Embedded-Systeme & Mikrocontroller Automation intelligent steuern

Um die Energiekosten zu senken und den klimatischen Fußabdruck zu verbessern, finden sich in immer mehr Gebäuden Automationssysteme. Wichtiger Bestandteil dieses zunehmenden Trends ist die Forderung nach Steuerung der HKL-Systeme (Heizung, Klimatisierung und Lüftung) aus Gründen der Effizienz und besseren Luftqualität. Automation und intelligente Steuerungen zum Abschalten von Systemen in nicht genutzten Umgebungen erlauben erhebliche Einsparungen. Innovative Anwesenheitserkennungstechnologien in Kombination mit Temperatur- und Luftströmungsmessung ergeben dabei eine vollständige Lösung zum Management dieser Forderungen für die Bereiche HKL und Beleuchtung. Sie gewährleistet deren Bereitstellung bei Bedarf und reduziert bzw. macht Schluss mit der Stromverschwendung an nicht genutzten Orten. Neueste Sensoren sind so raffiniert und hochentwickelt, dass sie sich auch in einer ganzen Reihe sekundärer Anwendungen einsetzen lassen, die vom Aufspüren von Eindringlingen bis zum Abstellen falscher Aufzugsanforderungen reichen.Diese neuen Sensoren basieren auf Infrarot(IR)-Technologien und Temperaturmessung. Sie können daher bewegungslose Wärme aussendende Objekte ebenso erkennen wie bewegte - ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen PIR-Detektoren. Sie können die gesamte Raumtemperatur ebenso ermitteln wie die Temperatur bestimmter Bereiche, in denen sie installiert sind. Man stelle sich beispielsweise einen Empfangsbereich vor, in dem die Temperatur des Wartebereichs überwacht und auf einem dem Besucher angenehmen Niveau gehalten wird, während die Temperatur am Ausgang absichtlich niedrig gehalten wird, um die Wärmeabstrahlung durch die Tür zu reduzieren.Herkömmliche PIR-Detektoren nutzen den pyroelektrischen Effekt zur Erkennung von Menschen und Tieren in ihrem Sichtfeld. Hierbei handelt es sich um eine vorübergehende Änderung der Struktur eines Materials als Folge von Erwärmung oder Kühlung. Das Detektionsschaltschema hängt also ab von der Messung eines Unterschieds im Wärmemuster. Ein PIR erkennt nur Bewegung, nicht Präsenz. Neue Thermosensoren auf der Basis mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) haben diesen Nachteil nicht. MEMS-Thermosensoren, im Grunde Arrays im Nanomaßstab von Thermoelementen, messen die Ist-Temperatur der Quelle anstelle eines Differenzwertes und sind so in der Lage, Menschen in einem Raum zu erkennen, ohne dass diese sich bewegen müssen. In einem typischen Gebäudeautomationssystem können solche Sensoren diesem auch primäre Eingangsdaten liefern, indem sie analoge oder digitale Signale direkt an den Controller übermitteln.

