Razvoj sobnih senzora

Ljudi se osećaju komforno samo u uslovima okoline vrlo malog opsega. Ne sme biti previše vruće ili previše hladno, jer ljudi mogu primetiti promenu temperature od samo ±0,5 °C, a relativna vlažnost mora biti savršena (slika 1). To predstavlja veliki izazov za HVAC sisteme, jer većina senzora visokih performansi nudi preciznost od ±0,2 °C, čime za razvoj sobnog senzora preostaje opseg greške od samo ±0,3 °C kako bi se udovoljilo zahtevima za komfor i kako bi se ispunili zahtevi industrijskih standarda.

Shvatiti koji je mehanizam prenosa toplote (provodljivost, konvekcija ili zračenje) odgovoran za određeni fenomen, može navesti razvojne inženjere na pravi smer. Ova vrsta ispitivanja zahteva precizno upravljanje parametrima okruženja, upotrebljavajući konfiguraciju sličnu onoj koja je prikazana na slici 2.

Merenje temperature s takvom preciznošću teško je samo po sebi, a dodatno ga otežavaju spoljni faktori koji mogu uticati na izmerene vrednosti temperature, kao npr. protok vazduha, vlažnost, izvori toplote i različiti naponi u različitim krajevima sveta. Osim toga, izmerena vrednost mora predstavljati temperaturu na sredini prostorije, dok je senzor montiran na zid. To dovodi do daljih komplikacija, jer proizvođači senzora imaju mali uticaj na način instalacije, što znači da uređaj treba razviti tako da taj dodatni parametar ne utiče na izmerene vrednosti.

Ispitna komora u koju se postavlja senzor ima konstantan laminarni protok vazduha kojim je moguće precizno upravljati u opsegu od 0,05 m/s do 0,3 m/s, čime se oponaša okruženje u zatvorenom prostoru. Ta jedinica se zatim postavlja u termički izolovano kućište koje može regulisati temperaturu s preciznošću od 0,1 °C. Pošto je protok vazduha unutar kućišta mnogo veći od protoka unutar ispitne komore, moguće je vrlo brzo postići (ili promeniti) željenu temperaturu. Ova konfiguracija takođe omogućava upravljanje parametrima, kao što su vlažnost i napon napajanja, nudeći svestran alat za izradu detaljnog kalibracionog profila i za zasebnu procenu pojedinačnih doprinosa svakog mehanizma razmene toplote.

Opsežni podaci prikupljeni uz pomoć ispitnog stola mogu se uzeti u obzir pri razvoju senzora kako bi se povećala njegova efikasnost, smanjio uticaj zračenja i sprečilo samozagrevanje. Ispitivanje je, na primer, pokazalo da optimizacija konstrukcije ventilacionih otvora u kućištu može poboljšati vezu između senzorskog elementa i stvarne temperature u prostoriji. To se može dodatno optimizovati promenom oblika i položaja kanala za protok vazduha unutar uređaja.

Još jedna važna tačka pri razvoju senzora temperature u prostoriji je da na merenja ne bi smela uticati toplota koju stvaraju elektronske komponente unutar samog uređaja. To zahteva strategije za izolaciju senzorskog elementa, a da pritom ne dođe do uticaja na faktor oblika celokupne konstrukcije. Jedan način za postizanje toga je prikazan na karti raspodele toplote na slici 3.

Štampana pločica senzora se sastoji od dva fizički odvojena dela spojena tankim nosačima. Analogno mikrokontroleru i izvoru napajanja, donji deo sadrži senzorski element, dok gornji deo sadrži elektronske komponente koje stvaraju toplotu tokom normalnog rada. Kao što se može videti, ovo područje štampane pločice više se zagreva od dela koji sadrži senzorski element. Zahvaljujući fizičkom odvajanju, malim nosačima i činjenici da bakarne površine za uzemljenje dvaju kola nisu međusobno spojene, sprečava se uticaj toplote na senzorski element usled provođenja toplote. Pošto je bakar vrlo efikasan toplotni provodnik, ovaj detalj može znatno smanjiti efekte samozagrevanja.

Iako se mnogi problemi mogu rešiti tokom faze razvoja, još uvijek postoje spoljni faktori koji su van kontrole proizvođača – kao što su protok vazduha, vlaga, različiti izvori toplote i različiti izvori napajanja. Zadnje navedeno se, na primer, rešava unutrašnjim merenjem u realnom vremenu i kompenzacionim algoritmom. No, ako se previše oslonimo na kompenzaciju, uređaj bi mogao biti manje osetljiv i mogao bi reagovati sporije.

Postoji mnogo zahteva kada su u pitanju sobni senzori: moraju biti precizni, brzi i pogodni za upotrebu širom sveta i za mnoštvo primena. To zahteva temeljno planiranje pri razvoju uređaja kako bi se uklonili potencijalni unutrašnji izvori grešaka, a istovremeno kompenzovale neizbežne spoljne fluktuacije. Ovaj članak se bavi samo poteškoćama koje se odnose na merenje temperature, a nije ni dotakao nadzor i regulaciju drugih parametara koji su potrebni za osiguranje komfora i bezbednosti u unutrašnjim prostorijama, kao što su vlažnost, nivoi sadržaja CO₂, čestice ili isparljiva organska jedinjenja. Nadamo se da smo ovim mogli pomoći u isticanju složenosti razvoja visokoefikasnih senzora temperature u prostoriji i da smo ovom, često zanemarenom uređaju mogli dati zasluženu pažnju.

Dr. Sebastian Eberle, rukovodilac odeljenja za razvoj tehnologije za registraciju uslova okoline

Joram Motas, inženjer sistema za razvoj senzora