Entwicklung von Raumsensoren

Der Mensch fühlt sich nur unter ganz bestimmten Umgebungsbedingungen behaglich. Es darf weder zu heiss noch zu kalt sein – erstaunlicherweise können viele Menschen Temperaturschwankungen von ±0.5°C bemerken –, und die relative Feuchte muss ganz genau stimmen (Abbildung 1). Das stellt für HLK-Systeme eine enorme Herausforderung dar. Da die meisten hochleistungsfähigen Sensorelemente eine Präzision von ±0.2°C bieten, verbleibt für die Entwicklung eines Raumsensors, der komfortrelevante Anforderungen erfüllt und den branchenüblichen Standards entspricht, eine Fehlerspanne von lediglich ±0.3°C.

Zu verstehen, welcher Mechanismus bei der Wärmeübertragung – Leitung, Konvektion oder Strahlung – für ein bestimmtes Phänomen verantwortlich ist, kann Konstrukteure in die richtige Richtung lenken. Bei dieser Art von Prüfung ist eine genaue Steuerung der Umgebungsparameter erforderlich, wobei ein Aufbau wie in Abbildung 2 zur Anwendung kommt.

Temperaturmessungen mit einer solchen Genauigkeit sind an sich schon schwierig, erschwerend kommen aber noch externe Faktoren hinzu, die sich auf die gemessenen Temperaturwerte auswirken können, z.B. Luftströmung, Feuchte, Wärmequellen und die Unterschiede bei den an verschiedenen Orten der Welt gängigen Spannungen. Ausserdem muss der Messwert die Temperatur in der Mitte eines Raums wiedergeben, der Sensor ist jedoch an einer Wand montiert. Dies führt zu weiteren Komplikationen, da die Sensorhersteller nur eingeschränkt beeinflussen können, wie der Sensor installiert wird. Das Gerät muss also so konstruiert sein, dass dieser zusätzliche Parameter keinen Einfluss auf die Messwerte hat.

Die Prüfkammer, in der sich der Sensor befindet, wird mit einer konstanten laminaren, zwischen 0.05 m/s und 0.3 m/s präzise steuerbaren Luftströmung versorgt, wodurch eine Innenraumumgebung simuliert wird. Diese Einheit wird dann in ein wärmeisoliertes Gehäuse gesetzt, das die Temperatur mit einer Genauigkeit von 0.1°C regeln kann. Da die Luftströmung im Innern des Gehäuses viel stärker ist als diejenige in der Prüfkammer, lässt sich die gewünschte Temperatur sehr schnell erreichen (oder ändern). Mithilfe dieses Aufbaus lassen sich Parameter wie Feuchte und Netzspannung steuern. Zudem steht damit ein leistungsfähiges Werkzeug zur Verfügung, mit dem sich ein detailliertes Kalibrierungsprofil erstellen und beurteilen lässt, welchen Beitrag jeder einzelne Mechanismus des Wärmeaustauschs leistet.

Die mithilfe des Prüfstands gewonnenen umfangreichen Daten können nun in die Konstruktion des Sensors mit einfliessen, damit die Leistung verbessert, der Einfluss durch Strahlung minimiert und Selbsterwärmung ausgeschlossen werden kann. Zum Beispiel hat die Prüfung gezeigt, dass durch eine optimierte Gestaltung der Nachströmöffnungen im Gehäuse die Verbindung zwischen dem Fühlerelement und der tatsächlichen Raumtemperatur verbessert werden kann. Dies lässt sich durch Änderung der Form und der Position der Luftströmungskanäle innerhalb des Geräts weiter optimieren.

Ein weiterer wichtiger Punkt, den es bei der Konstruktion von Raumtemperatur-Sensoren zu berücksichtigen gilt: Die Messungen sollten nicht durch die Wärme beeinflusst werden, die die elektronischen Komponenten im Gerät selbst erzeugen. Um dies zu vermeiden, muss das Sensorelement isoliert werden, ohne dabei das Gesamtdesign zu beeinträchtigen. Eine Möglichkeit, wie sich das umsetzen lässt, ist in der Heatmap in Abbildung 3 dargestellt.

Die Leiterplatte des Sensors besteht aus zwei physikalisch getrennten Abschnitten, die durch dünne Träger verbunden sind. Der untere Teil enthält das Sensorelement, während der obere Teil die elektronischen Komponenten wie etwa den Mikrocontroller und die Stromquelle umfasst, die im Normalbetrieb Wärme erzeugen. Wie man sieht, wird dieser Bereich der Leiterplatte viel wärmer als der Teil mit dem Sensorelement. Die Wärme kann hier dank der physikalischen Trennung durch die kleinen Träger und der Tatsache, dass die Kupfer-Masseplatten der beiden Schaltkreise nicht miteinander verbunden sind, nicht via Wärmeleitung auf das Sensorelement einwirken. Da Kupfer ein sehr effizienter Wärmeleiter ist, lässt sich mit diesem Detail die Selbsterwärmung erheblich reduzieren.

Auch wenn man bei der Konstruktion auf viele Probleme eingehen kann, gibt es noch immer externe Faktoren, die nicht im Einflussbereich des Herstellers liegen, wie z.B. Luftströmung, Feuchte, unterschiedliche Wärmequellen und unterschiedliche Arten von Spannungsversorgung. Letzteres Problem zum Beispiel lässt sich durch eine interne Echtzeitmessung und einen Kompensationsalgorithmus in den Griff bekommen. Eine zu starke Kompensation kann jedoch dazu führen, dass das Gerät unempfindlicher wird und langsamer reagiert.

Raumsensoren haben viele Anforderungen zu erfüllen: Sie müssen genau und schnell und für den weltweiten Einsatz in einer Vielzahl von Applikationen geeignet sein. Daher erfordert die Konstruktion des Geräts eine umfassende Planung, damit mögliche interne Fehlerquellen ausgeschlossen und gleichzeitig unvermeidliche extern bedingte Schwankungen ausgeglichen werden können. In diesem Artikel geht es lediglich um die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Temperaturmessung. Die Überwachung und Kontrolle von anderen Parametern, die für den Komfort und die Sicherheit von Innenräumen erforderlich sind, wie Feuchte, CO₂-Gehalt, Feinstaub oder flüchtige organische Verbindungen, wurden gar nicht angesprochen. Wir hoffen, dass wir aufzeigen konnten, welche komplexen Faktoren mit der Entwicklung eines leistungsstarken Raumtemperatur-Sensors verbunden sind, und dass wir einem häufig nur ein Schattendasein fristenden Gerät seine wohlverdiente Anerkennung verschaffen konnten.

Dr. Sebastian Eberle, Leiter der Entwicklung Umweltsensortechnik
Yoram Mottas, Systemingenieur für Sensorentwicklung