Akkuratere Positionserkennung

MEMS-Sensoren wie Omrons Modell D6T messen die Temperaturen im gesamten Sichtfeld, im Gegensatz zu herkömmlichen Thermosensoren, die auf Einzelpunktmessungen beschränkt sind. Der als Array konfigurierte Sensor (derzeit in 1x8- und 4x4-Anordnung erhältlich) kann die Temperaturinformation einer bestimmten Zelle zuordnen, und so ihrem Temperaturwert eine Position zuordnen. Dies erhöht die Genauigkeit, verringert Übersprechen und erweitert das Sichtfeld. Mehrere Sensoren in einem Raum multiplizieren diese Vorteile: Mit einem Quad-4x4-Array-Sensormodul lässt sich eine höhere Auflösung oder breitere Flächendeckung erzielen, etwa die Positionserkennung einer Person innerhalb eines Quadratmeters in einem 16 Quadratmeter großen Bereich.Die Technologie hinter diesen Thermosensoren kombiniert eine MEMS-basierte Mikrospiegelstruktur für die effiziente Erkennung von Infrarotstrahlung mit einer leistungsstarken Siliziumlinse, um die IR-Strahlen auf die Thermoelemente zu richten. Proprietäre ASICs nehmen dann die notwendigen Berechnungen vor und wandeln die Sensorsignale in passende digitale Ausgänge um. Da alle Komponenten In-house entwickelt und in Omrons eigenen MEMS-Produktionsstätten hergestellt werden, ist das Resultat ist eine hohe ±0,14-°C-Genauigkeit mit einer exzellenten Störfestigkeit (gemessen als rauschäquivalente Temperaturdifferenz) von 140 mK. Größere 16x16-MEMS-Sensor-Arrays für eine noch feinfühligere Steuerung befinden sich derzeit in der Entwicklung. Mit noch besserer Abdeckung und Auflösung lassen sich Ausgabedaten übermitteln, die zwischen stehenden und sitzenden Personen im Sichtfeld unterscheiden. Das System könnte auch Hotspots identifizieren und Brandgefahr oder Maschinendefekte wie einen überhitzten Motor anzeigen.

Ausweitung auf Strömungsmessung

Eine simple Variante dieser Technologie wurde zur Entwicklung von Luftströmungssensoren verwendet, die genauer sind als herkömmliche Geräte und auch bei viel schwächeren Luftströmen funktionieren. Durch Hinzufügen eines Mikrominiatur-Heizelements zwischen zwei Thermoelementen misst der Sensor die Strömung als Veränderung des resultierenden Hotspots. Der Temperaturunterschied zwischen den beiden Thermosäulen verhält sich direkt proportional zum Massendurchfluss über den Sensorchip. Durch solch akkurate Aufrechterhaltung des Drucks können OEMs die Leistung ihrer HKL-Systeme maximieren, vor allem von VAV-Systemen (variable air volume) für variable Luftvolumina wo die Luftklappe den Luftstrom in Kanälen reguliert und so eine geräuschlose und effiziente Steuerung ermöglicht. Dieses Prinzip verkörpern Komponenten wie der Omron D6F-PH, die genauer messen als herkömmliche Differenzdrucksensoren - vor allem bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten. Mit dem Standardsortiment lassen sich Luftströme von 0 bis über 200 Liter pro Minute messen. Das kompakte Sensorelement misst den Massendurchfluss direkt, wobei die meisten Modelle zur Luftmessung durch ein einzigartiges Staubabscheidungssystem geschützt sind, um einem langfristigen Leistungsabfall in verschmutzten Umgebungen entgegenzuwirken. Zur weiteren Verbesserung der Luftqualität lassen sich diese Bauteile auch zum Erkennen verstopfter Filter in Lüftungs- und Klimaanlagen verwenden, deren Zuverlässigkeit und Effizienz sie erhöhen. Omron bietet voll kalibrierte und temperaturkompensierte Sensoren zur Strömungsmessung einer ganzen Reihe nicht-korrosiver Gase wie Naturgas, Propan, Sauerstoff, Lachgas und Luft. Durch punktgenaue Präzision und eindeutige Erkennung eignen sich die Sensoren auch für ganz neue Anwendungen. Ein Beispiel sind CCTV-Kameras zum Aufspüren der Anwesenheit von Personen an Orten, die unbesetzt oder leerstehend sein sollten. CCTV-Kameras könnten auch konfiguriert werden, um Menschen vor einem Lifteingang und ihre Bewegungen zu erkennen. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von IR-Sensoren, um eine Liftanforderung abzubrechen, wenn betreffende Personen weggehen. Vor allem in stark frequentierten Büros, Parkplätzen und Ladengeschäften kann der Stromverbrauch durch nicht genutzte Aufzugsfahrten beträchtlich sein. Ob Heizung, Lüftung, Aufzüge oder Beleuchtungsanwendungen - die neuen Bauteile verhelfen OEMs dazu, dass sich ihre Produkte effizienter steuern lassen und so Kosten, Platzbedarf und Stromverbrauch deutlich senken.