉產品壽命結束的訊號聲。這個靜音功能可以讓產品壽命結束的警報鳴叫聲」暫時安靜下來,持續約2天時間。你可以按下測試/靜音按鈕,讓產品壽命結束警報的警報鳴叫聲」靜音。當喇叭鳴叫時,請確認產品壽命結束的靜音功能已被啟動。大約2天後,產品壽命結束的鳴叫聲」將會恢復。

透過按鈕底部的孔,可以看到穩定地發出紅色LED的閃爍亮光。很顯然地,警報器的喇叭可能從左邊的通風口看到。

將該裝置翻轉過來看看,我必須說,在背面面板上的貼紙可能是我所見過的產品中每平方英吋文字密度最高的:

但是,且慢!先將該裝置旋轉過來看看,你馬上就會看到在它的底部邊緣還有更多的粗體字!

現在是時候一窺其內部狀況了。如果你再看一下背面的完整拍攝,將會看到每個角落都有小孔。這些小孔讓彈簧鎖扣能將外殼的兩邊方便地固定在一起。這種便利的方式也是我在以前的產品中不曾看過的,尤其是對於消費電子產品(以AC供電並啟動)來說,根本不可能如此探究其內部:

第一眼看到它的電路板(PCB)時,讓我感到十分困惑。這不就是一個是透過AC供電的CO警報器嗎?如果是這樣的話,那個褐色可充電的備用電池有什麼作用?

答案揭曉——當然這並不是電池。透過Google快速搜尋製造商(Figaro)與型號(TGS5042),我才知道這原來是CO感測器:

具體來說,它是一個電化學式的氣體感測器。正如在維基百科(Wikipedia)中所解釋的:

電化學偵測器利用燃料電池的原理,在待檢測的氣體發生化學反應時產生電流。產生的電流與感測器附近環境中的一氧化碳數量明確相關。基本上,電化學電池包括一個容器、兩個電極、連接導線與電解質,一般由硫酸所組成。一氧化碳在其中一個電極上被氧化成二氧化碳,而氧氣在另一個電極被消耗。

對於檢測一氧化碳來說,電化學電池比其他技術更具有優勢,因為它對一氧化碳濃度具有高度精確與線性的輸出,由於它在室溫下操作,所以需要最小的功率,且有很長的使用壽命,一般為五年到十年的時間。這項技術已經成為美國與歐洲的主要技術。測試按鈕只能顯示電池、電路與蜂鳴器的運行效果。使用電化學電池完整測試CO警報器運行的唯一方法是用已知來源的校準測試氣體在護罩中運送,以保持測試期間的濃度標準。

下一步:將PCB從另一半外殼中取出。在此需要使用一字螺絲起子作為槓桿,就可以把AC的插頭從電路板上分離;完全不必使用脫焊方式:

依我的拙見看來,正面概覽圖的重點包括右下角未填充的電容與保險絲位置,以及在中間的開關與LED。開關右邊的IC電路對我來說仍然是個謎;而在其頂部標示如下內容:
I870263002
V/SS (e3)
1406WE3

在Google上搜尋I870263002與I870263002-V/SS,馬上就產生了幾個採購網頁,但除了宣稱微芯科技(Microchip Technology)為其製造商之外,沒有任何關於20接腳SSOP封裝的IC實際是什麼意思或有什麼意義的資訊(印在IC上的標誌無法讓我確認)。然而,奇怪的是,在Google的另一個搜尋結果中,出現了一個Microchip 24MHz、2.5mA軌對軌輸出運算放大器系列的PDF數據手冊……該產品名稱絲毫無法讓人聯想到I870263002,在手冊中也沒有提到I870263002。我認為這個IC在某種程度涉及交流對直流(AC-DC)的轉換過程,但除此之外就不知道還有什麼資訊了:親愛的讀者們有什麼想法呢?

另外,看看這個測試點的特寫:

當然,還有左邊的換能器(喇叭),現在已經可以看到它的全貌了……至少有其頂部的樣子。First Alert的規格說明其符合或超過目前UL標準,即10呎(3公尺)處85分貝(dB)。雖然未能採用聲壓計(SPL)進行測試,但我同意它一定很大聲。

從換能器的下方可以看到還有更多的IC:

當然,我們必須繼續深入檢查。該換能器在三個焊接點上被堅固地焊接在PCB上,但想到之前已經有了成功撬起AC插頭的經驗,於是我想同樣使用螺絲起子試試。很幸運地,我又再次成功了:

這裡是幾張換能器底部的特寫,顯示出PCB的連接點:

這是目前外露出來的附加電路(喇叭拆除後的刮痕是我不慎造成的),包括系統的「大腦」,這是來自Microchip Technology (這次可以明確地指認製造商了!)內建嵌入式快閃記憶體的PIC16LF1827微控制器:

接下來是PCB正面另一半的特寫,其上有一個神秘的IC:

最後,一起看看這個一般PCB背面的樣子——當然,毫無特別之處,除非你喜歡焊接與焊線…。

在本文結束前,讓我們回顧在文章一開始所作的評論,即First Alert可能豁免於我的過時設計限制。當我們在2014年中搬進這座房子時,我買了原本的這組CO警報器,這意味著在它開始發表「臨終感言」之前已經持續運作7年多了。但是,如果您重新造訪Figaro的產品頁面,就會看到製造商將CO感測器的使用壽命評為10年。

一方面,我的裝置少了25%的使用壽命似乎有些說不過去。但話又說回來,當我在亞馬遜(Amazon)上輸入CO600時,它目前的售價僅為25美元左右。在維基百科中所宣稱的電化學氣體偵測器​​壽命更為保守:「通常是五年到十年。」畢竟,我們在此談論的是透過及時且可靠的警報來拯救生命。所以,我仍然願意給First Alert一個(好像有點不情願)過時設計的「通行證」。各位讀者們怎麼看呢?

(參考原文:Disarming a carbon monoxide detectorby Brain Dipert)

本文同步刊登於EDN Taiwan 202211月號雜誌

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