Proiectarea senzorilor de cameră

Oamenii se simt confortabil doar într-un interval ambiental îngust. Nu poate fi prea cald sau prea rece – un număr incredibil de persoane pot distinge modificări de temperatură de ±0,5 °C – și umiditatea relativă trebuie să fie cea corectă (Figura 1). Aceasta pune o presiune enormă asupra sistemelor HVAC și, cu elementele de senzor cu performanță maximă, ce oferă o precizie de ±0,2 °C, rămâne doar o marjă de eroare de doar ±0,3 °C pentru proiectarea unui dispozitiv cu senzor de cameră care să poată îndeplini cerințele de confort și care să fie conform cu standardele industriale.

Înțelegerea care mecanism de transfer al căldurii – conducția, convecția și radiația – este responsabil pentru un anumit fenomen poate ajuta la ghidarea inginerilor proiectanți în direcția cea bună. Acest tip de testare necesită controlul precis al parametrilor ambientali, folosind o configurare ca cea prezentată în Figura 2.

Măsurarea temperaturii cu o așa precizie este dificilă de la sine, însă este complicată în continuare de factorii externi care pot afecta rezultatele de măsurare a temperaturii, cum ar fi debitul de aer, umiditatea, sursele de căldură și variațiile de tensiune electrică din întreaga lume. În plus, valoarea măsurată trebuie să reprezinte temperatura zonei centrale a unei camere, în timp ce senzorul este montat pe un perete. Aceasta atrage după sine mai multe complicații, deoarece producătorii senzorului au un control redus asupra condițiilor de instalare, ceea ce înseamnă că dispozitivul trebuie să fie proiectat într-un mod în care acest parametru suplimentar să nu afecteze rezultatele măsurării.

Camera de testare care include senzorul este furnizată cu un debit de aer laminar, constant, care poate fi controlat cu precizie de la 0,05 m/s până la 0,3 m/s, mimând un mediu la interior. Această unitate este apoi poziționată într-o carcasă izolată termic, care este în măsură să regleze temperatura cu o precizie de 0,1 °C. De vreme de debitul de aer din interiorul carcasei este mult mai mare decât cel din interiorul camerei de testare, temperatura dorită poate fi atinsă (sau modificată) foarte rapid. Această configurarea oferă, de asemenea, controlul parametrilor, cum ar fi umiditatea și tensiunea de alimentare, oferind un instrument puternic pentru a crea un profil de calibrare detaliat și pentru a evalua în mod separat contribuțiile individuale ale fiecărui mecanism de schimb de căldură.

Volumul vast de date colectate, folosind un dispozitiv de testare, poate fi alimentat în construcția senzorului pentru a-i maximiza performanța, reducând influența radiațiilor și eliminând autoîncălzirea. De exemplu, testarea a demonstrat faptul că optimizarea construcției grilelor de ventilație din carcasă poate spori cuplarea dintre elementul de detectare și temperatura actuală a camerei. Aceasta poate fi optimizată în continuare prin modificarea formei și poziției canalelor debitului de aer din cadrul dispozitivului.

Un alt considerent important în momentul proiectării senzorilor de temperatură de cameră este acela că măsurătorile ar trebui să fie neafectate de căldura generată de componentele electronice din interiorul dispozitivului în sine. Aceasta necesită strategii pentru a izola elementul senzorului fără a avea impact asupra factorului de formă a construcției generale. O abordare de obținere a acesteia este prezentată în harta căldurii din Figura 3.

Placa de circuite integrate a senzorului (PCB) este formată din două secțiuni separate fizic și conectate prin suporturi subțiri. Partea inferioară conține elementul senzorului, în timp ce partea superioară susține componentele electronice – cum ar fi microcontrolerul și sursa de putere – care generează căldură în timpul funcționării normale. Așa cum se poate vedea, această zonă a plăcii de circuite integrate se încălzește mai mult decât porțiunea care susține elementul senzorului. Se împiedică afectarea elementului senzorului de către căldură prin intermediul conducției datorită separării fizice, micilor suporturi și datorită faptului că suprafețele de cupru ale celor două circuite nu sunt conectate. De vreme ce cuprul este un conductor termic foarte eficient, acest detaliu poate reduce efectele de autoîncălzire în mod semnificativ.

Deși multe probleme pot fi abordate în timpul etapei de proiectare, există încă factori externi care se află în afara sferei de control a producătorului – cum ar fi debitul de aer, umiditatea, diferitele surse de căldură și alimentările cu energie electrică variate. Ultimul factor, de exemplu, este abordat de o măsurare internă în timp real și de un algoritm de compensare. Totuși, dacă se pune accentul prea mult pe compensare, acest fapt poate avea drept rezultat un dispozitiv mai puțin sensibil și care reacționează mai lent.

Există o serie de cerințe atunci când vine vorba de senzorii de cameră; aceștia trebuie să fie preciși, rapizi și adecvați pentru utilizarea la nivel global și pentru o multitudine de aplicații. Acest fapt necesită o planificare elaborată în timpul etapei de proiectare a dispozitivului, pentru a elimina potențiale surse interne de eroare, în timp ce se compensează, de asemenea, fluctuațiile externe inevitabile. Acest articol a abordat numai dificultățile cu privire la măsurările temperaturii și nici măcar nu a tratat monitorizarea și controlarea celorlalți parametri necesari pentru a asigura confortul și siguranța spațiilor interioare, cum ar fi umiditatea, nivelurile de CO₂, particulele în suspensie sau compușii organici volatili. Sperăm că acesta a ajutat la evidențierea aspectelor complexe de creare a unui senzor de temperatură de cameră foarte performant și că va oferi acestui dispozitiv adesea neglijat aprecierea bine-meritată.

Dr Sebastian Eberle, Manager al departamentului Development Environmental Sensing Technology

Yoram Mottas, Inginer de sistem pentru Dezvoltarea senzorilor