Una solución de sensor óptico para minimizar activaciones falsas en alarmas de humo

Reducir las activaciones falsas en las alarmas de humo disminuye las tasas de uso y aumenta los costos de extinción de incendios

Los edificios modernos cuentan con numerosos sensores diferentes para facilitar la vida diaria y ofrecer protección. Además de los sensores ambientales y las aplicaciones de hogar inteligente, como la regulación de electricidad y calefacción, los sensores relacionados con la seguridad asumen un papel importante. Los detectores de humo están entre ellos. Los detectores de humo son esenciales y están prescritos por la ley, pero muchos detectores de humo en el mercado no son adecuados para su uso en cocinas o baños debido al mayor riesgo de falsas alarmas por el vapor de cocina o el vapor de agua. No se deben subestimar las falsas alarmas, ya que pueden llevar a los usuarios a desactivar los detectores de humo y generar altos costos debido a despliegues innecesarios del departamento de bomberos.   Sin embargo, la falta de detectores de humo en baños y cocinas es un problema grave porque el potencial de incendio es alto, especialmente en las cocinas. Esto representa un mayor riesgo en apartamentos modernos porque la cocina a menudo está integrada en la sala de estar. Los incendios se propagan rápidamente en entornos modernos con grandes cantidades de materiales sintéticos de construcción, por lo que una red más fina de detectores de humo es importante para una detección precisa de incendios.   A nivel global, los estándares intentan cumplir con estos nuevos requisitos prescribiendo la detección de diferentes tipos de humo en nuevos tests. Diferentes regiones tienen regulaciones ligeramente diferentes: EN aplica en Europa, UL en América del Norte e ISO a nivel internacional. En sus ediciones más recientes, que se lanzarán en junio de 2021 (UL 268: 7ª edición y UL 217: 8ª edición), UL ha introducido un test adicional llamado test de falsas alarmas por hamburguesa. En esta prueba, se debe distinguir una concentración definida de humo de hamburguesa de una concentración definida de poliuretano en llamas. Este test debería ayudar a reducir la tasa de falsas alarmas en cocinas.

Prueba de alarma de molestia por hamburguesa de UL

Esta prueba de alarma por falsa alarma causada por hamburguesas se creó para replicar el humo real de la cocción. El concepto detrás de la prueba de incordio de hamburguesas es simple, pero incluso las alarmas de humo modernas enfrentan un desafío: una hamburguesa se cocina durante un tiempo específico. En el proceso, se verifica si la alarma de humo se dispara por el humo en aumento (comenzando en un límite definido). Esta prueba, naturalmente, está estandarizada para que todas las alarmas de humo puedan ser evaluadas bajo condiciones idénticas. La medición de la obscuración se utiliza como referencia. Para esta prueba, se configura una fuente de luz con un haz de luz de diámetro entre 10 cm y 15 cm a una distancia de aproximadamente 2 m. Una lámpara de vapor con una longitud de onda definida de 589 nm se usa como fuente de luz. El humo situado entre la lámpara y el detector oscurece la luz.   La obscuración del haz de luz por el humo se compara con la señal de referencia en una sala sin humo. A partir de esta comparación, se pueden sacar conclusiones sobre la densidad y concentración del humo. Para las mismas partículas, cuanto mayor sea la cantidad de obscuración, mayor será la concentración. Naturalmente, la obscuración varía no sólo con la concentración sino también con el tipo de partícula. Esto se basa en la sección transversal de dispersión y varía notablemente de un tipo de partícula a otro.   El tiempo de obscuración juega un papel como un componente adicional para la generación de la alarma. En consecuencia, según el estándar, se dispara una alarma ya sea después de un tiempo límite o después de que se alcance un límite de obscuración en el sistema de referencia. Por ende, la prueba de alarma por incordio de hamburguesas establece que la alarma no debe activarse durante la cocción de la hamburguesa hasta alcanzar una obscuración mayor a 1.5%/ft. En la segunda parte de la prueba, se incendia poliuretano, que puede emular un objeto real como un sillón. La alarma de humo debe reconocer la diferencia y activarse a una obscuración de 5%/ft.   Esto es extremadamente complicado porque los dos tipos de humo, el de un incendio genuino y el humo de cocina, son difíciles de distinguir. No obstante, esta prueba es sólo una de muchas que están definidas en UL 217 y UL 268. Varias alarmas de humo idénticas también deben pasar esta prueba para excluir resultados aleatorios y garantizar una densidad de calidad amplia entre los detectores.

