תכנון רגשי חדר

בני אדם מרגישים בנוח רק בחלון סביבתי צר. "חלון" זה אינו יכול להיות חם מדי או קר מדי – באופן מדהים, אנשים רבים יכולים להבחין בשינויים של ±0.5 מעלות צלזיוס בטמפרטורה – והלחות היחסית חייבת להיות מדויקת (איור 1). הדבר מפעיל לחץ רב על מערכות חימום ומיזוג, וכאשר רוב רכיבי הרגשים בעלי הביצועים הגבוהים המציעים דיוק של ±0.2 מעלות צלזיוס, ונותר רק מרווח שגיאה של ±0.3 מעלות צלזיוס לתכנון רגש חדר שיכול לעמוד בדרישות הנוחות מחד, ובדרישות תקני התעשייה מאידך.

הבנה איזה מנגנון העברת חום – הולכה, הסעה או קרינה – אחראי לתופעה ספציפית, יכולה לעזור לכוון את מהנדסי התכנון בכיוון הנכון. בדיקה מסוג זה דורשת בקרה מדויקת של הפרמטרים הסביבתיים, תוך שימוש במערך כמו זה המוצג באיור 2.

מדידת הטמפרטורה בדיוק כזה קשה בפני עצמה, אך היא מסובכת עוד יותר על ידי גורמים חיצוניים שיכולים להשפיע על קריאות הטמפרטורה, כגון זרימת אוויר, לחות, מקורות חום ושינויי מתח ברחבי העולם. בנוסף, הערך הנמדד צריך לייצג את הטמפרטורה של אמצע החדר, בעוד שהרגש מותקן על קיר. הדבר מציג סיבוכים נוספים, שכן ליצרני הרגש יש שליטה מועטה על אופן התקנתו, כלומר, המכשיר צריך להיות מתוכנן באופן שהפרמטר הנוסף הזה לא ישפיע על המדידות.

לתא הבדיקה המחזיק את הרגש מסופקת זרימת אוויר קבועה ולמינרית הניתנת לשליטה מדויקת מ-0.05 מ'/שנ' עד 0.3 מ'/שנ', המחקה סביבה פנימית. יחידה זו ממוקמת בתוך גוף מבודד תרמית המסוגל לווסת את הטמפרטורה בדיוק של 0.1 מעלות צלזיוס. מכיוון שזרימת האוויר בתוך הגוף גבוהה בהרבה מזו שבתוך תא הבדיקה, ניתן להגיע לטמפרטורה הרצויה (או לשנותה) במהירות רבה. מערך זה מציע גם בקרה על פרמטרים כגון לחות ומתח אספקת החשמל, ומספק כלי רב עוצמה ליצירת פרופיל כיול מפורט, ולהערכה נפרדת של התרומות האישיות של כל מנגנון חום חילופי

ניתן להזין את הנתונים הנרחבים שנאספו באמצעות מתקן הבדיקה לתכנון החיישן כדי למקסם את הביצועים שלו, להפחית את השפעת הקרינה ולבטל את החימום העצמי. לדוגמה, בדיקות הראו שאופטימיזציה של עיצוב פתחי האוורור במארז יכולה לשפר את הצימוד בין אלמנט החישה לבין הטמפרטורה בפועל של החדר. ניתן לבצע אופטימיזציה נוספת על ידי שינוי הצורה והמיקום של תעלות זרימת האוויר בתוך המכשיר.

שיקול חשוב נוסף בעת תכנון רגשי טמפרטורת החדר הוא שאסור שהמדידות יושפעו מהחום שנוצר על ידי הרכיבים האלקטרוניים בתוך המכשיר עצמו. הדבר מצריך אסטרטגיות על מנת לבודד את אלמנט הרגש מבלי להשפיע על גורם הצורה של העיצוב הכולל. גישה אחת להשגת מטרה זו מוצגת במפת החום באיור 3.

לוח המעגל המודפס (PCB) של החיישן מורכב משני חלקים מופרדים פיזית המחוברים על ידי תומכים דקים. החלק התחתון מכיל את אלמנט הרגש, בעוד החלק העליון מכיל רכיבים אלקטרוניים – כגון המיקרו-בקר וספק הכוח – המייצרים חום במהלך פעולה רגילה. כפי שניתן לראות, אזור זה של המעגל המודפס מתחמם בהרבה מהחלק המחזיק את אלמנט החיישן. החום מנוע מלהשפיע על אלמנט הרגש באמצעות הולכה הודות להפרדה הפיזית, תומכים קטנים, והעובדה שמוליכי ההארקה העשויים נחושת של שני המעגלים אינם מחוברים. מכיוון שנחושת היא מוליך חום יעיל מאוד, פרט זה יכול להפחית את השפעות החימום העצמי באופן משמעותי.

למרות שניתן לטפל בבעיות רבות במהלך שלב התכנון, עדיין ישנם גורמים חיצוניים שאינם בשליטת היצרן – כגון זרימת אוויר, לחות, מקורות חום שונים ואספקת חשמל משתנה. גורם זה האחרון, למשל, מטופל על ידי מדידה פנימית בזמן אמת ואלגוריתם פיצוי. עם זאת, הסתמכות רבה מדי על פיצוי עלולה להפוך מכשיר לפחות רגיש ואיטי בתגובה.

דרישות רבות עומדות בפני מתכנני רגשי חדר; הם צריכים להיות מדויקים, מהירים ומתאימים לשימוש ברחבי העולם ולטווח רחב של יישומים. הדבר מצריך תכנון יסודי בעת עיצוב המכשיר כדי למנוע מקורות שגיאה פנימיים פוטנציאליים, תוך פיצוי על תנודות חיצוניות בלתי נמנעות. מאמר זה התייחס רק לקשיים הקשורים למדידת טמפרטורה, ואף לא נגע בניטור ובקרה של פרמטרים אחרים הדרושים כדי להבטיח את הנוחות והבטיחות של חללים פנימיים, כגון לחות, רמות CO₂, חומר חלקיקי, או תרכובות אורגניות נדיפות. יש לקוות, שמאמר זה עזר להדגיש את המורכבות של ייצור רגש טמפרטורת חדר בעל ביצועים גבוהים, ויעניק למכשיר הזה, שמתעלמים ממנו בדרך כלל, הערכה ראויה.

ד"ר סבסטיאן אברלה, ראש תחום פיתוח טכנולוגיית חישה סביבתית

יורם מוטס, מהנדס מערכות לפיתוח רגשים