Проектиране на сензори за помещения

Хората се чувстват комфортно в много тясна граница показатели на околната среда. Не може да е твърде горещо или твърде студено – колкото и да е невероятно, много хора могат да разграничат промяна в температурата с ±0,5 °C, и относителната влажност също трябва да е подходяща (Фигура 1). Това упражнява сериозен натиск върху ОВК системите и при най-високопроизводителните сензорни системи, предлагащи точност до ±0,2 °C, остава само ±0,3 °C марж за грешка при проектирането на устройство със сензор за помещение, което да може да отговаря на изискванията и да съответства на отрасловите стандарти.

Разбирането за това кой механизъм за пренос на топлина – проводимост, конвекция или излъчване – е отговорен за конкретно явление може да помогне за насочването на инженерите проектанти в правилната посока. Този тип изпитване изисква точно управление на параметрите на околната среда, като се използва установка като показаната на Фигура 2.

Измерването на температурата с такава точност е трудно само по себе си и се усложнява допълнително от външни фактори, които може да засегнат показанията за температура, като въздушен поток, влажност, източници на топлина и колебания на напрежението в цял свят. Освен това измерената стойност трябва да представлява температурата в средата на помещението, макар че датчикът е монтиран на стена. Това въвежда допълнителни усложнения, тъй като производителите на сензора почти нямат контрол над това къде се инсталира, което означава, че устройството трябва да се проектира така, че този допълнителен параметър да не засяга показанията.

Изпитателната камера, в която се поставя сензорът, се доставя с постоянен, ламинарен въздушен поток, който може прецизно да се контролира от 0,05 m/s до 0,3 m/s, имитирайки средата в затворено помещение. Поради това устройството се поставя в топлинно изолиран корпус, който може да регулира температурата с точност до 0,1 °C. Тъй като въздушният поток вътре в корпуса е значително по-висок от този в изпитателната камера, желаната температура може да се достигне (или промени) значително по-бързо. Тази установка предлага също така контрол на параметри като влажност и захранващо напрежение, предоставяйки мощен инструмент за създаване на подробен профил за калибриране и за отделно оценяване на приносите на всеки от механизмите за топлообмен.

Изчерпателните данни, събрани с помощта на изпитателния стенд, могат да се подадат при проектиране на сензора, за да се увеличи максимално ефективността му, да се намали въздействието на излъчването и да се елиминира самонагряването. Например, изпитването показва, че проектирането на вентилационни отвори в корпуса може да подобри връзката между сензорния елемент и действителната температура в помещението. Това може допълнително да се оптимизира, като се промени формата и позицията на каналите за въздушен поток в самото устройство.

Друго важно съображение при проектирането на сензори за стайна температура е, че измерванията не трябва да бъдат засягани от топлината, генерирана от компонентите вътре в самото устройство. Това изисква стратегии за изолиране на сензорния елемент, без да се засяга коефициента на формата на общия дизайн. Един от подходите за постигане на това е показан на картата на топлината на Фигура 3.

Печатната платка (PCB) на сензора се състои от два физически разделени участъка, свързани с тънки опори. Долната част съдържа сензорния елемент, докато горната част съдържа електронни компоненти, като микроконтролер и източник на захранване, които генерират топлина по време на нормална експлоатация. Както се вижда, този участък от платката се нагрява значително повече от частта, съдържаща сензорния елемент. Засягането на сензорния елемент от топлината се спира чрез проводимост, благодарение на физическото разделяне, малките опори и фактът, че медните заземителни планки на двете платки не са свързани. Тъй като медта е много ефективен топлопроводник, този детайл може значително да намали ефекта от самонагряването.

Макар че на етапа на проектиране могат да се вземат предвид редица проблеми, все още има външни фактори, които са извън контрола на производителя, като въздушния поток, влажността, различни източници на топлина и колебанията в електрозахранването. Последното, например, се взема предвид чрез вътрешно измерване в реално време и алгоритъм за компенсация. Но ако се разчита твърде много на компенсацията, устройството може да изгуби чувствителност и да забави реакциите си.

Когато става въпрос за сензори за помещения, има редица изисквания; те трябва да са точни, бързи и подходящи за употреба във всички зони на света и за най-разнообразни приложения. Това изисква щателно планиране при проектиране на устройството, за да се елиминират потенциални вътрешни източници на грешка, като същевременно се компенсират неизбежните външни колебания. В тази статия се разглеждат само трудностите, свързани с измерванията на температурата, и дори не засяга наблюдението и контрола на други параметри, необходими за комфорта и безопасността на пространствата в затворени помещения, като влажност, нива на CO₂, прахови частици или летливи органични съединения. Надяваме се това да е помогнало да осветлим сложността на създаването на високоефективен сензор за стайна температура и да отдаде заслуженото на това често недооценявано устройство.

Д-р Себастиан Еберле, ръководител на отдела за разработване на сензорни технологии
Йорам Мотас, системен инженер за разработване на сензори