Cómo los detectores de humo pueden pasar la prueba de falsa alarma por hamburguesa

La mayoría de las alarmas de humo modernas tienen un principio de funcionamiento fotoeléctrico. Para la prueba de falsas alarmas de hamburguesas, se emite un haz de luz que es reflejado por las partículas. La dispersión depende del tipo de partícula, la concentración de partículas y el ángulo de dispersión. Basándose en la señal de dispersión, la alarma de humo decide si debe activar una alarma. Para superar la prueba de falsas alarmas de hamburguesas, un detector debe tener una alta relación señal-ruido para diferenciar el humo de hamburguesas de otros tipos de humo.   El módulo sensor óptico integrado ADPD188BI de Analog Devices equipa a los fabricantes de alarmas de humo con la tecnología necesaria para superar esta difícil prueba. Este nuevo módulo integrado para detección de humo está compuesto por una carcasa con dos LEDs emisores, incluyendo un LED azul con una longitud de onda de 470 nm y un LED infrarrojo con una longitud de onda de 850 nm, ambos emisores ubicados dentro del compartimento izquierdo. Un fotodiodo y el frontend analógico están situados en la parte derecha de la carcasa. Los LEDs emiten luz y las partículas de humo desvían la luz de regreso al fotodiodo. Los controladores de los LEDs están integrados y se activan mediante ranuras de tiempo internas. Estas ranuras de tiempo permiten al usuario regular el tiempo de operación de todo el frontend sin necesidad de reescribir constantemente los registros.   El frontend analógico consiste en un convertidor de corriente a voltaje y un filtro analógico para la luz ambiental. Este último consiste en un filtro de banda paso para la luz ambiental constante y un integrador para la luz ambiental variable, como la que emite una lámpara fluorescente. El convertidor analógico-digital integrado luego convierte el voltaje en una señal digital.   Debido a la alta densidad de integración, el módulo sensor de humo ADPD188BI tiene varias ventajas. Dado que se requieren pocos componentes externos, todo el sistema se puede calibrar más fácilmente. Las falsas alarmas se reducen aún más gracias a la detección de longitudes de onda de luz de dos colores porque, además de la medición individual de cada longitud de onda, es posible la formación de proporciones. Además, el módulo es pequeño y tiene un menor consumo de energía que los detectores convencionales. El consumo de energía con la operación del LED infrarrojo es de aproximadamente 5 μW/Hz. La integración total de los LEDs y el fotodiodo en el frontend analógico permite a los fabricantes de alarmas de humo ofrecer una solución de módulo único.   El alto grado de integración del módulo ADPD188BI marca una diferencia crucial en la prueba de falsas alarmas de hamburguesas. Los LEDs generalmente tienen una alta variación de pieza a pieza en términos de intensidad luminosa a una corriente fija, por lo que la calibración de alarmas de humo tradicionalmente ha tenido que ser realizada por los fabricantes de alarmas de humo. La calibración de la pendiente y el desplazamiento de la intensidad luminosa versus corriente del LED asegura que todos los LEDs se comporten de la misma manera. Debido a que los LEDs y toda la trayectoria de señal están integrados en el ADPD188BI, Analog Devices precalibra el módulo sensor. De este modo, se reduce la variación de pieza a pieza. Dado que los fabricantes de alarmas de humo pueden usar un módulo precalibrado, esto facilita el diseño del sistema.   El método de calibración utilizado por Analog Devices se enfoca directamente en la calibración de la pendiente y el desplazamiento de los LEDs. Para esto, el ADPD188BI se coloca bajo un reflector. La luz reflejada es medida por el fotodiodo integrado. La pendiente y el desplazamiento pueden determinarse por separado para cada ADPD188BI individual y los coeficientes de calibración se almacenan en la memoria no volátil, los registros eFUSE, del chip. La variabilidad del chip puede minimizarse mediante la lectura de estos coeficientes. Esto significa que los umbrales de alarma pueden establecerse de manera más precisa en los algoritmos, las falsas alarmas pueden reducirse y, en última instancia, pueden superarse las pruebas UL.

