Dr. Sebastian Eberle, Leiter der Entwicklung Umweltsensortechnik, und Yoram Mottas, Systemingenieur für Sensorentwicklung bei Belimo, sprachen über die Herausforderungen im Zusammenhang mit dieser Applikation und beschreiben, wie das Unternehmen diese Probleme mit innovativen Lösungen angeht, um schnelle und genaue Raumsensoren bereitzustellen.
Schwierige Arbeitsbedingungen
Der Mensch fühlt sich nur bei bestimmten Umgebungsbedingungen wohl. Es darf weder zu heiss noch zu kalt sein – erstaunlicherweise können viele Menschen Temperaturschwankungen von ±0.5°C fühlen –, und die relative Feuchte muss genau stimmen (Abbildung 1). Das stellt für HLK-Systeme eine enorme Herausforderung dar. Die meisten hochleistungsfähigen Sensorelemente bieten eine Präzision von ±0.2°C. So verbleibt für die Entwicklung eines Raumsensors, der komfortrelevante Anforderungen erfüllt und den branchenüblichen Standards entspricht, eine Fehlerspanne von lediglich ±0.3°C.
So genaue Temperaturmessungen sind an sich schon ein schwieriges Unterfangen. Erschwerend kommen externe Faktoren hinzu, die sich auf die gemessenen Temperaturwerte auswirken können, z. B. Luftströmung, Feuchte, Wärmequellen und die unterschiedlichen Spannungen an verschiedenen Orten auf der Welt. Ausserdem muss der Messwert die Temperatur in der Mitte eines Raums wiedergeben, das Gerät ist jedoch an einer Wand montiert. Dies führt zu weiteren Komplikationen, da die Sensorhersteller nur beschränkt beeinflussen können, wie der Sensor installiert wird. Das Gerät muss also so konstruiert sein, dass dieser zusätzliche Parameter die Messwerte nicht beeinflusst.
Prüfen und kompensieren
Zu verstehen, welcher Mechanismus bei der Wärmeübertragung – Leitung, Konvektion oder Strahlung – für ein bestimmtes Phänomen verantwortlich ist, kann Konstrukteure in die richtige Richtung lenken. Bei dieser Art von Prüfung müssen die Umgebungsparameter genau geregelt werden, wobei ein Aufbau wie in Abbildung 2 zur Anwendung kommt.
Die Prüfkammer, in der sich der Raumsensor befindet, wird mit einer konstanten laminaren, zwischen 0.05 m/s und 0.3 m/s präzise regelbaren Luftströmung versorgt. Dadurch wird eine Innenraumumgebung simuliert. Diese Einheit wird dann in ein wärmeisoliertes Gehäuse gesetzt, das die Temperatur mit einer Genauigkeit von 0.1°C regeln kann. Da die Luftströmung im Innern des Gehäuses viel stärker ist als diejenige in der Prüfkammer, lässt sich die gewünschte Temperatur sehr schnell erreichen (oder ändern). Mit diesem Aufbau können auch Parameter wie Feuchte und Netzspannung geregelt werden. Es steht damit ein leistungsfähiges Werkzeug zur Verfügung, mit dem sich ein detailliertes Kalibrierungsprofil erstellen und im Einzelnen bewerten lässt, welchen Beitrag die verschiedenen Mechanismen des Wärmeaustauschs leisten.
Umsichtige Konstruktion
Die mithilfe des Prüfstands gewonnenen umfangreichen Daten können nun in die Konstruktion des Sensors einfliessen. So können die Leistung verbessert sowie der Einfluss durch Strahlung und Selbsterwärmung minimiert werden. Zum Beispiel hat die Prüfung gezeigt, dass durch eine optimierte Gestaltung der Nachströmöffnung im Gehäuse die Verbindung zwischen dem Fühlerelement und der tatsächlichen Raumtemperatur verbessert werden kann. Dies lässt sich durch Änderung der Form und der Position der Luftströmungskanäle innerhalb des Geräts weiter optimieren.
Ein weiterer wichtiger Punkt, den es bei der Konstruktion von Rausensoren zu berücksichtigen gilt: Die Messungen sollten nicht durch die Wärme beeinflusst werden, die die elektronischen Komponenten im Gerät selbst erzeugen. Um dies zu vermeiden, benötigt man Strategien zur Isolierung des Sensorelements, ohne das Gesamt-Design zu beeinträchtigen. Eine Möglichkeit, wie sich das umsetzen lässt, ist in der Heatmap in Abbildung 3 dargestellt.
Die Leiterplatte des Sensors besteht aus zwei physikalisch getrennten Bereichen, die durch dünne Träger verbunden sind. Der untere Teil enthält das Sensorelement, der obere Teil die elektronischen Komponenten wie etwa den Mikrocontroller und die Stromquelle, die im Normalbetrieb Wärme erzeugen. Wie in Abbildung 3 dargestellt, wird dieser Bereich der Leiterplatte viel wärmer als der Teil mit dem Sensorelement. Die Wärme kann hier dank der physikalischen Trennung, der kleinen Träger und der Tatsache, dass die Kupferschichten zur Erdung der beiden Schaltkreise nicht miteinander verbunden sind, nicht via Wärmeleitung auf das Sensorelement einwirken. Da Kupfer ein sehr effizienter Wärmeleiter ist, lässt sich mit diesem Detail die Selbsterwärmung erheblich reduzieren.
Auch wenn man in der Konstruktionsphase auf viele Probleme eingehen kann, gibt es noch immer externe Faktoren, die nicht im Einflussbereich des Herstellers liegen, z. B. Luftströmung, Feuchte, unterschiedliche Wärmequellen und unterschiedliche Arten der Spannungsversorgung. Letzteres Problem zum Beispiel lässt sich durch eine interne Echtzeitmessung und einen Kompensationsalgorithmus in den Griff bekommen. Wenn man jedoch zu stark auf Kompensation setzt, könnte das Gerät unempfindlicher werden und langsamer reagieren.
Zusammenfassung
Raumsensoren haben eine Vielzahl an Anforderungen zu erfüllen: Sie müssen genau, schnell und für den weltweiten Einsatz in vielen verschiedenen Applikationen geeignet sein. Daher erfordert die Konstruktion des Geräts eine umfassende Planung, damit mögliche interne Fehlerquellen ausgeschlossen und gleichzeitig unvermeidliche extern bedingte Schwankungen ausgeglichen werden können. Dieser Artikel behandelt lediglich die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Temperaturmessung. Die Überwachung und Regelung von anderen Parametern, die für den Komfort und die Sicherheit in Innenräumen erforderlich sind, wie Feuchte, CO2-Gehalt, Feinstaub oder flüchtige organische Verbindungen, wurden hier gar nicht angesprochen. Wir hoffen, dass wir aufzeigen konnten, wie komplex die Entwicklung eines leistungsstarken Raumsensors ist, und dass wir einem häufig nur ein Schattendasein fristenden Gerät seine wohlverdiente Anerkennung verschaffen konnten.
