Helyiségérzékelők tervezése

Az emberek csak egy szűk környezeti ablakban érzik komfortosan magukat. Nem lehet túl meleg vagy túl hideg – hihetetlen módon, sok ember ±0,5 °C-os hőmérsékletváltozást is képes megkülönböztetni –, és a relatív páratartalomnak is éppen megfelelőnek kell lennie (1. ábra). Ez nagy nyomást helyez a HVAC-rendszerekre, és mivel a legtöbb nagy teljesítményű érzékelőelem ±0,2 °C-os pontosságot kínál, ez mindössze ±0,3 °C-os hibahatárt enged egy olyan helyiségérzékelő eszköz tervezéséhez, amely megfelel a kényelmi követelményeknek és az ipari szabványoknak.

Annak megértése, hogy melyik hőátadási mechanizmus – vezetés, konvekció vagy sugárzás – felelős egy adott jelenségért, segíthet a tervezőmérnököket a helyes irányba terelni. Ez a fajta vizsgálat megköveteli a környezeti paraméterek pontos szabályozását, a 2. ábrán láthatóhoz hasonló elrendezéssel.

A hőmérséklet ilyen pontossággal történő mérése önmagában is nehéz, de tovább bonyolítják a külső tényezők, amelyek befolyásolhatják a hőmérséklet-mérést, mint például a légáramlás, a páratartalom, a hőforrások és a feszültségeltérések a világban. Ezenkívül a mért értéknek a helyiség közepének hőmérsékletét kell tükröznie, miközben az érzékelő a falra van szerelve. Ez további bonyodalmakat okoz, mivel az érzékelők gyártói kevéssé tudják befolyásolni a beépítés módját, ami azt jelenti, hogy az eszközt úgy kell megtervezni, hogy ez a további paraméter ne legyen hatással a leolvasott értékekre.

Az érzékelőt tartó tesztkamra állandó, lamináris légáramlással van ellátva, amely pontosan szabályozható 0,05 m/s és 0,3 m/s között, a beltéri környezetet utánozva. Ez az egység egy hőszigetelt készülékházban van elhelyezve, amely 0,1 °C pontossággal képes szabályozni a hőmérsékletet. Mivel a házon belüli légáramlás sokkal nagyobb, mint a tesztkamrában, a kívánt hőmérséklet nagyon gyorsan elérthető (vagy módosítható). Ez a beállítás olyan paraméterek szabályozását is lehetővé teszi, mint a páratartalom és a tápfeszültség, ami hatékony eszközt biztosít egy részletes kalibrációs profil létrehozásához és az egyes hőcsere mechanizmusok egyedi hatásának külön-külön történő értékeléséhez.

A tesztberendezés segítségével gyűjtött széleskörű adatok felhasználhatók az érzékelő tervezésénél a teljesítmény maximalizálása, a sugárzás hatásának csökkentése és az önmelegedés kiküszöbölése érdekében. A tesztek kimutatták például azt, hogy a készülékházban lévő szellőzőnyílások kialakításának optimalizálása javíthatja az érzékelőelem és a helyiség tényleges hőmérséklete közötti kapcsolatot. Ez tovább optimalizálható a légáramlási csatornák alakjának és pozíciójának módosításával a készüléken belül.

Egy másik fontos szempont a helyiséghőmérséklet érzékelők tervezésekor, hogy a méréseket ne befolyásolja a magában a készülék belsejében lévő elektronikus alkatrészek által termelt hő. Ehhez olyan stratégiákra van szükség, amelyek biztosítják az érzékelőelem jó szigetelését, anélkül, hogy az befolyásolná az általános kialakítás formai tényezőjét. Ennek egyik elérési módja a 3. ábrán található hőtérképen látható.

Az érzékelő nyomtatott áramköri kártyája (NYÁK) két fizikailag különálló részből áll, amelyeket vékony tartóelemek kötnek össze. Az alsó rész tartalmazza az érzékelőelemet, míg a felső részen elektronikus alkatrészek – például a mikrokontroller és az áramforrás – találhatók, amelyek normál működés közben hőt termelnek. Ahogy az látható, a NYÁK ezen területe sokkal jobban felmelegszik, mint az érzékelőelemet tartó rész. A fizikai elválasztásnak, a kisméretű tartóelemeknek és annak a ténynek köszönhetően, hogy a két áramkör réz alaplapjai nincsenek összekötve, a hő nem vezetődik át az érzékelőelemre. Mivel a réz nagyon hatékony hővezető, ez a részlet jelentősen csökkentheti az önmelegítő hatást.

Bár sok probléma kezelhető a tervezési fázisban, mégis vannak olyan külső tényezők, amelyeket a gyártó nem tud befolyásolni – mint például a légáramlás, a páratartalom, a különböző hőforrások és az eltérő tápellátások. Ez utóbbi például egy belső valós idejű méréssel és egy kompenzációs algoritmussal kezelhető. Ha azonban túl nagy mértékben hagyatkozunk a kompenzációra, az eszköz kevésbé érzékennyé és lassan reagálóvá válhat.

A helyiségérzékelőknek számos követelménynek kell megfelelniük: pontosnak, gyorsnak kell lenniük, és a világ minden táján és számos alkalmazásban való használatra alkalmasnak kell lenniük. Ez alapos tervezést igényel a készülék kialakítása során, hogy kiküszöböljük a lehetséges belső hibaforrásokat, ugyanakkor kompenzáljuk az elkerülhetetlen külső ingadozásokat is. Ez a cikk csak a hőmérsékletméréssel kapcsolatos nehézségekkel foglalkozott, és nem érintette a belső terek komfortosságának és biztonságának biztosításához szükséges egyéb paraméterek, például a páratartalom, a CO₂-szint, a részecskék vagy az illékony szerves vegyületek figyelését és szabályozását. Cikkünkkel remélhetőleg sikerült rávilágítani a nagy teljesítményű helyiséghőmérséklet érzékelők létrehozásának összetettségére, és ez a gyakran figyelmen kívül hagyott készülék megérdemelt megbecsülést kap.

Dr Sebastian Eberle, a környezetvédelmi érzékelési technológia fejlesztési vezetője

Yoram Mottas, az érzékelőfejlesztés rendszermérnöke