Una soluzione con sensore ottico per ridurre al minimo le attivazioni errate nei rilevatori di fumo

Ridurre le attivazioni false negli allarmi antincendio diminuisce i tassi di utilizzo e aumenta i costi per i vigili del fuoco

Gli edifici odierni dispongono di numerosi sensori diversi per rendere la vita quotidiana più facile e per offrire protezione. Oltre ai sensori ambientali e alle applicazioni per la smart home, come la regolazione dell'elettricità e del riscaldamento, i sensori legati alla sicurezza assumono un ruolo importante. Tra questi vi sono i rilevatori di fumo. I rilevatori di fumo sono essenziali e prescritti dalla legge, ma molti rilevatori di fumo presenti sul mercato non sono adatti per l'uso in cucine o bagni a causa di un maggiore rischio di falsi allarmi causati dai vapori di cottura o dal vapore acqueo. I falsi allarmi non dovrebbero essere sottovalutati perché spingono gli utenti a spegnere i rilevatori di fumo e possono comportare costi elevati a causa di interventi inutili dei vigili del fuoco.   Tuttavia, l'assenza di rilevatori di fumo nei bagni e nelle cucine è un problema serio perché il rischio di incendio è alto, specialmente in cucina. Questo rappresenta un rischio maggiore negli appartamenti moderni, dove spesso la cucina è integrata nel soggiorno. Gli incendi si diffondono rapidamente negli ambienti moderni, caratterizzati da una grande quantità di materiali da costruzione sintetici, quindi una rete di rilevatori di fumo più fitta è importante per un rilevamento accurato degli incendi.   A livello globale, gli standard cercano di soddisfare questi nuovi requisiti prescrivendo il rilevamento di diversi tipi di fumo in nuovi test. Diverse regioni hanno regolamenti leggermente differenti: in Europa si applica lo standard EN, in Nord America lo standard UL, e a livello internazionale lo standard ISO. Nelle sue edizioni più recenti, che verranno rilasciate a giugno 2021 (UL 268: 7ª edizione e UL 217: 8ª edizione), UL ha introdotto un test aggiuntivo chiamato "hamburger nuisance alarm test". In questo test, una concentrazione definita di fumo di hamburger deve essere distinta da una concentrazione definita di poliuretano in fiamme. Questo test dovrebbe aiutare a ridurre il tasso di falsi allarmi nelle cucine.

Test di allarme per il disturbo dell'hamburger di UL

Questo test d'ingombro degli hamburger è stato creato per replicare il fumo reale generato dalla cottura. Il concetto alla base del test di allarme di disturbo degli hamburger è semplice, ma persino i moderni rilevatori di fumo affrontano una sfida: una fetta di hamburger viene grigliata per un periodo di tempo specifico. Durante il processo, si verifica se il rilevatore di fumo viene attivato dal fumo che si alza (partendo da un limite definito). Questo test è naturalmente standardizzato, in modo che tutti i rilevatori di fumo possano essere testati in condizioni identiche. La misura dell'oscuramento viene utilizzata come riferimento. Per questo test, una sorgente luminosa con un fascio di luce di diametro compreso tra 10 cm e 15 cm viene posizionata a una distanza di circa 2 metri. Come sorgente luminosa viene utilizzata una lampada a vapori con una lunghezza d'onda definita di 589 nm. Il fumo situato tra la lampada e il rilevatore oscura la luce.   L'oscuramento del fascio di luce causato dal fumo viene confrontato con il segnale di riferimento in una stanza priva di fumo. Si possono trarre conclusioni sulla densità del fumo e sulla concentrazione del fumo basandosi sull'oscuramento. Per le stesse particelle, maggiore è l'oscuramento, maggiore è la concentrazione. Naturalmente, l'oscuramento varia non solo con la concentrazione ma anche con il tipo di particelle. Questo dipende dalla sezione d'urto di diffusione e varia fortemente da un tipo di particelle all'altro.   Il tempo di oscuramento svolge un ruolo come componente aggiuntiva per la generazione dell'allarme. Pertanto, secondo la norma, un allarme viene attivato o dopo un certo limite di tempo o dopo che si supera un limite di oscuramento nel sistema di riferimento. Quindi, il test di allarme di disturbo degli hamburger stabilisce che l'allarme non deve attivarsi durante la grigliatura della fetta di hamburger prima di raggiungere un oscuramento maggiore dell'1,5%/ft. Il poliuretano, che può emulare un oggetto reale come una poltrona, viene incendiato nella seconda parte del test. Il rilevatore di fumo deve riconoscere la differenza e attivare l'allarme con un oscuramento del 5%/ft.   Questo è estremamente impegnativo, perché i due tipi di fumo, quello di un vero incendio e quello generato dalla cottura, sono difficili da distinguere. Tuttavia, questo test è solo uno dei tanti definiti nelle normative UL 217 e UL 268. Inoltre, diversi rilevatori di fumo identici devono superare questo test per escludere risultati casuali e garantire una distribuzione uniforme della qualità tra i rilevatori.

