Oda sensörlerinin tasarlanması

İnsanlar sadece dar bir ortam koşulları aralığında kendilerini rahat hissederler. Çok sıcak veya çok soğuk olamaz; inanması zor ama birçok insan sıcaklıktaki ±0,5 °C'lik değişiklikleri ayırt edebilir. Ayrıca bağıl nem de tam olarak doğru olmalıdır (Şekil 1). Bu durum HVAC sistemleri üzerinde büyük bir baskı oluşturmaktadır ve çoğu yüksek performanslı sensör elemanı ±0,2 °C hassasiyet sunarken, konfor gereksinimlerini karşılayabilen ve endüstri standartlarına uyum sağlayabilen bir oda sensörü ünitesi tasarlamak için sadece ±0,3 °C hata payı bırakmaktadır.

Belirli bir fenomenden hangi ısı aktarım mekanizmasının (iletim, konveksiyon veya radyasyon) sorumlu olduğunu anlamak, tasarım mühendislerine doğru yönü göstermeye yardımcı olabilir. Bu tür testler, Şekil 2'de gösterildiği gibi bir düzenek kullanılarak çevresel parametrelerin doğru bir şekilde kontrol edilmesini gerektirir.

Sıcaklığı bu hassasiyetle ölçmek kendi başına zordur; üstelik debi, nem, ısı kaynakları ve dünya genelindeki voltaj değişiklikleri gibi sıcaklık ölçümlerini etkileyebilecek dış faktörler nedeniyle daha da karmaşık hale gelir. Buna ek olarak, sensör bir duvara monte edilmişken ölçülen değerin bir odanın ortasındaki sıcaklığı temsil etmesi gerekir. Bu durum, sensör üreticilerinin sensörün nasıl monte edileceği üzerinde çok az kontrole sahip olması nedeniyle ekstra komplikasyona yol açmaktadır; yani ünitenin bu ek parametrenin ölçümleri etkilemeyeceği şekilde tasarlanması gerekmektedir.

Sensörün yer aldığı test bölmesine, iç ortam taklit edilerek 0,05 m/sn ila 0,3 m/sn arasında hassas bir şekilde kontrol edilebilen sabit, laminer bir hava debisi sağlanır. Bu ünite daha sonra sıcaklığı 0,1 °C hassasiyetle ayarlayabilen ısı yalıtımlı bir muhafaza içine yerleştirilir. Muhafazanın içindeki hava debisi test bölmesinin içindekinden çok daha yüksek olduğundan, istenen sıcaklığa çok hızlı bir şekilde ulaşılabilir (veya değiştirilebilir). Bu kurulum aynı zamanda nem ve güç kaynağı voltajı gibi parametrelerin kontrolünü sağlayarak ayrıntılı bir kalibrasyon profili oluşturmak ve her bir ısı değişim mekanizmasının bireysel etkilerini ayrı ayrı değerlendirmek için güçlü bir araç sunar.

Test düzeneği kullanılarak toplanan kapsamlı veriler, performansını en üst düzeye çıkarmak, radyasyonun etkisini azaltmak ve kendi kendine ısınmayı ortadan kaldırmak için sensör tasarımına dahil edilebilir. Örneğin testler, muhafazadaki hava ventillerinin tasarımının optimize edilmesinin, algılama elemanı ile odanın gerçek sıcaklığı arasındaki bağlantıyı iyileştirebileceğini göstermiştir. Bu, cihaz içindeki hava akış kanallarının şekli ve konumu değiştirilerek daha da optimize edilebilir.

Oda sıcaklığı sensörleri tasarlanırken dikkat edilmesi gereken bir diğer önemli husus da ölçümlerin ünitenin içindeki elektronik bileşenlerin ürettiği ısıdan etkilenmemesidir. Bu, genel tasarımın form faktörünü etkilemeden sensör elemanını izole etmeye yönelik stratejiler gerektirir. Bunu başarmaya dönük bir yaklaşım Şekil 3'teki ısı haritasında gösterilmektedir.

Sensörün baskı devre kartı (PCB), ince desteklerle birbirine bağlanan fiziksel olarak ayrılmış iki bölümden oluşur. Alt kısımda sensör elemanı bulunurken, üst kısımda normal çalışma sırasında ısı üreten mikrokontrolör ve güç kaynağı gibi elektronik bileşenler yer alır. Görülebileceği gibi, PCB'nin bu alanı sensör elemanını tutan kısımdan çok daha fazla ısınmaktadır. Fiziksel ayrım, küçük destekler ve iki devrenin bakır toprak düzlemlerinin bağlı olmaması sayesinde ısının iletim yoluyla sensör elemanını etkilemesi engellenir. Bakır çok verimli bir ısı iletkeni olduğundan, bu ayrıntı, kendi kendine ısınma etkilerini önemli ölçüde azaltabilir.

Birçok sorun tasarım aşamasında ele alınabilse de, hava debisi, nem, farklı ısı kaynakları ve değişken güç kaynakları gibi üreticinin kontrolü dışında olan dış faktörler de vardır. Örneğin ikincisi, dahili bir gerçek zamanlı ölçüm ve bir dengeleme algoritması ile ele alınmaktadır. Bununla birlikte, kompanzasyona çok fazla güvenmek bir üniteyi daha az hassas ve yavaş tepki verir hale getirebilir.

Oda sensörleri söz konusu olduğunda pek çok gereksinim vardır; doğru, hızlı ve dünyanın her yerinde ve çok sayıda uygulamada kullanıma uygun olmaları gerekir. Bu, potansiyel dahili hata kaynaklarını ortadan kaldırmak ve aynı zamanda kaçınılmaz harici dalgalanmaları kompanse etmek için cihazı tasarlarken kapsamlı bir planlama gerektirir. Bu makalede yalnızca sıcaklık ölçümleriyle ilgili zorluklar ele alınmış, nem, CO₂ seviyeleri, partikül madde veya uçucu organik bileşikler gibi iç mekanların konforunu ve güvenliğini sağlamak için gereken diğer parametrelerin izlenmesi ve kontrolüne hiç girilmemiştir. Umarız bu makale, yüksek performanslı bir oda sıcaklığı sensörü ortaya çıkarmanın karmaşıklığını vurgulamaya yardımcı olmuştur ve yaygın olarak gözden kaçan bu cihaza hak ettiği değeri verecektir.

Dr. Sebastian Eberle, Çevresel Algılama Teknolojisi Geliştirme Müdürü

Yoram Mottas, Sensör Geliştirme Sistem Mühendisi