Ruumi andurite disainimine

Inimesed tunnevad ennast mugavalt ainult kitsas keskkonnanõuete vahemikus. See ei saa olla liiga kuum ega liiga külm – uskumatul kombel suudavad paljud inimesed eristada ±0,5 °C suurusi muutusi temperatuuris – ja suhteline õhuniiskus peab olema täpselt õige (joonis 1). See avaldab kütte-, ventilatsiooni- ja jahutussüsteemidele suurt survet ning enamiku suure toimivusega anduri elementide puhul, mis võimaldavad täpsust ±0,2 °C, jätab see vea marginaaliks vaid ±0,3 °C, selleks et disainida ruumi anduri seade, mis suudaks täita mugavuse nõuded ja olla vastavuses tööstuse standarditega.

Arusaam sellest, milline soojuse ülekandemehhanism – juhtivus, konvektsioon või kiirgus – spetsiifilise nähtuse eest vastutav on, võib aidata disainivatel inseneridel õige suuna kätte juhatada. Seda tüüpi katsetamine nõuab keskkonna parameetrite täpset kontrolli, kasutades taolist seadistust, nagu on näidatud joonisel 2.

Temperatuuri mõõtmine taolise täpsusega on iseenesest raske, ent selle muudavad veelgi keerulisemaks välised tegurid, mis võivad temperatuurinäitusid mõjutada, nagu näiteks õhuvool, niiskus, soojusallikad ja pinge varieerumised üle kogu maailma. Lisaks on vajalik, et mõõdetud väärtus esindaks ruumi keskosa temperatuuri, samas kui andur on seinale paigaldatud. See toob kaasa täiendavaid komplikatsioone, kuna anduri tootjatel on vähe kontrolli selle üle, kuidas see paigaldatud on, mis tähendab, et seade tuleb disainida sellisel viisil, et see täiendav parameeter näitusid ei mõjutaks.

Katsekamber, mis andurit hoiab, on varustatud pideva laminaarse õhuvooluga, mida saab täpselt juhtida vahemikus 0,05 m/s kuni 0,3 m/s, imiteerides siseruumide keskkonda. See üksus paigutatakse seejärel termoisolatsiooniga korpusesse, mis on võimeline reguleerima temperatuuri täpsusega 0,1 °C. Kuna õhuvool korpuse sees on palju suurem kui katsekambri sees, siis saab soovitud temperatuurini jõuda (või seda muuta) väga kiiresti. See seadistus annab võimaluse juhtida ka taolisi parameetreid, nagu näiteks niiskust ja energiatoite pinget, andes võimsa tööriista üksikasjaliku kalibreerimisprofiili loomiseks ja iga soojusvahetuse mehhanismi individuaalse panuse eraldi hindamiseks.

Katsestendi kasutades kogutud ulatuslikke andmeid saab kasutada anduri disainimiseks, et maksimeerida selle toimivust, vähendades kiirguse mõju ja kõrvaldades isekuumenemise. Näiteks näitas katsetamine, et korpuses olevate õhuavade disaini optimeerimine võib parandada anduri elemendi ja ruumi aktuaalse temperatuuri vahelist ühendust. Seda saab täiendavalt optimeerida, muutes seadme sees olevate õhuvoolukanalite kuju ja asukohta.

Teiseks oluliseks kaalutluseks ruumitemperatuuri andurite disainimisel on see, et mõõtmised peaksid olema seadme enda sees olevate elektrooniliste komponentide poolt tekitatud soojusest mõjutamata. See nõuab strateegiaid selleks, et isoleerida anduri element, ilma et see mõjutaks üldise disaini vormitegurit. Ühte lähenemisviisi selle saavutamiseks on näidatud joonisel 3 oleval soojuse kaardil.

Anduri vooluahela trükiplaat (PCB) on valmistatud kahest füüsiliselt eraldatud sektsioonist, mis on ühendatud õhukeste tugedega. Alumine osa sisaldab anduri elementi, samas kui ülemine osa hoiab elektroonilisi komponente – nagu näiteks mikrokontrollerit ja energiatoite allikat –, mis tekitavad tavapärase käitamise ajal soojust. Nagu näha võib, muutub PCB see ala palju soojemaks kui anduri elementi hoidev osa. Anduri elemendi soojuse poolt mõjutamine juhtivuse kaudu on peatatud tänu füüsilisele eraldamisele, väikestele tugedele ja tõsiasjale, et kahe ahela vasest alusplaadid pole ühendatud. Kuna vask on väga tõhus soojusjuht, siis võib see detail isekuumenemise mõju märkimisväärselt vähendada.

Kuigi paljusid probleeme saab lahendada disainimise faasis, leidub siiski väliseid tegureid, mis on väljaspool tootja kontrolli – nagu näiteks õhuvool, niiskus, erinevad soojusallikad ja mitmesugused energiatoited. Viimati nimetatuid käsitletakse näiteks sisemise reaalajas mõõtmise ja kompensatsiooni algoritmi abil. Liiga palju kompensatsioonile lootmajäämine võib muuta seadme aga vähem tundlikuks ja reageerimisel aeglasemaks.

Kui tegemist on ruumi anduritega, siis on neile hulgaliselt nõudeid; need peavad olema täpsed, kiired ning sobivad kasutamiseks üle kogu maailma ja rohkearvulistes rakendustes. See nõuab põhjalikku planeerimist, kui seadet disainitakse, et kõrvaldada võimalikud sisemised vigade allikad, kompenseerides samas ka vältimatud välised kõikumised. Käesolev artikkel on käsitlenud üksnes raskusi, mis on seotud temperatuuri mõõtmistega, ega pole isegi puudutanud teiste parameetrite, mis on vajalikud siseruumide mugavuse ja ohutuse tagamiseks, nagu näiteks niiskuse, CO₂ tasemete, tahkete osakeste või lenduvate orgaaniliste ühendite, seiret ja kontrollimist. Loodetavasti on see aidanud esile tõsta suure toimivusega ruumitemperatuuri andurite loomise keerukust ja annab sellele tavaliselt tähelepanuta jäetud seadmele teatava ärateenitud tunnustuse.

Dr Sebastian Eberle, keskkonna andurite tehnoloogia arendusjuht

Yoram Mottas, andurite arenduse süsteemiinsener