Come i rilevatori di fumo possono superare il test di allarme fastidioso dell'hamburger

La maggior parte dei rilevatori di fumo moderni utilizza un principio di funzionamento fotoelettrico. Per il test delle false attivazioni dovute a fumo di hamburger, un fascio di luce viene emesso e riflesso dalle particelle. La diffusione dipende dal tipo di particelle, dalla concentrazione di particelle e dall'angolo di diffusione. Sulla base del segnale di diffusione, il rilevatore di fumo decide se attivare o meno un allarme. Per superare il test delle false attivazioni dovute a fumo di hamburger, un rilevatore deve avere un elevato rapporto segnale-rumore per distinguere il fumo di hamburger da altri tipi di fumo.   Il modulo sensore ottico integrato ADPD188BI di Analog Devices fornisce ai produttori di rilevatori di fumo la tecnologia necessaria per superare questo difficile test. Questo nuovo modulo integrato per il rilevamento del fumo è composto da un involucro con due LED trasmettitori, tra cui un LED blu con una lunghezza d'onda di 470 nm e un LED a infrarossi con una lunghezza d'onda di 850 nm, entrambi emettitori situati all'interno del compartimento sinistro. Un fotodiodo e il front-end analogico sono posizionati nella parte destra dell'involucro. I LED emettono luce e le particelle di fumo deviano la luce verso il fotodiodo. I driver LED sono integrati e attivati tramite slot temporali interni. Questi slot temporali consentono all'utente di regolare i tempi di funzionamento dell'intero front-end senza dover riscrivere continuamente i registri.   Il front-end analogico è costituito da un convertitore corrente-tensione e da un filtro analogico per la luce ambientale. Quest'ultimo include un filtro passa-banda per la luce ambientale costante e un integratore per la luce ambientale variabile, come ad esempio quella emessa da una lampada fluorescente. Il convertitore analogico-digitale integrato converte quindi la tensione in un segnale digitale.   Grazie all'elevata densità di integrazione, il modulo sensore di fumo ADPD188BI presenta numerosi vantaggi. Poiché sono richiesti solo pochi componenti esterni, l'intero sistema può essere calibrato più facilmente. Gli allarmi falsi sono ulteriormente ridotti grazie alla rilevazione a doppia lunghezza d'onda della luce, poiché, oltre alla misurazione individuale di ciascuna lunghezza d'onda, è possibile effettuare la formazione di rapporti. Inoltre, il modulo è piccolo e consuma meno energia rispetto ai rilevatori convenzionali. Il consumo di energia durante il funzionamento del LED a infrarossi è di circa 5 μW/Hz. L'integrazione completa dei LED e del fotodiodo con il front-end analogico consente ai produttori di rilevatori di fumo di offrire una soluzione con un unico modulo.   L'elevato grado di integrazione del modulo ADPD188BI risulta essere un fattore decisivo per il superamento del test delle false attivazioni dovute a fumo di hamburger. I LED di solito presentano una notevole variazione tra i componenti in termini di intensità luminosa a una corrente fissa, motivo per cui la calibrazione dei rilevatori di fumo è stata tradizionalmente eseguita dai produttori di rilevatori. La calibrazione della pendenza e dell'offset dell'intensità luminosa-corrente del LED garantisce che tutti i LED si comportino nello stesso modo. Poiché i LED e l'intero percorso del segnale sono integrati nell'ADPD188BI, Analog Devices precalibra il modulo sensore. La variazione tra i componenti è così ridotta. Grazie all'utilizzo di un modulo precalibrato, i produttori di rilevatori di fumo possono semplificare la progettazione del sistema.   Il metodo di calibrazione utilizzato da Analog Devices si concentra direttamente sulla calibrazione della pendenza e dell'offset dei LED. Per questa operazione, l'ADPD188BI viene posizionato sotto un riflettore. La luce riflessa viene misurata dal fotodiodo integrato. La pendenza e l'offset possono essere determinati separatamente per ciascun ADPD188BI e i coefficienti di calibrazione vengono memorizzati nella memoria non volatile, i registri eFUSE, del chip. La variabilità del chip può essere minimizzata grazie alla lettura di questi coefficienti. Ciò consente di impostare soglie di allarme più precise negli algoritmi, ridurre i falsi allarmi e, infine, superare i test UL.

