Patalpų jutiklių kūrimas
Nematomi patalpų jutiklių kūrimo iššūkiai
Patalpų jutikliai – neatskiriama, bet dažnai nepakankamai įvertinama ŠVOK sistemų dalis. Mažai kas žino, kiek planavimo ir darbo reikia kuriant prietaisą, galintį tiksliai – iki dešimtosios laipsnio dalies – matuoti temperatūrą veikiant įvairioms išorinėms sąlygomis. Dr. Sebastian Eberle, aplinkos sąlygų jutiklių technologijų kūrimo vadovas, ir Yoram Mottas, jutiklių sistemų kūrimo inžinierius,
iš įmonės „Belimo“ pasakoja apie šioje srityje kylančius iššūkius ir kaip įmonė pasitelkia novatoriškus sprendimus jiems spręsti, kad galėtų pasiūlyti greitai ir tiksliai veikiančius patalpų jutiklius.
Sudėtingos darbo sąlygos
Žmonėms komfortabilus aplinkos sąlygų diapazonas yra gana siauras. Negali būti nei per karšta, nei per šalta – neįtikėtina, bet daug žmonių gali pajusti vos ±0,5 °C dydžio temperatūros pokyčius, – o santykinis drėgnis turi būti tiksliai toks, kokio reikia (1 pav.). Dėl to ŠVOK sistemoms keliami dideli reikalavimai, o kadangi dauguma didelio efektyvumo jutiklių elementų užtikrina ±0,2 °C tikslumą, projektuojant patalpos jutiklio įtaisą, galintį patenkinti komfortui keliamus reikalavimus ir atitikti pramonės standartus, lieka vos ±0,3 °C paklaidos riba.
1 pav.
Temperatūros ir drėgnio diapazonas, kuriame žmonės jaučiasi patogiai. (Iliustraciją pateikė prof. dr. inž. Wolfram Frank, Zygeno universiteto (Vokietija) Gamtos mokslų ir technologijų fakulteto Skysčių mechanikos katedros vadovas ir profesorius emeritas)
Bandymai ir kompensavimas
Supratę, koks šilumos perdavimo mechanizmas – laidumas, konvekcija ar spinduliavimas – yra atsakingas už konkretų reiškinį, inžinieriai konstruktoriai gali lengviau pasirinkti reikiamą projektavimo kryptį. Atliekant šio tipo bandymus reikia tiksliai kontroliuoti aplinkos parametrus naudojant, pavyzdžiui, 2 pav. parodytą sąranką.
2 pav.
Temperatūros ir drėgnio diapazonas, kuriame žmonės jaučiasi patogiai. (Iliustraciją pateikė prof. dr. inž. Wolfram Frank, Zygeno universiteto (Vokietija) Gamtos mokslų ir technologijų fakulteto Skysčių mechanikos katedros vadovas ir profesorius emeritas)
Išmatuoti temperatūrą tokiu tikslumu jau yra sudėtinga, bet šią užduotį dar labiau apsunkina išoriniai veiksniai, galintys daryti įtaką temperatūros rodmenims, pavyzdžiui, oro srautas, drėgnis, šilumos šaltiniai ir įtampos svyravimas. Be to, išmatuota vertė turi rodyti temperatūrą patalpos viduryje, nors jutiklis sumontuotas ant sienos. Tai lemia papildomas komplikacijas, nes jutiklių gamintojai turi mažai įtakos jutiklio montavimo būdui, todėl prietaisus reikia kurti taip, kad šis papildomas parametras nepakeistų jutiklio rodmenų.
Į bandymo kamerą, kurioje yra jutiklis, tiekiamas pastovus laminarinis oro srautas, kurį galima tiksliai valdyti 0,05–0,3 m/s diapazone, taip imituojant aplinką patalpoje. Tuomet šis blokas įdedamas į korpusą su šilumos izoliacija, kuriame galima reguliuoti temperatūrą 0,1 °C tikslumu. Oro srautas korpuse yra daug stipresnis nei bandymo kameroje, todėl galima labai greitai pasiekti norimą temperatūrą arba ją pakeisti. Šioje sąrankoje taip pat galima kontroliuoti tokius parametrus kaip drėgnis ir maitinimo įtampa, todėl tai yra labai naudinga priemonė, leidžianti sukurti detalų kalibravimo profilį ir atskirai įvertinti kiekvieno šilumos mainų mechanizmo indėlį.
