Дизајнирање сензори за простории

Луѓето се чувствуваат комфорно само во одреден период од својата животна средина. Не смее да е претопло или преладно – неверојатно е тоа што многу луѓе можат да забележат разлика во температурата и од само ±0,5 °C – а релативната влажност мора да е баш добра (Слика 1). Ова создава голем притисок за системите HVAC, а со оглед дека елементите за сензори со највисоки перформанси нудат прецизност од ±0,2 °C, маргината за грешка што останува при дизајнирањето на уредите како сензори за простории кои можат да ги исполнат барањата за комфор и да се усогласат со индустриските стандарди е ±0,3 °C.

Разбирањето кој механизам за трансфер на топлина – спроведување, конвекција или зрачење – е одговорен за конкретен феномен може да помогне да се насочат инженерите за дизајн во правата насока. Овој тип тестирање бара точна контрола на параметрите за животната средина користејќи поставеност како што е прикажано на Слика 2.

Мерењето на температурата со таква точност е тешко само по себе, но дополнително се комплицира од надворешните фактори кои може да влијаат на отчитувањата на температурата, како протокот на воздух, влажноста, изворите на топлина и варијациите на напонот низ светот. Освен тоа, измерената вредност треба да ја претставува температурата во средиштето на собата каде што сензорот е монтиран на ѕидот. Со тоа се воведуваат натамошни компликации, бидејќи производителите на сензори имаат мала контрола над тоа како се инсталираат, што значи дека уредот треба да биде дизајниран на начин на кој овој дополнителен параметар нема да влијае на отчитувањата.

Тест-комората што го чува сензорот се снабдува со константен, нетурбулентен проток на воздух кој може прецизно да се контролира од 0,05 m/s до 0,3 m/s, имитирајќи ја надворешната средина. Оваа единица потоа се позиционира во термално изолирано куќиште кое може да ја регулира температурата со точност од 0,1 °C. Бидејќи протокот на воздухот во куќуштето е многу поголем отколку од внатрешноста на тест-комората, посакуваната температура може да се достигне (или промени) многу брзо. Оваа поставеност исто така нуди контрола на параметрите, како влажност и напон на напојување, овозможувајќи моќна алатка за создавање детален профил на калибрација и за одделно проценување на поединечните придонеси на секој механизам за топлинска измена.

Опсежните податоци прибрани со тестирање може да се внесат во дизајнот на сензорот за да се максимизира неговиот перформанс, намалувајќи го влијанието на зрачење и елиминирајќи го самозагревањето. На пример, тестирањето покажа дека оптимизирањето на дизајнот на отворите за воздух во куќиштето може да го зголеми спојувањето помеѓу елементот за сензор и актуелната температура на просторијата. Тоа дополнително може да се оптимизира со промена на обликот и позицијата на каналите за проток на воздух во рамките на уредот.

Друга важна работа за земање предвид кога се дизајнираат сензори за собна температура е дека мерењата треба да бидат незасегнати од генерираната топлина од електронските компоненти во самиот уред. Тука се потребни стратегии за изолирање на елементот за сензор без да се влијае на факторот на форма на целокупниот дизајн. Еден пристап кон постигнувањето на ова е прикажан во топлинската мапа на Слика 3.

Печатеното коло- принт (PCB) на сензорот е направено од два физички раздделени дела поврзани со тенки потпори. Долниот дел го содржи елементот за сензор, додека горниот дел електронските компоненти, како микроконтролерот и изворот на струја кои генерираат топлина за време на нормалното функционирање. Како што може да се види, оваа област на печатеното коло станува многу потопла од делот што го содржи елементот за сензор. Топлината не влијае на елементот за сензор преку спроведување благодарение на физичкото разделување, малите потпори и фактот дека бакарните заземјувачки рамнини на двете кола не се поврзани. Бидејќи бакарот е многу ефикасен спроводник на топлина, деталов може значително да ги намали ефектите на самозагревање.

Иако многу проблеми може да се адресираат за време на фазата на дизајнирање, сепак има надворешни фактори кои се надвор од контролата на производителот, како протокот на воздух, влажноста, различните извори на топлина и променливите напојувања. Второто, на пример, се адресира со внатрешно мерење во реално време и алгоритам за компензација. Меѓутоа, преголемото потпирање на компензација може да направи уредот да биде помалку чувствителен и побавен.

Има многу барања кога се работи за сензори за простории; тие треба да се точни, брзи и соодветни за користење низ светот и многуте примени. Ова бара темелно планирање при дизајнирањето на уредот за да се елиминираат потенцијалните извори на грешки, притоа компензирајќи за неизбежните надворешни флуктуации. Оваа статија ги адресираше само тешкотиите поврзани со температурните мерења и воопшто не ги ни начна надгледувањето и контролирањето на другите параметри што се потребни за да се загарантираат комфорот и безбедноста на внатрешните простори, како влажноста, нивоата на CO₂, честичките или нестабилните органски соединенија. Надежите се дека ова помогна да се нагласат сложените аспекти на создавањето сензори за собна температура со високи перформанси и дека ќе му ја овозможи должната почит на овој вообичаено превиден уред.

д-р Себастијан Еберле, раководител на одделот за развој на технологија за сензори за животна средина

Јорам Мотас, системски инженер за развој на сензори