Designe romsensorer

Mennesker føler seg kun komfortabel innenfor et smalt miljøvindu. Det må ikke være for varmt eller for kaldt, mange kan utrolig nok føle en ±0,5 °C endring i temperatur. Den relative luftfuktigheten må også være helt riktig (bilde 1). Dette legger et stort press på varme-, ventilasjons- og luftbehandingssystemene, og siden de fleste høytytende sensorelementer tilbyr en presisjon på ±0,2 °C, står man igjen med kun en ±0,3 °C feilmargin for å designe en romsensorenhet som kan oppfylle kravene til komfort og overholde industristandardene.

Hvis man forstår hvilken varmeoverføringsmekanisme – ledning, konveksjon eller stråling – som er ansvarlig for et spesifikt fenomen, kan det bidra til å peke designingeniørene i riktig retning. Denne typen testing krever nøyaktig styring av miljøparametrene ved hjelp av et oppsett som det vist på bilde 2.

Det er generelt vanskelig å måle temperaturen med slik nøyaktighet, og det blir enda vanskeligere når man inkluderer eksterne faktorer som kan påvirke temperaturavlesningene, som luftstrøm, luftfuktighet, varmekilder og spenningsvariasjoner over hele verden. I tillegg må måleverdien representere temperaturen midt i et rom, selv om sensoren er montert på en vegg. Det byr på ytterligere komplikasjoner, siden produsenten av sensoren har liten kontroll over hvordan den blir installert. Derfor må enheten designes slik at denne ekstra parameteren ikke kan påvirke avlesningene.

Testkammeret der sensoren står, påføres en konstant, laminær luftstrøm som kan kontrolleres nøyaktig fra 0,05 m/s til 0,3 m/s, og etterligner et innendørs miljø. Denne enheten blir deretter plassert i et termisk isolert kapsling som kan regulere temperaturen med en 0,1 °C nøyaktighet. Siden luftstrømmen inni kapslingen er mye høyere enn den på utsiden av testkammeret, kan ønsket temperatur oppnås (eller endres) svært raskt. Oppsettet tilbyr også styring av parametre som luftfuktighet og strømforsyningsspenning, og er et kraftig verktøy for å skape en detaljert kalibreringsprofil og vurdere de individuelle bidragene til hver varmevekslingsmekanisme separat.

Den store datamengden som ble samlet inn med testinnretningen, kan legges inn i sensordesignet for å maksimere ytelsen, redusere påvirkningen fra stråling og eliminere selvoppvarming. Tester har for eksempel vist at optimalisering av utformingen av lufteventilene i kapslingen kan forbedre koblingen mellom følerelementet og den faktiske temperaturen i rommet. Dette kan optimaliseres ytterligere ved å endre formen og posisjonen til luftstrømskanalene inni enheten.

En annen viktig vurdering ved design av romtemperatursensorer er at målingene ikke blir påvirket av varme som genereres av de elektroniske komponentene inni selve enheten. Det krever strategier for å isolere følerelementet uten at det påvirker formfaktoren til det totale designet. En tilnærming for å oppnå dette vises i varmekartet på bilde 3.

Sensorens trykte kretskort (PCB) består av to fysisk adskilte deler som er forbundet med tynne støtter. Den nedre delen inneholder følerelementet, mens den øvre delen inneholder elektronikkomponenter, som mikrokontroller og strømkilde, som genererer varme under normal drift. Som man kan se, blir dette området av kretskortet mye varmere enn den delen som inneholder følerelementet. Det forhindrer en varmeledning som påvirker følerelementet, takket være den fysiske adskillelsen, små støtter, og det faktum at jordplatene av kobber for de to kretsene ikke er forbundet. Kobber er en svært effektiv varmeleder, og denne detaljen kan redusere selvoppvarmingseffekten betraktelig.

Mange problemer kan elimineres under designfasen, men det er fremdeles eksterne faktorer som produsenten ikke kan kontrollere, som luftstrøm, luftfuktighet, ulike varmekilder og varierende strømforsyninger. Sistnevnte adresseres for eksempel av en intern sanntidsmåling og en kompensasjonsalgoritme. Det er imidlertid viktig å ikke stole for mye på kompensasjoner, da det kan gjøre en enhet mindre følsom og treg til å reagere.

Det er mange krav når det gjelder romsensorer. De må være nøyaktige, raske og egnet for bruk verden over og i mange applikasjoner. Dette krever nøye planlegging når man designer enheten for å eliminere potensielle interne feilkilder samtidig som man kompenserer for uunngåelige eksterne svingninger. Denne artikkelen har bare tatt for seg vanskelighetene når det gjelder temperaturmåling, den har ikke engang berørt overvåkning og styring av andre parametre som trengs for å sikre komforten og sikkerheten i områder innendørs, som f.eks. luftfuktighet, CO₂-nivåer, svevestøv eller flyktige organiske forbindelser. Forhåpentligvis har det bidratt til å fremheve kompleksiteten med å skape en høytytende romtemperatursensor og samtidig gi denne vanligvis oversette enheten litt velfortjent påskjønnelse.

Dr Sebastian Eberle, utviklingsleder Environmental Sensing Technology

Yoram Mottas, systemingeniør for sensorutvikling