Design av rumsgivare

Människor är mycket känsliga för förändringar i miljön. För att vi ska känna oss bekväma får det inte vara för varmt eller kallt – otroligt nog kan många lägga märke till temperaturskillnader på ±0,5 °C – och den relativa fuktigheten måste vara helt rätt (bild 1). Det här ställer höga krav på VVS-system och, med tanke på att de flesta högprestandagivare erbjuder en precision på ±0,2 °C, återstår bara en felmarginal på ±0,3 °C för att utforma en rumsgivare som kan uppfylla komfortkraven och industristandard.

En förståelse för vilken värmeöverföringsmekanism – konduktion, konvektion eller strålning – som orsakar ett specifikt fenomen kan vara till hjälp för att styra konstruktionsingenjörerna i rätt riktning. Den här typen av testning kräver exakt styrning av miljöparametrarna med en konstruktion som liknar den som visas i bild 2.

Att mäta temperaturen så exakt är svårt i sig, men det försvåras ytterligare av externa faktorer som kan påverka temperaturavläsningen, som luftflöde, fuktighet, värmekällor och spänningsvariationer på olika platser i världen. Dessutom måste mätvärdet motsvara temperaturen mitt i rummet samtidigt som givaren är monterad på väggen. Det här innebär ytterligare komplikationer eftersom tillverkarna av givare inte har något inflytande över hur de installeras, vilket innebär att enheten måste utformas på ett sådant sätt att denna extra parameter inte påverkar avläsningen.

Testkammaren som givaren testas i matas med ett konstant, laminärt luftflöde som kan styras exakt från 0,05 m/s till 0,3 m/s för att efterlikna en inomhusmiljö. Enheten placeras därefter i en värmeisolerad kapsling som kan reglera temperaturen med en noggrannhet på 0,1 °C. Eftersom luftflödet inuti kapslingen är mycket högre än flödet inuti testkammaren kan den önskade temperaturen uppnås (eller ändras) väldigt snabbt. Den här konstruktionen erbjuder kontroll över parametrar som fuktighet och matningsspänning, vilket gör det till ett effektivt verktyg för att skapa en detaljerad kalibreringsprofil och för att separat bedöma de individuella bidragen från varje värmeväxlingsmekanism.

Den omfattande mängd data som samlas in med hjälp av den här testanordningen kan införlivas i givarkonstruktionen för att maximera prestandan, minska påverkan från strålning och eliminera självuppvärmning. Till exempel har testning visat att en optimerad konstruktion av luftventilerna i kapslingen kan förbättra kopplingen mellan givarelementet och den faktiska temperaturen i rummet. Detta kan optimeras ytterligare genom att förändra formen och placeringen av luftflödeskanalerna inuti enheten.

En annan viktig faktor vid design av rumstemperaturgivare är att mätningarna inte bör påverkas av värmen som genereras av elkomponenterna inuti själva enheten. Detta kräver strategier för att isolera givarelementet utan att påverka formfaktorn för den kompletta konstruktionen. Ett sätt att uppnå detta visas i värmekartan i bild 3.

Givarens kretskort består av två fysiskt separerade sektioner sammankopplade av tunna stöd. Den undre delen innehåller givarelementet medan den övre delen innehåller elektronikkomponenter – som mikrokontroller och effektkälla – som under normal drift genererar värme. Som vi kan se blir den här delen av kretskortet mycket varmare än delen där givarelementet befinner sig. Värmen hindras från att påverka givarelementet via konduktion tack vare den fysiska separeringen, små stöd, och det faktum att kopparskikten på de båda kretsarna inte är sammankopplade. Eftersom koppar är en mycket effektiv värmeledare kan den här detaljen avsevärt minska självuppvärmningseffekterna.

Även om många problem kan lösas under konstruktionsfasen finns det fortfarande många externa faktorer som ligger utanför tillverkarens kontroll – som luftflöde, fuktighet, olika värmekällor och varierande matningsspänning. Det senare, till exempel, hanteras med hjälp av intern realtidsmätning och en kompenserande algoritm. Att förlita sig för mycket på kompensering kan emellertid göra enheten mindre känslig och att den reagerar långsammare.

Det ställs många krav på rumsgivare: de måste vara exakta, snabba och kunna användas över hela världen för en mängd olika applikationer. Det kräver noggrann planering vid design av enheten för att eliminera potentiella interna felkällor och samtidigt kompensera föroundvikliga externa variationer. Den här artikeln riktar endast in sig på svårigheterna i samband med temperaturmätning och har inte ens berört övervakning och styrning av andra parametrar som krävs för att säkerställa komfort och säkerhet i inomhusmiljöer, som fuktighet, koldioxidnivåer, partiklar eller flyktiga organiska föreningar. Vi hoppas att den hjälper till att belysa komplexiteten när det gäller att skapa en högprestandagivare för rumstemperatur och att den här vanligtvis förbisedda enheten får lite välförtjänt uppskattning.

Dr Sebastian Eberle, utvecklingschef för miljösensorteknik
Yoram Mottas, systemingenjör för sensorutveckling