Diseño de sensores de cuarto

Los seres humanos únicamente se sienten confortables en una pequeña ventana ambiental. No puede hacer demasiado calor ni demasiado frío —aunque parezca increíble, muchas personas son capaces de distinguir cambios de temperatura de ±0.5 °C— y la humedad relativa debe ser exactamente la correcta (imagen 1). Esto implica una enorme presión para los sistemas de HVAC y, teniendo en cuenta que la mayoría de elementos sensores de alto rendimiento ofrecen una precisión de ±0.2 °C, tan solo queda un margen de error de ±0.3 °C para el diseño de un sensor de cuarto capaz de satisfacer los requisitos de confort y de cumplir los estándares industriales.

Entender qué mecanismo de transferencia del calor (conducción, convección o radiación) es responsable de un fenómeno específico puede ayudar a guiar a los ingenieros de diseño en la dirección correcta. Este tipo de pruebas exige un control preciso de los parámetros ambientales, con un montaje como el mostrado en la imagen 2.

La medición de la temperatura con tal precisión es difícil de por sí, pero se complica aún más debido a factores externos que pueden afectar a las lecturas de la temperatura como el flujo de aire, la humedad, las fuentes de calor y las variaciones de voltaje en todo el mundo. Además, el valor de medición debe representar la temperatura del centro de un cuarto, si bien el sensor está instalado en una pared. Esto comporta más complicaciones, dado que los fabricantes del sensor apenas tienen control sobre el proceso de instalación, lo que significa que el dispositivo debe diseñarse de modo que este parámetro adicional no afecte a las lecturas.

La cámara de ensayos en la que se encuentra el sensor recibe un flujo de aire constante y laminar que puede controlarse con una precisión de 0.05 m/s a 0.3 m/s, imitando un ambiente interior. A continuación, esta unidad se coloca en una carcasa con aislamiento térmico capaz de regular la temperatura con una precisión de 0.1 °C. Como el flujo de aire en el interior de la carcasa es muy superior al flujo de aire en el interior de la cámara de ensayos, puede alcanzarse (o modificarse) de manera muy rápida la temperatura deseada. Esta configuración también permite el control de parámetros como la humedad o el voltaje de alimentación, ofreciendo así una potente herramienta para crear perfiles de calibración detallados y para evaluar por separado las diferentes contribuciones de cada mecanismo de intercambio de calor.

La gran cantidad de datos recopilados con el uso del dispositivo de prueba puede aprovecharse en el diseño del sensor para maximizar su rendimiento, reduciendo la influencia de la radiación y eliminando el autocalentamiento. Por ejemplo, los ensayos demostraron que mediante la optimización del diseño de los respiraderos de la carcasa era posible mejorar el acoplamiento entre el elemento sensor y la temperatura real del cuarto. Esto puede optimizarse aún más mediante la modificación de la forma y posición de los canales de flujo de aire dentro del dispositivo.

Otro aspecto importante a tener en cuenta al diseñar sensores de temperatura de cuarto es que las mediciones no deben verse afectadas por el calor generado por los componentes electrónicos integrados en el dispositivo. Esto requiere estrategias para aislar el elemento sensor sin afectar al factor de forma del diseño global. El mapa de calor en la imagen 3 muestra un enfoque para lograrlo.

La paca de circuito impreso del sensor está formada por dos secciones separadas físicamente conectadas mediante soportes finos. La parte inferior contiene el elemento sensor, mientras que la parte superior abarca componentes electrónicos, como el microcontrolador y la fuente de alimentación, que generan calor durante el funcionamiento normal. Como puede observarse, esta zona de la placa de circuito impreso se calienta mucho más que la parte que contiene el elemento sensor. Se impide que el calor afecte al elemento sensor por conducción gracias a la separación física, pequeños soportes y el hecho de que los planos de masa de cobre de ambos circuitos no están conectados. Dado que el cobre es un conductor térmico muy eficiente, este detalle puede reducir considerablemente los efectos del autocalentamiento.

Si bien pueden abordarse muchos problemas durante la fase de diseño, siguen existiendo factores externos que escapan al control del fabricante como, por ejemplo, el flujo de aire, la humedad, diferentes fuentes de calor y la variación de las fuentes de alimentación. Esta última cuestión, por ejemplo, se aborda mediante una medición interna en tiempo real y un algoritmo de compensación. Sin embargo, depender demasiado de la compensación podría resultar en dispositivos menos sensibles y de reacción lenta.

Existen muchos requisitos cuando se trata de sensores de cuarto; tienen que ser precisos, rápidos y adecuados para su uso en todo el mundo y en una multitud de aplicaciones. Esto exige una planificación minuciosa durante el diseño del dispositivo para eliminar posibles fuentes de error internas, al tiempo que se compensan fluctuaciones externas inevitables. El presente artículo aborda únicamente las mediciones de temperatura y no menciona siquiera el monitoreo y el control de otros parámetros necesarios para el confort y la seguridad en espacios interiores como la humedad, los niveles de CO₂, las partículas sólidas, o los compuestos orgánicos volátiles. Esperamos que el artículo haya ayudado a resaltar las complejidades de la creación de un sensor de temperatura de cuarto de alto rendimiento y confiera a este dispositivo, normalmente ignorado, el reconocimiento que merece.

Dr Sebastian Eberle, jefe de desarrollo de tecnología de sensores ambientales

Yoram Mottas, ingeniero de sistemas para el desarrollo de sensores