Modulo ottico integrato per la rilevazione di fumo

L'ADPD188BI di ADI è un sistema fotometrico completo per la rilevazione di fumo che utilizza la tecnologia ottica a doppia lunghezza d'onda. Il modulo integra un front-end fotometrico ad alta efficienza, due diodi emettitori di luce (LED) e due fotodiodi (PD). Questi elementi sono inseriti in un pacchetto personalizzato che impedisce alla luce di passare direttamente dal LED al fotodiodo senza prima entrare nella camera di rilevazione del fumo.   Il front-end del circuito integrato specifico per l'applicazione (ASIC) è composto da un blocco di controllo, un convertitore analogico-digitale (ADC) a 14 bit con un accumulatore a raffica da 20 bit e tre driver LED flessibili configurabili in modo indipendente. I circuiti di controllo includono una segnalazione LED flessibile e una rilevazione sincrona. Il front-end analogico (AFE) presenta una capacità di reiezione del rumore di segnale e delle interferenze modulate di livello superiore, spesso causate dalla luce ambientale. L'output dei dati e la configurazione delle funzionalità avvengono tramite un'interfaccia I2C a 1,8 V o una porta SPI (Serial Peripheral Interface).   L'ADPD188BI supporta gli standard UL-217 edizione 8/ UL-568 ed. 7, EN-54, GB e ISO. Riduce gli allarmi indesiderati utilizzando una rilevazione a doppia lunghezza d'onda con un rapporto segnale-rumore (SNR) più elevato e una gamma dinamica maggiore, e consente un consumo energetico tre volte inferiore, supportando batterie di dimensioni minori e meno costose. Il modulo ottico integrato (3,8mm x 5mm x 0,9mm con 1 LED blu, 1 LED IR e 2 fotodiodi) semplifica la progettazione EMC, consente una maggiore varietà di opzioni di design industriale e riduce del 75% il numero di componenti discreti. La calibrazione in loop durante il test finale riduce le sfide legate alla calibrazione nei prodotti rilevatori di fumo.   ADI offre anche la scheda di valutazione EVAL-ADPD188BIZ-S2, che fornisce agli utenti un modo semplice per valutare il modulo ottico ADPD188BI insieme alla camera EVAL-CHAMBER per applicazioni di rilevazione di fumo e aerosol. Il sistema di valutazione è composto dalla scheda di valutazione EVAL-ADPD188BIZ-S2, la scheda microcontrollore EVAL-ADPDUCZ, la camera opzionale EVAL-CHAMBER per il rilevamento di fumo e il software Wavetool Evaluation Software con interfaccia grafica utente (GUI). Il software offre agli utenti configurabilità a livello basso e alto, analisi in tempo reale in dominio di frequenza e tempo, e funzionalità di trasferimento tramite User Datagram Protocol (UDP), permettendo alla scheda di valutazione di interfacciarsi facilmente con il sistema di sviluppo dell'utente.

Conclusione

Il nuovo test di disturbo del fumo di hamburger è molto difficile da superare perché le particelle di fumo di una polpetta di hamburger bruciata non differiscono molto dal normale fumo. Un sensore di fumo, pertanto, necessita di un elevato rapporto segnale-rumore per distinguere tra il fumo di una polpetta di hamburger e altri tipi di fumo. Una bassa variazione tra le parti del sensore gioca un ruolo decisivo in questo. Le misurazioni e i test vengono completati e superati in modo più affidabile; attraverso questo processo, vengono generati meno falsi allarmi nell'applicazione finale. Con il nuovo modulo ottico integrato per il rilevamento del fumo, l'ADPD188BI, Analog Devices offre un modulo sensore integrato ad alta sensibilità che non solo presenta un elevato rapporto segnale-rumore e rilevamento a due colori, ma riduce anche la variazione tra le parti e semplifica così la progettazione e lo sviluppo degli algoritmi. Sarà una soluzione ideale per lo sviluppo di nuovi rilevatori di fumo.