Konštrukcia snímačov v miestnosti

Ľudia sa cítia pohodlne iba v úzkom environmentálnom okne. Nemôže byť príliš horúco ani príliš chladno – neuveriteľne veľa ľudí dokáže rozlíšiť zmeny teploty o ± 0,5 °C – a relatívna vlhkosť musí byť tak akurát (Obrázok 1). To vytvára veľký tlak na vzduchotechnické systémy a s väčšinou vysokovýkonných snímacích prvkov ponúkajúcich presnosť ± 0,2 °C to ponecháva iba chybovú hranicu ± 0,3 °C pri konštrukcii jednotky so snímačom v miestnosti, ktorá spĺňa požiadavky na pohodlie a vyhovuje priemyselným normám.

Pochopenie toho, ktorý mechanizmus prenosu tepla – vedenie, konvekcia alebo žiarenie – je zodpovedný za konkrétny jav, môže pomôcť nasmerovať konštruktérov správnym smerom. Tento typ skúšok si vyžaduje presnú reguláciu parametrov prostredia pomocou nastavenia, ako je znázornené na Obrázku 2.

Meranie teploty s takou presnosťou je náročné samo o sebe, ale je ďalej komplikované vonkajšími faktormi, ktoré môžu ovplyvniť hodnoty teploty, ako je prúdenie vzduchu, vlhkosť, zdroje tepla a kolísanie napätia na rôznych miestach po celom svete. Okrem toho musí nameraná hodnota predstavovať teplotu v strede miestnosti, zatiaľ čo snímač je namontovaný na stene. To prináša ďalšie komplikácie, pretože výrobcovia snímača majú malú kontrolu nad tým, ako je nainštalovaný, čo znamená, že jednotka musí byť navrhnutá tak, aby tento dodatočný parameter neovplyvňoval hodnoty.

Skúšobná komora, v ktorej sa nachádza snímač, je zásobovaná konštantným, laminárnym prúdením vzduchu, ktorý možno presne regulovať od 0,05 m/s do 0,3 m/s, napodobňujúc vnútorné prostredie. Táto jednotka je potom umiestnená v tepelne izolovanom kryte, ktorý je schopný regulovať teplotu s presnosťou 0,1 °C. Keďže prúdenie vzduchu vo vnútri krytu je oveľa vyššie ako v skúšobnej komore, požadovanú teplotu možno dosiahnuť (alebo zmeniť) veľmi rýchlo. Toto nastavenie tiež ponúka reguláciu parametrov, ako je vlhkosť a napájacie napätie, čím poskytuje výkonný nástroj na vytvorenie podrobného kalibračného profilu a na samostatné posúdenie jednotlivých príspevkov každého mechanizmu výmeny tepla.

Rozsiahle údaje zozbierané pomocou skúšobného zariadenia je možné vložiť do konštrukcie snímača, aby sa maximalizoval jeho výkon, znížil sa vplyv žiarenia a eliminoval sa samoohrev. Skúšky napríklad ukázali, že optimalizácia konštrukcie vetracích otvorov v kryte môže zlepšiť prepojenie medzi snímacím prvkom a aktuálnou teplotou v miestnosti. To možno ďalej optimalizovať zmenou tvaru a polohy kanálov prúdenia vzduchu v jednotke.

Ďalším dôležitým činiteľom pri konštrukcii snímačov izbovej teploty je, že merania by nemali byť ovplyvnené teplom vytváraným elektronickými komponentmi vo vnútri samotnej jednotky. To si vyžaduje stratégie na izoláciu snímacieho prvku bez ovplyvnenia tvarového faktora celkovej konštrukcie. Jeden prístup, ako to dosiahnuť, je ukázaný na tepelnej mape na Obrázku 3.

Doska plošných spojov snímača (PCB) je tvorená dvoma fyzicky oddelenými časťami spojenými tenkými podperami. Dolná časť obsahuje snímací prvok, zatiaľ čo horná časť obsahuje elektronické komponenty – ako je mikrokontrolér a zdroj energie – ktoré počas bežnej prevádzky vytvárajú teplo. Ako je možné vidieť, táto oblasť PCB je oveľa teplejšia ako časť, ktorá drží snímací prvok. Vďaka fyzickému oddeleniu, malým podperám a skutočnosti, že medené základné plochy dvoch obvodov nie sú spojené, je bránené tomu, aby teplo ovplyvňovalo prvok snímača vedením. Keďže meď je veľmi účinný vodič tepla, tento detail môže výrazne znížiť samo ohrievacie účinky.

Hoci mnohé problémy je možné vyriešiť už vo fáze konštrukcie, stále existujú vonkajšie faktory, ktoré sú mimo kontroly výrobcu – ako je prúdenie vzduchu, vlhkosť, rôzne zdroje tepla a kolísavé napájanie. Ten posledný faktor je napríklad riešený interným meraním v reálnom čase a kompenzačným algoritmom. Prílišné spoliehanie sa na kompenzáciu by však mohlo spôsobiť, že jednotka bude menej citlivá a bude pomaly reagovať.

Pokiaľ ide o snímače v miestnosti, existuje na ne veľa požiadaviek; musia byť presné, rýchle a vhodné na použitie na celom svete a vo veľkom počte použití. To si vyžaduje dôkladné plánovanie pri konštrukcii jednotky, aby sa eliminovali potenciálne interné zdroje chýb a zároveň sa kompenzovali nevyhnutné vonkajšie výkyvy. Tento článok sa zaoberá iba ťažkosťami, súvisiacimi s meraniami teploty a ani sa nedotkol monitorovania a regulácie ďalších parametrov, potrebných na zaistenie pohodlia a bezpečnosti vnútorných priestorov, ako je vlhkosť, hladiny CO₂, pevné častice alebo nestále organické látky. Dúfajme, že to pomohlo zdôrazniť zložitosť vytvárania vysokovýkonného snímača izbovej teploty a poskytne tejto bežne prehliadanej jednotke určité zaslúžené ocenenie.

Dr. Sebastian Eberle, vedúci Development Environmental Sensing Technology

Yoram Mottas, systémový inžinier vývoja snímačov