La progettazione dei sensori ambiente

Gli esseri umani sono a proprio agio solo in una piccola finestra di condizioni ambientali. Non deve fare troppo caldo né troppo freddo (è incredibile come molte persone distinguano variazioni di temperatura di ±0,5 °C) e l’umidità relativa dev’essere giusta (fig. 1). Ecco perché ci si aspetta molto dai sistemi HVAC e visto che la maggior parte dei sensori ad alte prestazioni ha una precisione di ±0,2 °C, rimane solo un margine di errore di ±0,3 °C per progettare un’unità di rilevamento ambientale che soddisfi i requisiti di comfort e rispetti gli standard del settore.

Capire quale meccanismo di trasferimento del calore – conduzione, convezione o irraggiamento – determina un particolare fenomeno può aiutare i progettisti a lavorare nella giusta direzione. Questo tipo di prove richiede un controllo accurato dei parametri ambientali, con una configurazione come quella mostrata nella figura 2.

Già misurare la temperatura con questa precisione è arduo, ma fattori esterni possono complicare ulteriormente la rilevazione dei dati, ad esempio la portata dell’aria, l’umidità, le fonti di calore e le variazioni di tensione nel mondo. Il valore misurato deve inoltre rappresentare la temperatura del centro di una stanza, mentre il sensore è montato su una parete. Ciò comporta ulteriori problemi, dal momento che chi produce il sensore difficilmente controlla dove verrà installato, quindi l’unità dev’essere progettata in modo tale che questo parametro aggiuntivo non influisca sui risultati.

La camera di prova in cui si trova il sensore è attraversata da un flusso d’aria laminare costante controllabile con una precisione tra 0,05 m/s e 0,3 m/s, a simulazione di un ambiente interno. L’unità viene quindi collocata in una custodia termoisolata in grado di regolare la temperatura con una precisione di 0,1 °C. Poiché la portata dell’aria all’interno della custodia è molto più elevata di quella nella camera di prova, la temperatura desiderata si raggiunge (o si modifica) molto rapidamente. Questa configurazione consente di controllare anche parametri quali l’umidità e la tensione di alimentazione ed è quindi un ottimo strumento per creare un profilo di calibrazione dettagliato e valutare separatamente il contributo di ogni singolo meccanismo di scambio termico.

La grande quantità di dati raccolta con l’impianto di prova può essere utilizzata nella progettazione del sensore per massimizzarne le prestazioni, riducendo l’influenza delle radiazioni ed eliminando l’autoriscaldamento. I test hanno dimostrato, per esempio, che ottimizzando il design delle bocchette di ventilazione dell'alloggiamento si può migliorare l’accoppiamento tra l’elemento di rilevamento e la temperatura effettiva nell’ambiente. Per un’ulteriore ottimizzazione si può modificare la forma e la posizione dei canali da cui l’aria fluisce nell’unità.

Un altro aspetto importante da considerare nella progettazione dei sensori di temperatura ambiente è che le rilevazioni non dovrebbero risentire del calore generato dai componenti elettronici all’interno dell’unità stessa. Servono quindi strategie per isolare l’elemento del sensore senza incidere sul fattore della forma di progetto nel suo insieme. Un modo per raggiungere questo obiettivo è illustrato nella mappa di calore della figura 3.

La scheda a circuito stampato (PCB) del sensore è costituita da due sezioni fisicamente separate e collegate da sottili supporti. La parte inferiore contiene l’elemento sensore, mentre la parte superiore contiene i componenti elettronici – come il microcontrollore e la fonte di alimentazione – che generano calore durante il normale funzionamento. Come si può notare, quest’area del circuito stampato si riscalda molto di più rispetto alla parte che contiene l’elemento sensore. Grazie alla separazione fisica, ai supporti di dimensioni ridotte e al fatto che i piani di massa in rame dei due circuiti non sono collegati, il calore non raggiunge l’elemento del sensore per conduzione. Poiché il rame è un conduttore di calore molto efficiente, questo dettaglio può ridurre notevolmente gli effetti dell’autoriscaldamento.

Anche se nella fase di progettazione si possono risolvere molti problemi, ci sono comunque dei fattori esterni che sfuggono al controllo del produttore, come la portata dell’aria, l’umidità, le diverse fonti di calore e i diversi tipi di alimentazione. Si può regolare quest’ultimo aspetto, ad esempio, con una misurazione interna in tempo reale e un algoritmo di compensazione. Affidarsi troppo alla compensazione, però, potrebbe rendere l’unità meno sensibile e lenta a reagire.

I sensori ambiente devono soddisfare molti requisiti: devono essere precisi, veloci e idonei ad essere usati in tutto il mondo e in una moltitudine di applicazioni. Quando si progetta l’unità, è necessaria un’accurata pianificazione per eliminare le potenziali fonti di errore interne compensando al contempo le inevitabili fluttuazioni esterne. Questo articolo ha esaminato soltanto le difficoltà legate alla misurazione della temperatura senza nemmeno accennare al monitoraggio e al controllo degli altri parametri necessari per garantire il comfort e la sicurezza degli ambienti interni, come l’umidità, i livelli di CO₂, le sostanze particellari o i composti organici volatili. Speriamo di aver contribuito a evidenziare le complessità insite nella creazione di un sensore di temperatura ambiente ad alte prestazioni affinché queste unità, generalmente trascurate, siano finalmente apprezzate.

Dr. Sebastian Eberle, responsabile dello sviluppo delle tecnologie di rilevamento ambientale

Mottas, ingegnere di sistemi per lo sviluppo dei sensori