Σχεδιασμός αισθητηρίων δωματίου

Οι άνθρωποι αισθάνονται άνετα μόνο σε ένα στενό περιβαλλοντικό παράθυρο. Η θερμοκρασία δεν πρέπει να είναι πολύ υψηλή ούτε πολύ χαμηλή – παραδόξως, πολλά άτομα μπορούν να διακρίνουν αλλαγές της θερμοκρασίας ±0,5 °C – και η σχετική υγρασία πρέπει να είναι η σωστή (Εικόνα 1). Έτσι προκύπτει σημαντική πίεση για τα συστήματα θέρμανσης, αερισμού και κλιματισμού και καθώς τα περισσότερα στοιχεία αισθητηρίων υψηλής απόδοσης παρέχουν ακρίβεια ±0,2 °C, απομένει απλώς ένα περιθώριο σφάλματος ±0,3 °C για το σχεδιασμό μιας συσκευής αισθητηρίου δωματίου που μπορεί να πληροί τις απαιτήσεις άνεσης και να είναι συμβατή με τα βιομηχανικά πρότυπα.

Η κατανόηση του μηχανισμού μεταφοράς θερμότητας – μετάδοση, μεταφορά ή ακτινοβόληση – που είναι υπεύθυνος για ένα συγκεκριμένο φαινόμενο μπορεί να οδηγήσει τους μηχανικούς σχεδιασμού στη σωστή κατεύθυνση. Αυτός ο τύπος δοκιμής απαιτεί τον ακριβή έλεγχο των περιβαλλοντικών παραμέτρων με χρήση μια διάταξης όπως αυτή που παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.

Η μέτρηση της θερμοκρασίας με τέτοια ακρίβεια είναι καθαυτή δύσκολη, αλλά περιπλέκεται ακόμη περισσότερο από εξωτερικούς παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τις ενδείξεις της θερμοκρασίας, όπως το ρεύμα αέρα, η υγρασία, οι πηγές θερμότητας και οι διακυμάνσεις τάσης στο περιβάλλον. Επιπλέον, η προσδιοριζόμενη τιμή πρέπει να αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία στο κέντρο του δωματίου, ενώ το αισθητήριο είναι εγκαταστημένο σε έναν τοίχο. Έτσι προκύπτουν περαιτέρω επιπλοκές, καθώς οι κατασκευαστές του αισθητηρίου δεν έχουν σημαντικό έλεγχο ως προς το σημείο εγκατάστασής του, γεγονός που συνεπάγεται ότι η συσκευή πρέπει να σχεδιαστεί κατά τρόπον που αυτή η πρόσθετη παράμετρος να μην επηρεάζει τις ενδείξεις.

Ο θάλαμος δοκιμών όπου τοποθετείται το αισθητήριο τροφοδοτείται με σταθερή, στρωτή ροή αέρα που μπορεί να ελέγχεται με ακρίβεια από 0,05 m/s έως 0,3 m/s προσομοιώνοντας το περιβάλλον ενός εσωτερικού χώρου. Αυτή η μονάδα τοποθετείται τότε σε ένα θερμικά μονωμένο περίβλημα που είναι σε θέση να ρυθμίζει τη θερμοκρασία με ακρίβεια 0,1 °C. Καθώς η ροή του αέρα εντός του περιβλήματος είναι πολύ υψηλότερη από εκείνη στο εσωτερικό του θαλάμου δοκιμών, η επιθυμητή θερμοκρασία μπορεί να επιτευχθεί (ή να μεταβληθεί) πολύ γρήγορα. Αυτή η διάταξη παρέχει επίσης τη δυνατότητα ελέγχου παραμέτρων, όπως η υγρασία και η τάση τροφοδοσίας, παρέχοντας ένα πανίσχυρο εργαλείο για τη δημιουργία ενός ακριβούς προφίλ βαθμονόμησης και για την ανεξάρτητη αξιολόγηση των επιμέρους συνιστωσών κάθε μηχανισμού ανταλλαγής θερμότητας.

Τα εκτενή δεδομένα που συλλέγονται με τη χρήση της διάταξης δοκιμών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το σχεδιασμό του αισθητηρίου για τη μεγιστοποίηση της απόδοσής του, περιορίζοντας την επίδραση της ακτινοβολίας και εξαλείφοντας την αυτοθέρμανση. Για παράδειγμα, οι δοκιμές έχουν δείξει ότι η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των στομίων αέρα στο περίβλημα μπορεί να βελτιώσει τη διασύνδεση μεταξύ του στοιχείου ανίχνευσης και της πραγματικής θερμοκρασίας στο δωμάτιο. Αυτό μπορεί να βελτιστοποιηθεί περαιτέρω με αλλαγή του σχήματος και της θέσης των αεραγωγών στο εσωτερικό της συσκευής.

