Mange skjulte udfordringer i forbindelse med design af rumsensorer

Her fortæller Dr. Sebastian Eberle, udviklingschef for miljøsensorteknologi, og Yoram Mottas, systemingeniør for sensorudvikling hos Belimo, om de udfordringer, der er forbundet med design af rumsensorer, og hvordan Belimo bruger innovative løsninger til at klare disse udfordringer og levere hurtige og præcise rumfølere.

Krævende arbejdsbetingelser

Mennesker føler sig kun godt tilpas inden for et snævert vindue af klimatiske forhold: Der må hverken være for varmt eller for koldt – mange mennesker kan imponerende nok mærke temperaturændringer på ±0,5 °C – og den relative luftfugtighed skal være lige tilpas (figur 1). Det stiller store krav til HVAC-systemer, og samtidig har de fleste højtydende sensorelementer en præcision på ±0,2 °C, så der er kun en fejlmargin på ±0,3 °C til at konstruere en rumsensor, der opfylder komfortkravene og overholder industristandarderne.

Det er svært at måle temperaturen med en sådan nøjagtighed i sig selv, og det kompliceres yderligere af eksterne faktorer, som kan påvirke temperaturmålingerne, f.eks. luftstrømme, fugtighed, varmekilder og de forskellige spændingsvarianter rundt om i verden. Desuden skal sensorens målte værdi repræsentere temperaturen i midten af rummet, mens sensoren selv er monteret på en væg. Dette giver yderligere komplikationer, da producenterne af sensoren kun har ringe kontrol over, hvor og hvordan den er monteret. Det betyder, at sensoren skal konstrueres på en sådan måde, at denne ekstra parameter ikke påvirker målingerne.

Omhyggelig test og udligning

Forståelse af hvilken varmeoverførselsmekanisme – ledning, konvektion eller stråling – der er ansvarlig for et bestemt fænomen, kan være med til at lede konstruktionsingeniørerne i den rigtige retning. Denne type test kræver en nøjagtig kontrol af miljøparametrene ved hjælp af en opsætning som den, der er vist i figur 2.

Testkammeret med sensoren forsynes med en konstant, laminær luftstrøm, der kan styres præcist fra 0,05 m/s til 0,3 m/s, hvilket efterligner et indendørs miljø. Enheden placeres derefter i et termisk isoleret hus, som kan regulere temperaturen med en nøjagtighed på 0,1 °C. Da luftstrømmen inde i huset er meget højere end i testkammeret, kan den ønskede temperatur nås (eller ændres) meget hurtigt. Denne opsætning giver også mulighed for at kontrollere parametre som f.eks. luftfugtighed og strømforsyningsspænding, hvilket giver et effektivt værktøj til at udarbejde en detaljeret kalibreringsprofil og til separat at vurdere de enkelte bidrag fra hver enkelt varmevekslingsmekanisme.

Kvalificeret design

De omfattende data, der indsamles ved hjælp af testanlægget, kan anvendes i sensorens design for at maksimere dens ydeevne, reducere strålingens indflydelse og eliminere selvopvarmning. Afprøvningen viste f.eks., at en optimering af udformningen af luftventilerne i huset kan forbedre koblingen mellem følerelementet og den faktiske temperatur i rummet. Dette kan optimeres yderligere ved at ændre formen og placeringen af luftstrømningskanalerne i sensoren.

En anden vigtig overvejelse ved konstruktionen af rumtemperaturfølerne er, at målingerne ikke skal påvirkes af den varme, der genereres af de elektroniske komponenter i selve anordningen. Dette kræver strategier til at isolere følerelementet uden at påvirke formfaktoren i det samlede design. 

Sensorens printkort består af to fysisk adskilte sektioner, der er forbundet med tynde bærestykker. Den ene del indeholder følerelementet, mens den anden del indeholder elektroniske komponenter – f.eks. mikrocontroller og strømkilde – som genererer varme under normal drift. Som det kan ses, bliver dette område af printkortet meget varmere end den del, der indeholder følerelementet. Varmen forhindres i at påvirke følerelementet takket være den fysiske adskillelse, de små understøtninger og det faktum, at kobberjordplanerne i de to kredsløb ikke er forbundet. Da kobber er en meget effektiv varmeleder, kan den detalje reducere selvopvarmningsvirkningerne betydeligt.

Selv om mange problemer kan løses i konstruktionsfasen, er der stadig eksterne faktorer, som ligger uden for producentens kontrol – f.eks. luftstrøm, luftfugtighed, forskellige varmekilder og varierende strømforsyninger. Sidstnævnte kan f.eks. håndteres ved hjælp af en intern realtidsmåling og en kompensationsalgoritme. Men hvis man i for høj grad er for afhængig af kompensation, kan det gøre en enhed langsom i at reagere og mindre følsom.

Resume

Der er mange krav til rumsensorer; de skal være nøjagtige, hurtige og egnede til brug over hele verden og i et væld af applikationer. Det kræver grundig planlægning ved konstruktion af enheden for at eliminere potentielle interne fejlkilder, samtidig med at der kompenseres for uundgåelige eksterne fluktuationer. Denne artikel har kun behandlet vanskelighederne i forbindelse med temperaturmålinger og har ikke engang berørt overvågning og styring af andre parametre, der er nødvendige for at sikre komfort og sikkerhed i indendørs rum, f.eks. luftfugtighed, CO2-niveauer, partikler eller flygtige organiske forbindelser. Forhåbentlig har dette været med til at fremhæve kompleksiteten ved at skabe en højtydende rumtemperatursensor og vil give denne ofte oversete anordning en velfortjent anerkendelse.

Dr. Sebastian Eberle, Head of Development Environmental Sensing Technology
Yoram Mottas, Systems Engineer for Sensor Development, Belimo