Huoneantureiden suunnittelu
Huoneanturien suunnittelussa piilevät haasteet
Huoneanturit ovat olennainen, mutta usein aliarvioitu osa LVI-järjestelmissä. Harvat tietävät, kuinka paljon suunnittelua ja työtä oikean lämpötilan, jopa asteiden kymmenesosia mittaavan ja erilaisiin ulkoisiin olosuhteisiin sopivan laitteen valmistaminen vaati. Dr Sebastian Eberle, ympäristöanturiteknologian kehityspäällikkö, ja Yoram Mottas, anturikehityksen järjestelmäinsinööri
Belimolla kertovat haasteista, joita tässä sovelluksessa on ollut, ja kuinka yritys käyttää innovatiivisia ratkaisuja näiden aiheiden selvittämiseen nopeiden ja tarkkojen huoneantureden toimittamista varten.
Vaativat työolosuhteet
Ihmiset tuntevat olonsa mukavaksi vain tarkoin rajatuissa lämpötiloissa. Ei saa olla liian kuuma tai kylmä, monet ihmiset erottavat jopa ±0,5 °C lämpötilan muutoksia, ja suhteellisen kosteuden on oltava juuri oikea (kuva 1). Tämä aiheuttaa paljon painetta LVI-järjestelmille. Korkealaatuisimmat anturi-elementit tarjoavat ±0,2 °C tarkkuuden, mikä antaa vain ±0,3 °C virhemarginaalin mukavuusvaatimukset täyttävän, ja teollisuusstandardeja noudattavan huoneanturin suunnittelussa.
Kuva 1
Lämpötilan ja kosteuden rajat, joissa ihmiset tuntevat olonsa mukavaksi. (Kuvitus prof. tri-ins. Wolfram Frank, virtausmekaniikan puheenjohtaja ja emeritusprofessori luonnontieteiden ja teknologian tiedekunta Siegenin yliopisto, Saksa)
Testaus ja kompensointi
Kun ymmärretään, mikä lämmityksen siirtomekanismi – johtaminen, virtaus tai säteily – on vastuussa tietystä ilmiöstä, on helpompaa osoittaa oikea suunta suunnitteluinsinööreille. Tämäntyyppinen testaus vaatii tarkkaa ympäristöparametrien valvontaa, jolloin käytetään kuvan 2 mukaisia järjestelyjä.
Kuva 2
Lämpötilan mittaus kyseisellä tarkkuudella on jo itsessään vaikeaa, mutta se on vielä monimutkaisempaa, kun huomioidaan lämpötilan lukemiin vaikuttavat ulkoiset tekijät, kuten ilmanvirtaus, kosteus, lämmönlähteet ja jännitteen vaihtelu. Lisäksi mittausarvon on oltava lämpötila huoneen keskellä, kun anturi on asennettu kattoon. Tämä aiheuttaa lisää vaikeuksia, koska antureiden valmistajilla ei juuri ole mahdollisuutta vaikuttaa siihen, kuinka ne asennetaan. Sen vuoksi laite on suunniteltava niin, että tämä ylimääräinen parametri ei vaikuta lukemiin.
Anturin testikammioon syötetään jatkuvaa, laminaarista ilmavirtaa, jota voidaan tarkalleen hallita arvoissa 0,05–0,3 m/s sisäilmaympäristöä jäljitellen. Tämä yksikkö asetetaan sitten lämpöeristettyyn koteloon, joka pystyy säätelemään lämpötilaa 0,1 °C tarkkuudella. Koska ilmavirta kotelon sisällä on paljon korkeampi kuin testikammiossa, haluttu lämpötila voidaan saavuttaa (tai muuttaa) hyvinkin nopeasti. Tämä asetus tarjoaa siis parametrien, kuten kosteuden ja virtalähteen jännitteen hallintaa tarjoten samalla tehokkaan työkalun yksityiskohtaisen kalibrointiprofiilin luomiseksi, ja jokaisen lämmönvaihtomekanismin yksittäisten osien erilliseen määrittämiseen.
