Projektowanie czujników pomieszczeniowych

Ludzie czują się komfortowo tylko w wąskim przedziale temperatur i wilgotności. Nie może być ani za gorąco, ani za ciepło. To niewiarygodne, że wiele osób odczuwa zmianę temperatury już o ±0,5°C. Odpowiednią wartość musi mieć też wilgotność względna (Rys. 1). Stanowi to duże wyzwanie dla instalacji HVAC. Ponadto większość precyzyjnych czujników ma dokładność ±0,2°C, co oznacza, że przy projektowaniu regulatora pomieszczeniowego, który zapewnia oczekiwany komfort i jest zgodny z normami branżowymi, margines błędu pomiarowego wynosi tylko ±0,3°C.

Zrozumienie, który mechanizm wymiany ciepła – przewodzenie, konwekcja czy promieniowanie – odpowiada za konkretne zjawisko, może pomóc projektantom w znalezieniu odpowiedniego rozwiązania. Ten rodzaj pomiaru wymaga precyzyjnej kontroli nad parametrami środowiskowymi, przy użyciu stanowiska, takiego jak przedstawiony na Rys. 2.

Pomiar temperatury z taką dokładnością jest sam z siebie trudny do wykonania, a dodatkowo jest utrudniany przez czynniki zewnętrzne, wpływające na wynik pomiaru, takie jak przepływ powietrza, wilgotność, źródła ciepła i różnice napięcia zasilania na świecie. Ponadto wartość mierzona musi odpowiadać temperaturze na środku pomieszczenia, podczas gdy czujnik jest zamontowany na ścianie. Jest to źródłem dodatkowych komplikacji, ponieważ producenci czujnika mają znikomy wpływ na sposób montażu, co oznacza, że urządzenie trzeba zaprojektować tak, aby zapewniało prawidłowy odczyt niezależnie od montażu.

W komorze doświadczalnej, w której znajduje się czujnik, jest zapewniony stały, laminarny przepływ powietrza o precyzyjnie regulowanym natężeniu od 0,05 m/s do 0,3 m/s, co odzwierciedla warunki w panujące w pomieszczeniu. Urządzenie jest następnie umieszczane w izolowanej termicznie obudowie, która pozwala na regulowanie temperatury z dokładnością do 0,1°C. Przepływ powietrza wewnątrz obudowy jest znacznie większy niż wewnątrz komory doświadczalnej, dlatego żądaną temperaturę można bardzo szybko osiągnąć (lub zmienić). To stanowisko pozwala też na kontrolowanie parametrów, takich jak wilgotność i napięcie zasilania, zapewniając szerokie możliwości tworzenia szczegółowego profilu kalibracji i oddzielnej oceny indywidualnego udziału każdego z mechanizmów wymiany ciepła.

Obszerne dane zebrane na stanowisku doświadczalnym można wykorzystać przy projektowaniu regulatora pomieszczeniowego, aby np. zmniejszyć wpływ zewnętrznego promieniowania cieplnego czy wyeliminować wpływ ciepła emitowanego przez układy elektroniczne, a tym samym zwiększyć dokładność pomiarów. Badania wykazały, że np. optymalizując otwory wentylacyjne w obudowie może zwiększyć sprzężenie między elementem pomiarowym a rzeczywistą temperaturą w pomieszczeniu. Dalsze zwiększenie dokładności pomiarów można uzyskać zmieniając kształt i położenie kanałów, przez które przepływa powietrze wewnątrz urządzenia.

Regulator pomieszczeniowy trzeba też zaprojektować w taki sposób, ciepło wytwarzane przez układy elektroniczne wewnątrz samego urządzenia nie wpływało na wyniki pomiarów. W tym celu trzeba odizolować element pomiarowy od innych elementów, ale w taki sposób, aby nie zwiększyć wymiarów całego urządzenia. Jedną z metod przedstawiono na mapie termicznej, zamieszczonej na Rys 3.

Płytka drukowana czujnika składa się z dwóch części, które są fizycznie oddzielone i połączone cienkimi wspornikami. Na dolnej części znajduje się element pomiarowy, natomiast na górnej elementy elektroniczne – takie jak mikrokontroler i układ zasilania – które podczas normalnej pracy wydzielają ciepło. Ta część płytki drukowanej jest znacznie cieplejsza niż część, na której znajduje się czujnik. Dzięki fizycznemu oddzieleniu, małym wspornikom oraz temu, oraz odseparowaniu miedzianych płaszczyzn masy obu obwodów, ciepło nie jest przewodzone do elementu pomiarowego. Miedź cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym, dlatego ten szczegół konstrukcji może znacznie ograniczyć wpływ ciepła wytwarzanego przez układy elektroniczne.

Na etapie projektowania można zapobiec wielu problemom, jednak występują czynniki zewnętrzne, na które producent nie ma wpływu, np. przepływ powietrza, wilgotność, różne źródła ciepła i zmiany napięcia zasilania. Aby wyeliminować wpływ tego ostatniego, stosuje się np. algorytm kompensacji wykorzystujący pomiary napięcia w czasie rzeczywistym. Nadmierna kompensacja może jednak zmniejszyć czułość urządzenia i wydłużyć czas reakcji.

Regulatorom pomieszczeniowym stawia się wiele wymagań: muszą być dokładne, szybko reagować na zmiany temperatury, a także muszą być odpowiednie do różnorodnych zastosowań na całym świecie. Chcąc spełnić te wymagania, trzeba już na etapie projektowania wyeliminować wewnętrzne źródła błędów pomiarowych, a jednocześnie skompensować nieuniknioną zmienność warunków zewnętrznych. W niniejszym artykule omówiono jedynie trudności dotyczące pomiarów temperatury. Nie poruszono natomiast kwestii monitorowania i regulowania innych parametrów wpływających na komfort i zdrowie osób przebywających w pomieszczeniach zamkniętych, takich jak wilgotność, stężenie CO₂, pył zawieszony czy lotne związki organiczne. Mamy nadzieję, że udało się nam uświadomić złożoność prac nad regulatorem pomieszczeniowym o dużej dokładności i przekonać o znaczeniu tego powszechnie niedocenianego urządzenia.

Dr. Sebastian Eberle, szef działu czujników środowiskowych

Yoram Mottas, inżynier systemowy ds. projektowania czujnikow