Razvoj sobnih osjetnika

Ljudi se osjećaju udobno samo u uvjetima okoline vrlo malog raspona. Ne smije biti previše vruće ili previše hladno, jer ljudi mogu primijetiti promjenu temperature od samo ±0,5 °C, a relativna vlažnost mora biti savršena (slika 1). To predstavlja veliki izazov za HVAC sustave, jer većina visokoučinkovitih osjetnika nudi preciznost od ±0,2 °C, čime za razvoj sobnog osjetnika preostaje raspon pogreške od samo ±0,3 °C kako bi se udovoljilo zahtjevima za udobnost i kako bi se ispunili zahtjevi industrijskih normi.

Shvatiti koji je mehanizam prijenosa topline (vodljivost, konvekcija ili zračenje) odgovoran za određeni fenomen, može navesti razvojne inženjere na pravi smjer. Ova vrsta ispitivanja zahtijeva precizno upravljanje parametrima okruženja, upotrebljavajući konfiguraciju poput one koja je prikazana na slici 2.

Mjerenje temperature s takvom preciznošću teško je samo po sebi, a dodatno ga otežavaju vanjski čimbenici koji mogu utjecati na izmjerene vrijednosti temperature, kao npr. protok zraka, vlažnost, izvori topline i različiti naponi u različitim krajevima svijeta. Osim toga, izmjerena vrijednost mora predstavljati temperaturu u središtu prostorije, dok je osjetnik montiran na zid. To dovodi do daljnjih komplikacija, jer proizvođači osjetnika imaju mali utjecaj na način instalacije, što znači da uređaj treba razviti tako da taj dodatni parametar ne utječe na izmjerene vrijednosti.

Ispitna komora u koju se postavlja osjetnik ima konstantan laminarni protok zraka kojim je moguće precizno upravljati u rasponu od 0,05 m/s do 0,3 m/s, čime se oponaša okruženje u zatvorenom prostoru. Ta se jedinica zatim postavlja u termički izolirano kućište koje može regulirati temperaturu s preciznošću od 0,1 °C. Budući da je protok zraka unutar kućišta mnogo veći od protoka unutar ispitne komore, moguće je vrlo brzo postići (ili promijeniti) željenu temperaturu. Ova konfiguracija također omogućava upravljanje parametrima, kao što su vlažnost i napon napajanja, nudeći svestran alat za izradu detaljnog kalibracijskog profila i za zasebnu procjenu pojedinačnih doprinosa svakog mehanizma razmjene topline.

Opsežni podaci prikupljeni uz pomoć ispitnog stola mogu se uzeti u obzir pri razvoju osjetnika kako bi se povećala njegova učinkovitost, smanjio utjecaj zračenja i spriječilo samozagrijavanje. Ispitivanje je, primjerice, pokazalo da optimizacija konstrukcije ventilacijskih otvora u kućištu može poboljšati vezu između osjetilnog elementa i stvarne temperature u prostoriji. To se može dodatno optimizirati promjenom oblika i položaja kanala za protok zraka unutar uređaja.

Još jedna važna točka pri razvoju osjetnika temperature u prostoriji je da na mjerenja ne bi smjela utjecati toplina koju stvaraju elektroničke komponente unutar samog uređaja. To zahtijeva strategije za izolaciju osjetilnog elementa, a da pritom ne dođe do utjecaja na čimbenik oblika cjelokupne konstrukcije. Jedan način za postizanje toga prikazan je na karti raspodjele topline na slici 3.

Tiskana pločica osjetnika sastoji se od dva fizički odvojena dijela spojena tankim nosačima. Analogno mikrokontroleru i izvoru napajanja, donji dio sadrži osjetilni element, dok gornji dio sadrži elektroničke komponente koje stvaraju toplinu tijekom normalnog rada. Kao što se može vidjeti, ovo područje tiskane pločice više se zagrijava od dijela koji sadrži osjetilni element. Zahvaljujući fizičkom odvajanju, malim nosačima i činjenici da bakrene površine za uzemljenje dvaju krugova nisu međusobno spojene, sprječava se utjecaj topline na osjetilni element uslijed provođenja topline. Budući da je bakar vrlo učinkovit toplinski vodič, ovaj detalj može znatno smanjiti učinke samozagrijavanja.

Iako se mnogi problemi mogu riješiti tijekom faze razvoja, još uvijek postoje vanjski čimbenici koji su izvan kontrole proizvođača – kao što su protok zraka, vlaga, različiti izvori topline i različiti izvori napajanja. Potonje se, primjerice, rješava unutarnjim mjerenjem u stvarnom vremenu i kompenzacijskim algoritmom. No, ako se previše oslonimo na kompenzaciju, uređaj bi mogao biti manje osjetljiv i mogao bi reagirati sporije.

Postoji mnogo zahtjeva kada su u pitanju sobni osjetnici: moraju biti precizni, brzi i prikladni za uporabu diljem svijeta i za mnoštvo primjena. To zahtijeva temeljito planiranje pri razvoju uređaja kako bi se uklonili potencijalni unutarnji izvori pogrešaka, a istodobno kompenzirale neizbježne vanjske fluktuacije. Ovaj se članak bavi samo poteškoćama koje se odnose na mjerenje temperature, a nije ni dotaknuo nadzor i regulaciju drugih parametara koji su potrebni za osiguranje udobnosti i sigurnosti u unutarnjim prostorima, kao što su vlažnost, razine sadržaja CO₂, čestice ili hlapljivi organski spojevi. Nadamo se da smo ovime mogli pomoći u isticanju složenosti stvaranja visokoučinkovitih osjetnika temperature u prostoriji i da smo ovom, često zanemarenom uređaju mogli dati zasluženu pozornost.

Dr. Sebastian Eberle, voditelj odjela za razvoj tehnologije za bilježenje uvjeta okoline

Yoram Mottas, inženjer sustava za razvoj osjetnika