Diseño de sensores de ambiente

Los humanos solo nos sentimos cómodos en un ajustado margen ambiental. No puede hacer ni demasiado calor ni demasiado frío: aunque parezca increíble, muchas personas pueden notar cambios de ±0,5 °C en la temperatura. Asimismo, la humedad relativa debe ser la adecuada (figura 1). Esto supone una gran presión para los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado y, dado que la mayoría de los elementos sensores de alto rendimiento ofrecen una precisión de ±0,2 °C, solo queda un margen de error de ±0,3 °C para diseñar un sensor de ambiente que pueda satisfacer los requisitos de confort y cumplir las normas del sector.

Entender qué mecanismo de transferencia del calor (conducción, convección o radiación) es responsable de un fenómeno específico puede ayudar a guiar a los ingenieros de diseño en la dirección correcta. Este tipo de pruebas requiere un control preciso de los parámetros ambientales, utilizando una configuración como la que se muestra en la figura 2.

La medición de la temperatura con tal precisión es difícil de por sí, pero se complica aún más debido a factores externos que pueden afectar a las lecturas de la temperatura, como el caudal de aire, la humedad, las fuentes de calor y las variaciones de tensión en todo el mundo. Además, el valor de medición debe representar la temperatura del centro de una habitación, aunque el sensor esté instalado en una pared. Esto plantea más complicaciones, ya que los fabricantes del sensor apenas pueden influir en el proceso de instalación, lo que significa que la unidad debe diseñarse de modo que este parámetro adicional no afecte a las lecturas.

La cámara de pruebas en la que se encuentra el sensor recibe un caudal de aire laminar constante que puede controlarse con una precisión de 0,05 m/s a 0,3 m/s, imitando un ambiente interior. A continuación, esta unidad se coloca en una carcasa con aislamiento térmico capaz de regular la temperatura con una precisión de 0,1 °C. Como el caudal de aire en el interior de la carcasa es mucho mayor que en el interior de la cámara de pruebas, la temperatura deseada puede alcanzarse (o modificarse) muy rápidamente. Esta configuración también permite controlar parámetros como la humedad y la tensión de alimentación, ofreciendo así una potente herramienta para crear perfiles de calibración detallados y evaluar por separado las diferentes contribuciones individuales de cada mecanismo de intercambio de calor.

La gran cantidad de datos recopilados con el uso del dispositivo de prueba puede aprovecharse en el diseño del sensor para maximizar su rendimiento, reduciendo la influencia de la radiación y eliminando el autocalentamiento. Por ejemplo, las pruebas demostraron que optimizar el diseño de los respiraderos de la carcasa puede mejorar el acoplamiento entre el elemento sensor y la temperatura real de la habitación. Esto puede optimizarse aún más cambiando la forma y la posición de los canales de caudal de aire dentro de la unidad.

Otra consideración importante a la hora de diseñar sensores de temperatura ambiente es que las mediciones no deben verse afectadas por el calor generado por los componentes electrónicos de la propia unidad. Esto requiere estrategias para aislar el elemento sensor sin afectar al factor de forma del diseño global. En el mapa de calor de la figura 3 se muestra una forma de conseguirlo.

La placa de circuito impreso (PCB) del sensor está formada por dos secciones separadas físicamente y conectadas por finos soportes. La parte inferior contiene el elemento sensor, mientras que la parte superior abarca componentes electrónicos, como el microcontrolador y la fuente de alimentación, que generan calor durante el funcionamiento normal. Como puede observarse, esta zona de la placa de circuito impreso se calienta mucho más que la parte que contiene el elemento sensor. Se impide que el calor afecte al elemento sensor por conducción mediante la separación física, los pequeños soportes y el hecho de que los planos de tierra de cobre de los dos circuitos no están conectados. Dado que el cobre es un conductor térmico muy eficiente, este detalle puede reducir considerablemente los efectos de autocalentamiento.

Aunque muchos problemas pueden resolverse durante la fase de diseño, sigue habiendo factores externos que escapan al control del fabricante como, por ejemplo, el caudal de aire, la humedad, las diferentes fuentes de calor y la variación de las fuentes de alimentación. Esta última cuestión, por ejemplo, se aborda mediante una medición interna en tiempo real y un algoritmo de compensación. Sin embargo, depender demasiado de la compensación podría restar sensibilidad a la unidad y hacerla reaccionar con lentitud.

Los sensores de ambiente deben cumplir muchos requisitos: tienen que ser precisos, rápidos y aptos para su uso en todo el mundo y en multitud de aplicaciones. Esto exige una planificación minuciosa durante el diseño de la unidad para eliminar posibles fuentes de error internas, al tiempo que se compensan las inevitables fluctuaciones externas. El presente artículo aborda únicamente las mediciones de temperatura y no menciona siquiera la monitorización ni el control de otros parámetros necesarios para el confort y la seguridad en espacios interiores, como la humedad, los niveles de CO₂, las partículas sólidas o los compuestos orgánicos volátiles. Esperamos que este artículo haya contribuido a poner de relieve la complejidad de la creación de un sensor de temperatura ambiente de alto rendimiento y a dar a esta unidad, que a menudo pasa desapercibida, un merecido reconocimiento.

Dr. Sebastian Eberle, jefe de desarrollo de tecnología de sensores de ambiente

Yoram Mottas, ingeniero de sistemas para el desarrollo de sensores