Ένα άλλο σημαντικό ζήτημα κατά το σχεδιασμό αισθητηρίων θερμοκρασίας δωματίου είναι ότι οι μετρήσεις δεν πρέπει να επηρεάζονται από τη θερμότητα που παράγεται από τα ηλεκτρονικά στοιχεία στο εσωτερικό της ίδιας της συσκευής. Αυτό απαιτεί στρατηγικές για την απομόνωση του στοιχείου του αισθητηρίου που δεν επηρεάζονται από τον παράγοντα μορφής του γενικού σχεδιασμού. Μια προσέγγιση για την επίτευξη αυτού παρουσιάζεται στο χάρτη θερμότητας, στην Εικόνα 3.

Η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) του αισθητηρίου περιλαμβάνει δύο φυσικά διαχωρισμένα τμήματα που συνδέονται με λεπτά στηρίγματα. Το κάτω τμήμα περιλαμβάνει του στοιχείο του αισθητηρίου, ενώ το επάνω τμήμα περιλαμβάνει τα ηλεκτρονικά στοιχεία, όπως τον μικροελεγκτή και την πηγή ρεύματος, που παράγουν θερμότητα κατά την κανονική λειτουργία. Όπως μπορείτε να δείτε, αυτή η περιοχή της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος θερμαίνεται περισσότερο σε σύγκριση με το τμήμα όπου βρίσκεται του στοιχείο του αισθητηρίου. Η θερμότητα αποτρέπεται να επηρεάζει το στοιχείο του αισθητηρίου με μετάδοση χάρη στο φυσικό διαχωρισμό, τα μικρά στηρίγματα και το γεγονός ότι τα χάλκινα επίπεδα βάσης των δύο κυκλωμάτων δεν συνδέονται. Επειδή ο χαλκός είναι ένας εξαιρετικά αποδοτικός αγωγός θερμότητας, αυτή η λεπτομέρεια μπορεί να περιορίσει σημαντικά το φαινόμενο της αυτοθέρμανσης.

Παρ’ όλο που πολλά προβλήματα μπορούν να αντιμετωπιστούν κατά το στάδιο του σχεδιασμού, εξακολουθούν να υπάρχουν εξωτερικοί παράγοντες πέραν των δυνατοτήτων ελέγχου του κατασκευαστή, όπως η ροή αέρα, η υγρασία, οι διάφορες πηγές θερμότητας και παροχές ρεύματος. Αυτά τα τελευταία, για παράδειγμα, εξετάζονται με εσωτερική μέτρηση σε πραγματικό χρόνο και ένα αλγόριθμο αντιστάθμισης. Ωστόσο, εάν κανείς βασιστεί υπερβολικά στην αντιστάθμιση, η συσκευή θα μπορούσε να καταστεί λιγότερο ευαίσθητη και αργή ως προς την απόκρισή της.

Υπάρχουν πολλές απαιτήσεις όσον αφορά στα αισθητήρια δωματίου. Αυτά πρέπει να είναι ακριβή, γρήγορα και κατάλληλα για χρήση σε ολόκληρο τον κόσμο και σε πολυάριθμες εφαρμογές. Έτσι απαιτείται ενδελεχής προγραμματισμός κατά το σχεδιασμό της συσκευής προκειμένου να εξαλειφθούν εν δυνάμει εσωτερικές πηγές σφάλματος με παράλληλη αντιστάθμιση των αναπόφευκτων εξωτερικών διακυμάνσεων. Σε αυτό το άρθρο εξετάσθηκαν μόνο οι δυσκολίες που σχετίζονται με τις μετρήσεις θερμοκρασίας και δεν αναφέρθηκαν καθόλου η παρακολούθηση και ο έλεγχος άλλων παραμέτρων που απαιτούνται για τη διασφάλιση της άνεσης και της ασφάλειας των εσωτερικών χώρων, όπως η υγρασία, τα επίπεδα CO₂, η σωματιδιακή ύλη ή οι πτητικές οργανικές ενώσεις. Ελπίζουμε ότι αυτό έχει συμβάλλει στην επισήμανση του πολύπλοκου χαρακτήρα της δημιουργίας ενός αισθητηρίου θερμοκρασίας δωματίου υψηλής απόδοσης και θα προσδώσει σε αυτήν τη συχνά παραβλεπόμενη συσκευή την εκτίμηση που της αξίζει.

Δρ. Sebastian Eberle, προϊστάμενος του τμήματος ανάπτυξης τεχνολογίας περιβαλλοντικών αισθητηρίων

Yoram Mottas, μηχανικός συστημάτων για την ανάπτυξη αισθητηρίων