Concepção dos sensores de ambiente

As pessoas se sentem confortáveis apenas em um estreito intervalo ambiental. Não pode estar nem muito frio, nem muito quente. Por incrível que pareça, muitas pessoas conseguem sentir alterações de temperatura de ±0,5 °C, e a umidade relativa precisa estar no ponto certo (figura 1). Os sistemas AVAC sofrem uma imensa pressão com isso e, como a maioria dos elementos de sensores de alto desempenho oferece uma exatidão de ±0,2 °C, isso deixa uma margem de erro de apenas ±0,3 °C para projetar um dispositivo sensor de ambiente com a capacidade de atender às exigências de conforto e cumprir as normas do setor.

Compreender qual mecanismo de transferência de calor – condução, convecção ou radiação – é responsável por um fenômeno específico pode ajudar a orientar os engenheiros de projetos na direção certa. Esse tipo de teste exige um controle exato dos parâmetros ambientais por meio da utilização de uma configuração como a ilustrada na figura 2.

Medir a temperatura com este tipo de exatidão já é inerentemente complexo. O processo fica ainda mais complicado devido a fatores externos que podem afetar as leituras de temperatura, como fluxo de ar, umidade, fontes de calor e variações de tensão em todo o mundo. Além disso, apesar de o sensor ser instalado na parede, o valor de medição precisa representar a temperatura da zona central do espaço. Isto traz outras complicações, pois os fabricantes do sensor têm pouco controle sobre a instalação, o que significa que o dispositivo precisa ser projetado de forma que este parâmetro adicional não afete as leituras.

A câmara de testes dos sensores contém um fluxo de ar constante e laminar que pode ser controlado com uma exatidão de 0,05 m/s a 0,3 m/s, imitando um ambiente fechado. Em seguida, a unidade é posicionada em uma caixa de proteção com isolamento térmico, projetada para regular a temperatura com uma exatidão de 0,1 °C. Como o fluxo de ar na caixa de proteção é muito mais alto do que na câmara de testes, é possível alcançar (ou alterar) a temperatura desejada muito rapidamente. Essa configuração também oferece controle de parâmetros, como umidade e tensão da fonte de alimentação, o que proporciona uma ferramenta poderosa para criar um perfil de calibração detalhado e avaliar separadamente as contribuições individuais de cada mecanismo de troca de calor.

É possível enviar os amplos dados coletados ao utilizar o equipamento de testes ao design do sensor, de forma a maximizar o desempenho, o que reduz a influência da radiação e elimina o auto-aquecimento. Por exemplo, testes constataram que a otimização do design dos suspiros de ar na caixa de proteção pode melhorar o acoplamento entre o elemento sensor e a temperatura real do espaço. A otimização pode ser ainda melhor ao alterar a forma e a posição dos canais de fluxo de ar no dispositivo.

Outra consideração importante ao projetar sensores de temperatura ambiente é que as medições não devem ser afetadas pelo calor gerado pelos componentes eletrônicos existentes no próprio dispositivo. Isso exige estratégias para isolar o elemento sensor sem afetar o fator de forma do design geral. Uma abordagem para alcançar essa meta está ilustrada no mapa de calor na figura 3.

A placa de circuito impresso (PCB) do sensor é composta por duas seções fisicamente separadas, conectadas por suportes finos. A parte inferior contém o elemento sensor, enquanto a parte superior contém os componentes eletrônicos – como o microcontrolador e a fonte de alimentação – que geram calor durante o funcionamento normal. Como podemos observar, essa área da placa de circuito impresso fica muito mais quente do que a parte que contém o elemento sensor. O sistema impede que o calor da condução afete o elemento sensor graças à separação física, aos pequenos suportes e ao fato de que as superfícies de cobre dos dois circuitos não estão conectadas. Como o cobre é um condutor de calor muito eficiente, esse detalhe pode reduzir consideravelmente os efeitos de auto-aquecimento.

Embora seja possível corrigir diversos problemas durante a fase de concepção, ainda existem fatores externos que estão além do controle de um fabricante, como fluxo de ar, umidade, diferentes fontes de calor e fontes de alimentação diversas. Esse último fator, por exemplo, é resolvido por uma medição interna em tempo real e um algoritmo de compensação. No entanto, confiar demais na compensação pode fazer com que um dispositivo fique menos sensível e demore mais a reagir.

Há muitas exigências quando se trata de sensores de ambiente – eles precisam ser exatos, rápidos e adequados para uso ao redor do mundo e em uma infinidade de aplicações. Isso exige um planejamento detalhado ao projetar o dispositivo, de forma a eliminar possíveis fontes internas de erro, além de compensar as inevitáveis flutuações externas. O artigo analisou apenas as dificuldades relacionadas às medições de temperatura. O monitoramento e o controle de outros parâmetros necessários para garantir o conforto e a segurança em espaços internos não foram avaliados, como umidade, níveis de CO₂, partículas em suspensão ou compostos orgânicos voláteis. Esperamos que o artigo tenha ajudado a destacar as complexidades da criação de um sensor de temperatura ambiente de alto desempenho e que ofereça um pouco do merecido reconhecimento a esse dispositivo normalmente negligenciado.

Dr. Sebastian Eberle, diretor de desenvolvimento de tecnologia de sensores de ambiente

Yoram Mottas, engenheiro de sistemas de desenvolvimento de sensores