Telpu sensoru konstruēšana

Cilvēki jūtas komfortabli tikai šaurā apkārtējās vides temperatūras amplitūdā. Vide nedrīkst būt pārāk karsta vai pārāk auksta (neticami, bet fakts – daudzi cilvēki spēj konstatēt temperatūras izmaiņas pat par ±0,5 °C), turklāt telpā ir jābūt pareizam relatīvā mitruma līmenim (1. attēls). Tas rada lielu spiedienu uz HVAC sistēmām, un, izmantojot visprecīzākos sensoru elementus, kas piedāvā ±0,2 °C precizitāti, paliek tikai ±0,3 °C kļūdas robeža, lai izstrādātu telpas sensoru, kas atbilst gan komforta prasībām, gan arī nozares standartiem.

Izpratne par to, kurš siltumpārneses mehānisms — vadītspēja, konvekcija vai starojums — ir atbildīgs par konkrētu parādību, var palīdzēt plānošanas un konstruēšanas inženieriem virzīties pareizajā virzienā. Šī veida testēšanai ir nepieciešama precīza vides parametru kontrole, piemēram, tādu iestatījumu kā 2. attēlā.

Temperatūras mērīšana ar šādu precizitāti ir sarežģīta jau pati par sevi, taču to vēl vairāk apgrūtina ārēji faktori, kas var ietekmēt temperatūras rādījumus, piemēram, gaisa plūsma, mitrums, siltuma avoti un sprieguma atšķirības visā pasaulē. Turklāt izmērītajai vērtībai ir jāatspoguļo arī telpas vidusdaļas temperatūra gadījumos, kad sensors ir uzstādīts pie sienas. Tas rada papildu sarežģījumus, jo sensora ražotāji tikai ļoti mazā mērā spēj ietekmēt sensora uzstādīšanas veidu, kas nozīmē to, ka ierīcei jābūt konstruētai tā, lai šis papildu parametrs neietekmētu rādījumus.

Testēšanas kamerā, kurā atrodas sensors, tiek nodrošināta nemainīga, lamināra gaisa plūsma, kuru var precīzi vadīt no 0,05 m/s līdz 0,3 m/s, atdarinot iekštelpu vidi. Pēc tam šo bloku novieto termiski izolētā korpusā, kurā var regulēt temperatūru ar 0,1 °C precizitāti. Tā kā gaisa plūsma korpusā ievērojami pārsniedz gaisa plūsmu testēšanas kamerā, nepieciešamo temperatūru iespējams sasniegt (vai mainīt) ļoti ātri. Turklāt šis iestatījums ļauj kontrolēt un vadīt tādus parametrus kā, piemēram, mitrumu un barošanas spriegumu, nodrošinot jaudīgu instrumentu, lai izveidotu detalizētu kalibrēšanas profilu un atsevišķi novērtētu katra siltummaiņas mehānisma individuālo pienesumu.

Testēšanas stenda izmantošanas laikā ievāktos plašos datus iespējams ievadīt sensora konstrukcijā, lai maksimāli paaugstinātu tā veiktspēju, samazinot starojuma ietekmi un novēršot pašuzsilšanu. Piemēram, testēšanas laikā tika atklāts, ka, optimizējot gaisa ventilācijas atveru konstrukciju korpusā, var uzlabot sasaisti starp sensora darbības elementu un telpas faktisko temperatūru. To iespējams papildus optimizēt, mainot gaisa plūsmas kanālu formu un pozīciju ierīcē.

Izstrādājot telpas temperatūras sensorus, vēl viens svarīgs apsvērums ir tas, ka mērījumus nedrīkst ietekmēt to elektronisko komponentu ģenerētais siltums, kuri atrodas pašā ierīcē. Lai izolētu sensora elementu, neietekmējot kopējās konstrukcijas formas faktoru, ir nepieciešama stratēģija. Viena no pieejām, kā to panākt, ir redzama siltuma kartē 3. attēlā.

Sensora iespiedshēmas plate (PCB) ir izgatavota no divām fiziski atdalītām daļām, kas ir savienotas ar plāniem balstiem. Apakšējā daļa satur sensora elementu, bet augšējā — elektroniskus komponentus (piemēram, mikrokontrolleri un barošanas avotu), kas ģenerē siltumu normālas darbības laikā. Kā redzams, šī PCB zona sasilst ievērojami vairāk nekā daļa, kurā atrodas sensora elements. Siltuma ietekme uz sensora elementu tiek apturēta ar vadītspējas palīdzību, pateicoties fiziskam atdalījumam, maziem balstiem un faktam, ka divu kontūru vara zemējuma plāksnes nav savienotas. Tā kā varš ir ļoti efektīvs siltuma vadītājs, šī detaļa spēj ievērojami mazināt pašuzsilšanas efektu.

Lai gan plānošanas un konstruēšanas posmā ir iespējams pievērsties daudzām problēmām, tomēr ražotājs joprojām nespēj kontrolēt un vadīt tādus ārējus faktorus kā gaisa plūsmu, mitrumu, dažādus siltuma avotus un mainīgus barošanas avotus. Piemēram, problēmas, kas saistītas ar mainīgiem barošanas avotiem, iespējams risināt, ieviešot iekšējus mērījumus reāllaikā un kompensācijas algoritmu. Tomēr pārmērīga paļaušanās uz kompensāciju var ietekmēt ierīci, to padarot mazāk jutīgu un palēninot tās reakciju.

Uz telpu sensoriem tiek attiecināta virkne prasību: tiem jābūt precīziem, ātriem un piemērotiem izmantošanai visā pasaulē un daudzās pielietojumu situācijās. Izstrādājot ierīci, ir nepieciešama ļoti rūpīga plānošana, lai novērstu iespējamus iekšējo kļūdu avotus, vienlaikus nodrošinot arī nenovēršamu ārējo svārstību kompensēšanu. Šajā rakstā ir aplūkotas tikai ar temperatūras mērījumiem saistītās problēmas, un šeit mēs pat vēl neesam pievērsušies citu parametru uzraudzībai un kontrolei, kas ir nepieciešami iekštelpu komforta un drošuma garantēšanai, tādu kā mitrums, CO₂ līmenis, cietās daļiņas un gaistoši organiskie savienojumi. Cerams, ka šis raksts ir palīdzējis izgaismot sarežģījumus un problēmas, kas saistītas ar augstas veiktspējas telpu temperatūras sensoru konstruēšanu un izstrādi, un šī telpās parasti nemanāmā ierīce tiks godam novērtēta.

Dr. Sebastjans Eberle (Sebastian Eberle), Vides sensoru tehnoloģiju izstrādes daļas vadītājs

Jorāms Motas (Yorram Mottas), Sensoru attīstības sistēmu inženieris