Konstrukcija sobnih senzorjev

Ljudje se udobno počutimo samo v ozkem oknu okoljskih razmer. Ne sme nam biti prevroče ali premrzlo – neverjetno, ampak nekateri lahko zaznavajo razliko v temperaturi v obsegu ±0,5 °C – pa tudi relativna vlažnost mora biti čisto prava (slika 1). Vse to močno obremenjuje sisteme HVAC, ker pa večina visokozmogljivih senzorskih elementov omogoča natančnost ±0,2 °C, to hkrati pomeni samo ±0,3 °C tolerance pri konstrukciji enote sobnega senzorja, ki lahko izpolnjuje zahteve po udobju in industrijske standarde.

Razumevanje mehanizmov za prenos toplote – kondukcija, konvekcija ali radiacija – in njihove vloge pri specifičnih pojavih je lahko koristno pri usmerjanju konstrukcijskih inženirjev v pravo smer. Takšna vrsta testiranja zahteva točen nadzor nad okoljskimi parametri, pri čemer se uporablja konfiguracija kot na sliki 2.

Merjenje temperature s takšno natančnostjo je težavno samo po sebi, še bolj zapleteno pa postane zaradi zunanjih dejavnikov, ki lahko vplivajo na merjenje temperature, na primer pretok zraka, vlažnost, viri vročine in razlike v napetosti po vsem svetu. Poleg tega merilna vrednost tudi mora odražati vrednost temperature na sredini prostora, senzor pa je montiran na steni. To povzroči dodatne zaplete, saj imajo proizvajalci senzorjev le malo nadzora nad tem, kako se ti namestijo, kar pomeni, da morajo biti te naprave zasnovane tako, da ta dodatni parameter ne vpliva na merjenje.

Testna komora s senzorjem je izpostavljena neprekinjenemu laminarnemu pretoku zraka, ki ga je mogoče natančno krmiliti od 0,05 m/s do 0,3 m/s, s čimer se posnemajo okoljske razmere v prostorih. Potem se ta enota položi v toplotno izolirano ohišje, ki lahko regulira temperaturo z natančnostjo 0,1 °C. Ker je pretok zraka v ohišju veliko višji od pretoka znotraj testne komore, je mogoče želeno temperaturo doseči (ali spremeniti) zelo hitro. Takšna testna konfiguracija omogoča tudi nadzor parametrov kot vlažnost in napajalna napetost ter tako predstavlja zmogljivo orodje za doseganje podrobnega kalibracijskega profila in za ločeno ocenjevanje posameznih prispevkov pri vsakem mehanizmu izmenjevanja toplote.

Obsežno količino podatkov, zbranih pri uporabi preskusne naprave, je mogoče uporabiti pri konstrukciji senzorja za njegovo izboljšano zmogljivost, zmanjšanje vplivov sevanja in odpravljanje njegovega lastnega segrevanja. Tako se je na primer pri testiranju izkazalo, da optimizirana konstrukcija zračnikov v ohišju lahko poveča povezanost senzorskega elementa z dejansko temperaturo v prostoru. To je mogoče nadalje optimizirati s spremembo oblike in položaja kanalov za pretok zraka v sami enoti.

Nadaljnja pomembna tema pri konstruiranju senzorjev temperature prostora je potreba po neodvisnosti meritev od toplote, ki jo povzročijo elektronske komponente v sami enoti. To pomeni, da so potrebne strategije za izolacijo senzorskega elementa brez vpliva na obliko celotne konstrukcije. Ena od možnih rešitev za to je prikazana pri razporeditvi toplote na sliki 3.

Plošča tiskanega vezja (PCB) senzorja je izdelana iz dveh fizično ločenih delov, ki ju povezujejo tanki podporniki. Na spodnjem delu je senzorski element, na zgornjem delu pa elektronske komponente – kot mikrokontroler in vir napajanja – ki med običajnim delovanjem ustvarjajo toploto. Kot je razvidno, se to območje plošče tiskanega vezja segreje močneje kot del s senzorskim elementom. Toplota v obliki kondukcije ne more vplivati na senzorski element zaradi fizične ločitve, majhnih podpornikov in dejstva, da bakreni osnovni plošči obeh vezij nista med seboj povezani. Baker je zelo učinkovit toplotni prevodnik, zato ta podrobnost lahko bistveno zmanjša učinke samodejnega segrevanja plošče vezja.

Mnogo težav je torej mogoče odpraviti že v fazi konstrukcije, vendar pa še vedno obstajajo zunanji dejavniki, nad katerimi proizvajalec nima nadzora – na primer pretok zraka, vlažnost, različni viri toplote in razlike pri napajanju. Te zadnje se na primer odpravljajo z notranjim merjenjem v realnem času in s kompenzacijskim algoritmom. Premočna raba kompenzacije bi lahko povzročila manjšo občutljivost enote in počasnost njenih odzivov.

V zvezi s sobnimi senzorji obstaja veliko zahtev; biti morajo namreč natančni, hitri in primerni za uporabo po vsem svetu za najrazličnejše namene uporabe. To pomeni, da je treba konstrukcijo teh enot skrbno načrtovati, da se odpravijo morebitni notranji viri napak, istočasno pa je potrebna tudi kompenzacija neizogibnih zunanjih nihanj. V tem članku so opisane samo težave z merjenjem temperature; nadzorovanje in krmiljenje drugih parametrov, ki so potrebni za zagotavljanje udobja in varnosti v notranjih prostorih, pa ni bilo niti omenjeno. K tem parametrom spadajo vlažnost, ravni CO₂, fini prah ali hlapne organske spojine. Upava, da je članek pomagal razjasniti kompleksno tematiko izdelave visokozmogljivega senzorja temperature prostora in da je prispeval k potrebnemu razumevanju te naprave, ki jo je mogoče tako hitro spregledati.

Dr Sebastian Eberle, vodja razvoja okoljske senzorske tehnologije

Yoram Mottas, sistemski inženir za razvoj senzorjev