理解用于HVAC的新型传感器

我们离窑洞已经很远了。几千年来，建造的房屋和建筑物都有气流、排水、供暖、制冷和照明。然而，这些系统的实施方式已经发生了巨大变化，并且正在再次发生变化。

用于供暖、通风和空调 (HVAC) 监测和控制的较旧的被动和机械技术让位于包含较新的最先进混合信号传感解决方案的数字解决方案。设计工程师可以利用这些来提供更准确的监测和控制，并允许通过物联网 (IoT) 进行远程验证、诊断和监测。

一个改变的世界

封锁和隔离等全球性事件最近将我们的注意力重新集中在供暖、制冷，尤其是气流和空气质量上。较旧的建筑物表明，生物侵扰可以在潮湿、黑暗的地方（如气流管道）大量繁殖。旧的机械控制系统无法准确监控温度、湿度、流速、压力和整个系统的完整性。

尽管机电和模拟传感器已经面世相当长一段时间，但将它们集成到数字控制环境中的能力在标准化方面进展缓慢。设计工程师使用了多种技术来监视、控制和校准，每个工程师都根据自己的约束使用自己喜欢的方法。

例如，一个简单的气流阈值检测器可以是一个挡板开关，它仅检测空气是否在流动（图 1和图 2）。即使气流被慢慢堵塞的过滤器限制，它也会跳闸。在某些时候，过滤器会非常堵塞，挡板开关不会跳闸。到此时，气流系统的功效已经长期受到损害，气流鼓风机承受了压力和应变。

图 1：机电气流验证指示气流何时受限，例如，过滤器堵塞。（来源：贸泽电子）

图 2：数字传感器系统即使在不断变化的环境条件下也能监控系统性能，并在系统故障发生前提醒操作员。（来源：贸泽电子）

另一方面，经过校准的温度和湿度补偿数字气流传感器可以监测降解气流的曲线。这些数字气流传感器可以编程为在气流变得过于狭窄之前提醒建筑主管，并且还可以防止鼓风机电机消耗过多电流和变热，从而延长电机和系统的使用寿命。

例如，Amphenol ELV 模拟和数字压力传感器具有模拟输出、数字串行外设接口 (SPI) 或 I 2 C 串行输出，具有绝对和差分版本，精度为 0.25%，分辨率为 14 位。这些现成的校准设备跨越 0.5psi 到 150psi (3.45kPa-1034kPa) 的范围，并且可以承受高达 245 ° C 的温度。电源工作电压选项包括 3V、3.3V 和 5V，以及 0% 至 95% 相对湿度 (RH) 的非冷凝湿度限制。可以为恶劣环境应用订购保护性聚对二甲苯涂层选件。这些数字压力传感器可以轻松融入您的下一个设计。

串行传感器

在每个传感器和执行器之间运行线束会降低可靠性并增加复杂性，连接越多，可靠性越低。因此，串行传感器系统已成为事实上的标准。RS-485、RS-232、受控区域网络 (CAN) 总线、I 2 C 和 SPI 的使用意味着传感器系统可以完全由几根电线供电和控制。数字控制系统还可以检测串行传感器是否没有响应。这允许控制系统结合保护电路和建筑物的安全机制。

另一个好处是串行传感器可以菊花链。设计工程师不必在电路板上为每个传感器添加连接器和电缆，也不需要为最远的传感器铺设特别长的电缆。

具有 Modbus 的 Amphenol Advanced Sensors Telaire T9501 IP67 RH & T 传感器就是这样一个经过初始化和加固的系列示例（图 3）。这些经过全面校准和温度补偿的传感器系统防水等级达到 IP67 规格，可以通过菊花链连接 Modbus 和 RS-485 信号以简化互连。它们还具有 14 位分辨率和 +/- 2% RH 和 0.5% 温度精度。

图 3：这种坚固且密封的相对湿度和温度传感器可使用串行 Modubus 和 RS485 信号轻松集成到现代 HVAC 系统中，并且经过校准且准确无误。（来源：安费诺）

相反，传感器系统可以充当扩展单个通信收发器的信号中继器（图 3）。为消除公共电缆上的 IR 压降，交流电可沿串行传感器总线传输并在本地整流以为传感器子系统供电。

菊花链式串行总线拓扑可以互连长串传感器模块（图 4）。每个都充当来自端点传感器的中继器（循环返回）以向微控制器返回强信号。交流电源由每个传感器在本地整流，以克服布线中的 IR 损耗。

图 4：菊花链式串行总线拓扑可以互连长串传感器模块。每个都充当来自端点传感器的中继器（循环返回）以向微控制器返回强信号。交流电源由每个传感器在本地整流，以克服布线中的 IR 损耗。（来源：贸泽电子）

请注意，使用这种方法，每个传感器都需要单独处理。I 2 C 传感器每个都有唯一的地址，但 RS-485、RS-232 和 SPI 传感器将需要本地智能。幸运的是，小型、低成本和低功耗的微控制器可以很容易地集成到特定的传感器中，从而为传感器系统增加一个新级别的自测试和诊断功能。

本地和全球访问

工程师明白，需要对建筑物的温度、湿度、照明和气流进行本地访问和控制。甚至多个区域也需要单独控制。以一家可能拥有数十个甚至数百个房间的旅馆为例。每个房间都需要自己的环境控制，因为每个人都有自己的舒适要求。一些老年人可能希望将他们的酒店房间设置为温暖的 27°C，但一般人不想呆在炎热的酒店房间里。

本地访问是必须的，但是全局或远程访问呢？酒店房间很可能不需要全局访问，但本地公用事业可能需要远程访问。来自电力公司的峰值需求负载限制使得需要限制设施的实时总电力消耗以避免支付过高的价格。

在这种情况下，可以控制和排序某些非关键系统，使其不超过阈值或实时用电量。尽管峰值需求负荷在今天并不是一项普遍实施的规定，但它即将到来，尤其是在一个对能源效率和温室气体排放越来越敏感的世界里。

其他因素

安全性以及防止黑客攻击和恶作剧的能力势在必行。无论您是在酒店房间还是在工厂工作，您都不希望受到不必要的访问。

技术数字化的另一个因素是使用智能人工智能系统学习特征和行为的能力。在我们的酒店房间示例中，智能传感器可以检测到房客何时离开房间。可以关闭环境控制并节省大量能源。当住客进入酒店时，射频识别 (RFID) 可以检测并打开环境控制。

例如，还可以通过监控压缩机的冷却剂压力来节省能源。在某个时候，它会变得饱和，持续运行不会使其变冷。尽早关闭它可以节省能源，而且几乎没有任何不利影响。

据了解，人工智能还可以确定哪些服务可以在不影响整体性能的情况下暂时关闭。例如，可以暂时关闭热水器以允许鼓风机打开。开启时，它会消耗大量浪涌电流，超过峰值需求负载限制，但一旦鼓风机运行平稳，电流消耗正常，热水器就可以再次开启。没有明显的服务中断，但节省了能源和金钱。 

结论

随着社会重新将注意力集中在供暖、制冷、气流和空气质量上，为我们的家庭和建筑物增加智能可能会在减少我们的消耗和排放方面发挥重要作用，尤其是在世界人口增加和资源减少的情况下。我们已经看到模拟传感器可用了一段时间，但将它们集成到数字控制环境中也面临着挑战。串行传感器系统为工程师带来了好处。考虑到当前的数字环境和随之而来的要求，这种类型的传感似乎是有意义的。

审核编辑：汤梓红