Módulo óptico integrado para detección de humo

El ADPD188BI de ADI es un sistema fotométrico completo para la detección de humo que utiliza tecnología óptica de doble longitud de onda. El módulo integra un frente fotométrico altamente eficiente, dos diodos emisores de luz (LEDs) y dos fotodiodos (PDs). Estos elementos están alojados en un paquete personalizado que evita que la luz vaya directamente desde el LED al fotodiodo sin primero entrar en la cámara de detección de humo.   El frente del circuito integrado específico de aplicación (ASIC, por sus siglas en inglés) consta de un bloque de control, un convertidor analógico a digital (ADC) de 14 bits con un acumulador de ráfagas de 20 bits y tres controladores LED flexibles y configurables de manera independiente. El circuito de control incluye señalización LED flexible y detección síncrona. El frente analógico (AFE) cuenta con el mejor rechazo de clase a la desviación de la señal y la corrupción debida a interferencia modulada, comúnmente causada por la luz ambiental. La salida de datos y la configuración funcional se realizan a través de una interfaz I2C de 1,8 V o un puerto de interfaz periférico serial (SPI).   El ADPD188BI cumple con los estándares UL-217 edición 8/ UL-568 ed. 7, EN-54, GB e ISO. Reduce las Alarmas Molestas utilizando detección de Doble Longitud de Onda con mayor SNR y rango dinámico, y admite una disipación de energía 3X menor, lo que permite baterías más pequeñas y económicas. El Módulo Óptico Integrado (3,8 mm x 5 mm x 0,9 mm con 1 LED azul, 1 LED IR y 2 fotodiodos) simplifica el diseño EMC, permite una mayor diversidad de opciones de diseño industrial y resulta en un 75% menos de componentes discretos. La calibración en bucle en la prueba final reduce los desafíos de calibración en los productos de detectores de humo.   ADI también ofrece la placa de evaluación EVAL-ADPD188BIZ-S2, que brinda a los usuarios un medio sencillo para evaluar el módulo óptico ADPD188BI junto con la cámara de humo EVAL-CHAMBER para aplicaciones de detección de humo y aerosol. El sistema de evaluación está compuesto por la placa de evaluación EVAL-ADPD188BIZ-S2, la placa microcontroladora EVAL-ADPDUCZ, la cámara de humo opcional EVAL-CHAMBER y la interfaz gráfica de usuario (GUI) del software Wavetool Evaluation Software. El software proporciona a los usuarios configurabilidad tanto a nivel bajo como alto, análisis en tiempo real de dominio de frecuencia y tiempo, y capacidad de transferencia de protocolo de datagramas de usuario (UDP), de modo que la placa de evaluación pueda conectarse fácilmente al sistema de desarrollo del usuario.

Conclusión

La nueva prueba de molestia por hamburguesa introducida recientemente es muy difícil de superar porque las partículas de humo de una hamburguesa quemada no difieren mucho del humo normal. Por lo tanto, un sensor de humo necesita una alta relación señal-ruido para distinguir entre el humo de hamburguesa y otros tipos de humo. Una baja variación de sensor a sensor desempeña un papel decisivo en esto. Las mediciones y pruebas se completan y aprueban de manera más confiable; gracias a esto, se generan menos falsas alarmas en la aplicación final. Con el nuevo módulo óptico integrado para detección de humo, el ADPD188BI, Analog Devices ofrece un módulo de sensor integrado de alta sensibilidad que no solo tiene una alta relación señal-ruido y detección en dos colores, sino que también minimiza la variación de sensor a sensor y, por lo tanto, simplifica el diseño y el desarrollo de algoritmos. Será una solución ideal para desarrollar nuevas alarmas de humo.