Разработка комнатных датчиков

Человек чувствует себя комфортно только в узком коридоре параметров окружающей среды. Температура помещения не может быть слишком высокой или слишком низкой – невероятно, но многие люди могут различать изменения температуры в пределах ±0,5 °C – и относительная влажность должна быть оптимальной (рис. 1). Данные предпосылки обусловливают высокие требования к системам ОВиК, а поскольку большинство высокоэффективных сенсорных элементов обеспечивают точность в пределах ±0,2 °C, то при разработке комнатного датчика, отвечающего требованиям комфорта и соответствующего промышленным стандартам погрешность не может превышать пределы ±0,3 °C.

Понимание того, какой механизм теплопередачи – проводимость, конвекция или излучение – отвечает за конкретное явление, может помочь направить инженеров-проектировщиков в правильном направлении. Этот тип испытаний требует точного контроля параметров окружающей среды с использованием системы, подобной той, что показана на рисунке 2.

Измерение температуры с такой точностью сложно само по себе, но еще больше осложняется такими внешними факторами, влияющими на показания температуры, как воздушные потоки, влажность воздуха, источники тепла и колебания напряжения в разных точках мира. Кроме того, результат измерения должен отображать температуру в центре помещения, в то время как сам датчик установлен на стене. Это вносит дополнительные сложности, поскольку производители датчика практически не могут повлиять на способ его установки, а значит, устройство должно быть спроектировано таким образом, чтобы этот дополнительный параметр не влиял на его показания.

В испытательную камеру, где находится датчик, подается постоянный ламинарный поток воздуха, который можно точно регулировать в диапазоне от 0,05 м/с до 0,3 м/с, имитируя среду в помещении. Затем это устройство помещается в теплоизолированный корпус, который способен регулировать температуру с точностью до 0,1 °C. Поскольку воздушный поток внутри корпуса намного выше, чем внутри испытательной камеры, желаемая температура может быть достигнута (или изменена) очень быстро. Эта система также обеспечивает контроль таких параметров, как влажность воздуха и напряжение питания, предоставляя мощный инструмент для создания подробного калибровочного профиля и отдельного анализа индивидуального вклада каждого механизма теплообмена.

Обширные данные, собранные с помощью испытательной установки, могут быть использованы при проектировании датчиков для максимизации их производительности, уменьшения влияния излучения и устранения самонагрева. Например, испытания показали, что оптимизация конструкции вентиляционных отверстий в корпусе может улучшить связь между чувствительным элементом датчика и фактической температурой в помещении. Оптимизация может также включать в себя изменение формы и положения каналов воздушного потока внутри устройства.

Еще одним важным фактором при разработке датчиков комнатной температуры является то, что на измерения не должно оказывать воздействие тепло, выделяемое электронными компонентами внутри самого устройства. Это требует разработки возможности изоляции сенсорного элемента без воздействия на общие характеристики всей конструкции. Один из подходов к достижению этой цели показан на тепловой карте на рисунке 3.

Печатная плата датчика (PCB) состоит из двух физически разделенных секций, соединенных тонкими основами. В нижней части находится сенсорный элемент, а в верхней – электронные компоненты, такие как микроконтроллер и источник питания, которые выделяют тепло при нормальной работе. Как видно, эта область печатной платы нагревается гораздо сильнее, чем та часть, на которой находится сенсорный элемент. Благодаря физическому разделению при помощи небольших основ и тому, что медные плоскости заземления двух контуров не соединены между собой, тепло перестает воздействовать на сенсорный элемент посредством проводимости. Поскольку медь является очень эффективным проводником тепла, эта деталь может значительно снизить эффект самонагревания.

Несмотря на то что многие проблемы можно решить на этапе проектирования, все же существуют такие внешние факторы, как воздушные потоки, влажность, различные источники тепла и разные источники питания, на которые производитель не может повлиять. Последний упомянутый фактор, например, решается с помощью внутреннего измерения в режиме реального времени и алгоритма компенсации. При этом, однако, слишком большой расчет на компенсацию может привести к снижению чувствительности и реакции устройства.

К комнатным датчикам предъявляется множество требований; они должны быть точными, быстрыми и пригодными для использования по всему миру и во множестве областей применения. Это требует тщательного планирования при разработке устройства в целях устранения потенциальных внутренних источников погрешности, а также компенсации неизбежных внешних колебаний. В данной статье рассматривались только трудности, связанные с измерением температуры, при ее составлении не затрагивались вопросы мониторинга и контроля других параметров, необходимых для обеспечения комфорта и безопасности внутренних помещений, таких как влажность, уровень CO₂, частичный материал или летучий органический компонент. Составители данной статьи надеются, это им удалось осветить сложности разработки высокопроизводительного датчика комнатной температуры и дать заслуженную оценку этому обычно игнорируемому устройству.

Д-р Себастьян Эберле, руководитель отдела разработки технологий контроля параметров окружающей среды

Йорам Моттас, системный инженер по разработке датчиков