Apgalvota konstrukcija
Šių bandymų metu surinktus išsamius duomenis galima panaudoti jutiklio projekte siekiant maksimaliai padidinti jo efektyvumą, sumažinti spinduliuotės įtaką ir panaikinti savaiminį kaitimą. Pavyzdžiui, bandymai parodė, kad optimizavus korpuso ventiliacijos angų formą gali pagerėti ryšys tarp jautriojo elemento ir faktinės temperatūros patalpoje. Be to, galima dar labiau jį optimizuoti pakeičiant prietaise esančių oro srauto kanalų formą ir vietą.
Kitas svarbus aspektas projektuojant patalpų temperatūros jutiklius yra tai, kad matavimo rezultatų turi neveikti šiluma, kurią generuoja pačiame prietaise esantys elektroniniai komponentai. Tam reikia strategijų, leidžiančių izoliuoti jutiklio elementą nepakeičiant visos konstrukcijos formos faktoriaus. Vienas iš metodų, kaip tai pasiekti, parodytas spalvų intensyvumo schemoje 3 pav.
3 pav.
Spalvų intensyvumo schema, vaizduojanti temperatūros pokyčius jutiklio spausdintinėje plokštėje.
Jutiklio spausdintinę plokštę (PCB) sudaro dvi fiziškai atskirtos sekcijos, sujungtos plonomis atramomis. Apatinėje dalyje yra jutiklio elementas, o viršutinėje – elektroniniai komponentai, pavyzdžiui, mikrovaldiklis ir maitinimo šaltinis, kurie generuoja šilumą įprasto veikimo metu. Kaip matote, ši spausdintinės plokštės dalis sušyla daug labiau nei dalis, kurioje yra jutiklio elementas. Šiluma nebegali veikti jutiklio elemento laidumo principu, nes jis yra atskirtas fiziškai, naudojamos plonos atramos, be to, variniai abiejų grandinių įžeminimo sluoksniai nėra sujungti. Varis yra labai geras šilumos laidininkas, todėl ši detalė gali pastebimai sumažinti savaiminio kaitimo padarinius.
Projektavimo etapu galima išspręsti daug problemų, bet yra ir išorinių veiksnių, kurių gamintojas nekontroliuoja, pavyzdžiui, oro srautas, drėgnis, įvairūs šilumos šaltiniai ir skirtingi maitinimo šaltiniai. Pastarųjų keliamos problemos sprendžiamos atliekant vidinį matavimą realiuoju laiku ir taikant kompensavimo algoritmą. Bet jei kompensavimui tenka per didelė svarba, gali sumažėti prietaiso jautrumas ir reakcijos greitis.
Santrauka
Patalpų jutikliams keliama daug įvairių reikalavimų: jie turi būti tikslūs, greiti ir tinkami naudoti visame pasaulyje bei daugybėje skirtingų sistemų. Todėl prietaiso projektavimo etapu reikia kruopštaus planavimo, kuris padeda pašalinti vidinius klaidų šaltinius ir kartu kompensuoja neišvengiamus išorinius svyravimus. Šiame straipsnyje aptarti tik su temperatūros matavimu susiję sunkumai ir visai neskiriama dėmesio kitų parametrų, reikalingų norint sukurti komfortabilią ir saugią vidaus aplinką, pvz., drėgnio, CO2 koncentracijos, dalelių ar lakiųjų organinių junginių, stebėjimui bei valdymui. Tikimės, kad ši informacija padėjo suprasti sunkumus, kylančius projektuojant efektyvius patalpų temperatūros jutiklius, ir šie dažnai nepastebimi prietaisai sulauks daugiau pelnyto dėmesio.
Dr. Sebastian Eberle, aplinkos sąlygų jutiklių technologijų kūrimo vadovas
Yoram Mottas, jutiklių sistemų kūrimo inžinierius
