Ruimtesensoren ontwerpen

Mensen voelen zich alleen comfortabel binnen een beperkt kader van omgevingsomstandigheden. Zo mag het niet te warm of te koud zijn. Ongelooflijk toch, dat sommige mensen een verschil van ± 0,5 °C in temperatuur al kunnen voelen? En ook de relatieve vochtigheid moet goed zijn (afbeelding 1). Dit legt grote druk op HVAC-systemen. En met de meeste krachtige sensorelementen wordt een nauwkeurigheid van ± 0.2 °C geboden, wat betekent dat er maar een foutmarge van ± 0.3 °C is bij het ontwerpen van een ruimtesensor die aan de vereisten voor comfort kan tegemoetkomen en daarnaast aan de industrienormen voldoet.

Als constructeurs begrijpen welk mechanisme voor warmteoverdracht – geleiding, convectie of straling – verantwoordelijk is voor een bepaald fenomeen, zijn ze al op de goede weg. Voor dit soort testen moeten de omgevingsparameters goed in de gaten worden gehouden met een opstelling zoals op afbeelding 2.

De temperatuur met zo’n nauwkeurigheid meten is al moeilijk, maar dan moet ook nog eens rekening worden gehouden met externe factoren die temperatuurmetingen kunnen beïnvloeden, zoals luchtstroom, vochtigheid, warmtebronnen en spanningsvariaties over de hele wereld. Daarnaast moet de meetwaarde de temperatuur in het midden van een ruimte aangeven, terwijl de sensor op een muur is gemonteerd. Dit maakt het nog ingewikkelder, omdat de fabrikanten van de sensor maar weinig invloed hebben op hoe de sensor wordt geïnstalleerd. Dit betekent dat de sensor zo moet worden ontworpen dat deze bijkomende parameter de meetresultaten niet beïnvloedt.

Er wordt een constante, laminaire luchtstroom toegevoerd naar de testkamer waar de sensor in is ondergebracht. Deze luchtstroom kan nauwkeurig worden geregeld van 0,05 m/s tot 0,3 m/s en bootst hiermee een binnenklimaat na. Deze unit wordt daarna in een thermisch geïsoleerde behuizing geplaatst die de temperatuur met een nauwkeurigheid van 0,1 °C kan reguleren. Omdat de luchtstroom in de behuizing veel hoger is dan in de testkamer, wordt de gewenste temperatuur heel snel bereikt (of veranderd). Deze opstelling zorgt er ook voor dat parameters zoals vochtigheid en netspanning kunnen worden gecontroleerd. Dit levert een krachtig hulpmiddel op om een gedetailleerd kalibratieprofiel op te stellen en de individuele bijdragen van elk mechanisme voor warmteoverdracht afzonderlijk te beoordelen.

Het sensordesign kan worden gevoed met de uitgebreide gegevens die met de testopstelling worden verzameld om optimaal te presteren, de invloed van straling te verminderen en zelfopwarming te voorkomen. Zo bleek uit het testen dat door het design van de luchtuitlaten in de behuizing te optimaliseren, de koppeling tussen het meetelement en de werkelijke temperatuur van de ruimte kan worden verbeterd. Dit kan verder worden geoptimaliseerd door de vorm en plaats van de luchtstroomkanalen binnen de sensor te veranderen.

Een ander belangrijk punt bij het ontwerpen van ruimtetemperatuursensoren is dat de metingen niet moeten worden beïnvloed door de warmte die door de elektronische componenten in de sensor zelf worden opgewekt. Hier zijn strategieën voor nodig om het sensorelement te isoleren zonder de vormgeving van het totale ontwerp te beïnvloeden. Een mogelijke aanpak hiervoor is afgebeeld in het warmtebeeld op afbeelding 3.

De printplaat van de sensor bestaat uit twee fysiek gescheiden delen die met dunne ondersteuningen worden verbonden. In het onderste deel is het sensorelement ondergebracht en in het bovenste deel bevinden zich de elektrische componenten, zoals de microcontroller en voeding, die tijdens normaal gebruik warmte opwekken. Zoals te zien is, wordt dit deel van de printplaat veel warmer dan het deel waar het sensorelement in is ondergebracht. Door de fysieke scheiding, kleine steunpunten en het feit dat de koperen grondvlakken van de twee stroomkringen niet met elkaar zijn verbonden, kan de warmte niet via geleiding doordringen in het sensorelement. Koper is een hele efficiënte warmtegeleider en kan de effecten van zelfopwarming aanzienlijk verlagen.

Hoewel tijdens de designfase veel problemen kunnen worden aangepakt, zijn er nog steeds externe factoren die buiten de macht van de fabrikant liggen , zoals luchtstroom, vochtigheid, verschillende warmtebronnen en wisselende stroomvoorzieningen. Dit laatste punt wordt opgelost door een interne realtime meting en een compensatie-algoritme. Maar door te veel op compensatie te vertrouwen, kan de sensor minder gevoelig worden en trager reageren.

Er zijn veel vereisten voor ruimtesensoren: ze moeten nauwkeurig zijn, snel zijn en geschikt zijn voor gebruik over de hele wereld en gebruik met veel verschillende toepassingen. Hier is een zorgvuldige planning voor nodig bij het ontwerpen van de sensor om potentiële interne foutbronnen te elimineren, terwijl onvermijdelijke externe schommelingen ook moeten worden gecompenseerd. In dit artikel komen alleen de moeilijkheden aan bod die gerelateerd zijn aan temperatuurmetingen. Het bewaken en regelen van andere parameters die voor het comfort en de veiligheid van binnenruimtes zorgen, zoals vochtigheid, CO₂-waarden, zwevende deeltjes en vluchtige organische verbindingen, komen daar nog eens bovenop. Dit heeft hopelijk geholpen de moeilijkheden bij het ontwikkelen van een krachtige ruimtetemperatuursensor inzichtelijk te maken en dit geeft de vaak vergeten sensor wat welverdiende aandacht.

Dr. Sebastian Eberle, Head of Development Environmental Sensing Technology

Yoram Mottas, Systems Engineer for Sensor Development