Asiantunteva malli
Testilaitteella kerätyt kattavat tiedot voidaan syöttää anturiin, jonka ansiosta sen tehokkuus maksimoidaan, säteilyn vaikutusta pienennetään ja estetään sen kuumentuminen itsestään. Testauksessa esimerkiksi ilmeni, että kotelon ilma-aukkojen rakenteen optimointi voi parantaa anturielementtien kykyä mitata tarkasti huoneen hetkittäistä lämpötilaa. Tätä voidaan edelleen parantaa muuttamalla laitteen ilmavirtauskanavien muotoa ja paikkaa.
Toinen tärkeä asia huonelämpötila-antureiden suunnittelussa on, ettei mittauksiin saa vaikuttaa laitteen sisäisten sähköosien lämmöntuotto. Tämä vaatii suunnitelmia anturin elementtien eristämiseen ilman, että se vaikuttaa yleiseen muotoiluun. Yksi lähestymistapa tämän saavuttamiseen näytetään lämpökartassa kuvassa 3.
Kuva 3
Lämpökartta näyttää lämpötilan vaihtelut anturin piirilevyn alueella.
Anturin piirilevy (PCB) on valmistettu kahdesta fyysisesti erotetusta alueesta, jotka on yhdistetty ohuilla tuilla. Alemmassa osassa on anturielementti ja ylemmässä osassa sijaitsevat elektroniset osat, kuten mikro-ohjain ja virtalähde, joka kuumenee normaalissa käytössä. Kuten kuvasta voi nähdä, tämä piirilevyn alue lämpenee huomattavasti enemmän kuin osa, jossa anturielementti sijaitsee. Lämpöä estetään vaikuttamasta anturielementtiin johtavuudella ja fyysisellä eristyksellä, sekä pienten tukien avulla, ja niin, että kaksi kuparista pohjalevyä eivät ole yhteydessä toisiinsa. Koska kupari on erittäin tehokas lämmönjohdin, tämä yksityiskohta voi pienentää merkittävästi omatoimisen lämpenemisen vaikutuksia.
Vaikka monet haasteet voidaan voittaa suunnitteluvaiheessa, on kuitenkin olemassa ulkoisia tekijöitä, joita valmistaja ei voi hallita, kuten ilmavirtaus, kosteus, eri lämmityslähteet ja muuttuvat virtalähteet. Viimeksi mainittu on esimerkiksi otettu huomioon sisäisellä reaaliaikaisella mittauksella ja kompensoivalla algoritmilla. Liiallinen kompensointi voi tehdä laitteesta kuitenkin vähemmän herkän ja liian hitaasti reagoivan.
Yhteenveto
Huoneantureille on lukuisia vaatimuksia, koska niiden tulee olla tarkkoja, nopeita, sopivia käyttöön joka puolelle maailmaa lukuisiin järjestelmiin. Tämä vaatii läpikotaista suunnittelua laitteen valmistuksessa, jotta mahdolliset sisäiset virhelähteet pystytään poistamaan samalla kun tasoitetaan väistämättömiä ulkoisia vaihteluja. Tämä artikkeli on ainoastaan osoittanut lämpötilamittaukseen liittyviä vaikeuksia, eikä ole edes sivuuttanut muiden parametrien tarkkailua ja valvontaa, joita vaaditaan varmistamaan sisätilojen mukavuutta ja turvallisuutta, kuten kosteutta, CO2 -pitoisuuksia, pienhiukkasia tai haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC). Toivottavasti tämä on auttanut tuomaan esille korkealaatuisen huonelämpötila-anturin rakentamisen monimutkaisuutta, ja antaa tälle yleisesti huomaamattomaksi jäävälle laitteelle sen ansaitseman arvostuksen.
Dr Sebastian Eberle, ympäristöanturiteknologian kehityspäällikkö
Yoram Mottas, anturikehityksen järjestelmäinsinööri
