Про додаткові можливості у вимірюванні температури

розміщено в: Колонки | 0

Ми постійно маємо низку різноманітних задач з тестування технічних можливостей наших пристроїв, їх спроможності до інтеграції та сумісності. Як це і буває, під час виконання одних задач, поміж основних результатів отримуємо зовсім інші, не менш корисні результуючі дані у суміжних сферах, якими варто поділитися. Сьогодні у дописі йдеться про нові можливості і підходи у побутовому вимірюванні температури за допомогою технологічних переваг, що надає Інтернет речей. Коли у даному контексті лунає «перевага Інтернету речей», йдеться про такі нові властивості, яких не було у звичайних побутових пристроях, як-от: накопичення статистики, перегляд графіків, збільшення кількості точок одночасного спостереження, побудова інформаційних перерізів, передача інформації у інтернет, фіксація подій і можливість аналізу першопричин користувачем у журналах, порівняльний аналіз впливу одних процесів на інші, тощо.

Здавалося б, що нового може бути у використанні термометра вдома? Подивились і побігли далі у справах – цифрова нудьга якась. Ну що від того корисного, що зараз у кімнаті 19,34®С? Про це я і так приблизно знаю! Споглядаючи цифру, можу звернути увагу лише на те, що вчора було холодніше чи тепліше у цей самий час, але це тільки якщо я вчора теж подивився на термометр.

Примітка. Запам’ятаємо, що це теж неабияка людська проблема, яку поволі розвитку дедалі краще вирішують інтернет речей і хмарні технології – людям притаманно забувати вчасно виконувати всілякі задачі: глянути, записати, включити чи вимкнути. На термометр неможливо подивитися вчора чи на минулих вихідних. Також неможливо слідкувати за термометром весь час. Але цей допис не про це, тому просто приймаємо до уваги, що накопичення статистики з можливістю ретроспективного аналізу саме по собі вже є вагомою перевагою розумних пристроїв.

От коли ми хоча б трохи звертаємо увагу на термометр у кімнаті, так це у періоди сильних холодів чи спеки, решту ж часу ці пристрої припадають пилом і марно розряджають свої батареї.

І навіть якщо у користувача вже є розумний термометр, що приєднаний до інтернет та збирає статистику і передає у хмару, все одно це лише самотня лінія з вимірювань, що нескінченно тягнеться у часі з одного боку екрану до іншого. Наприклад так, як на рисунку.

А і дійсно, щоб робити висновки чи приймати рішення потрібно мати можливість не лише вимірювати величини у часі, а і порівнювати отриману інформацію з кількох синхронізованих джерел. Наприклад, це можуть бути дані з інших сенсорів, що працюють паралельно з нашим сенсором-термометром, навіть якщо це ще один такий самий сенсор.

Термометри

Більшість побутових термометрів продається з одним вбудованим сенсором для внутрішнього вимірювання і одним зовнішнім ( вуличним) сенсором. Такими пристроями забито всі магазини і оселі споживачів. Вбудований у корпус пристрою сенсор вимірює температуру у кімнаті, а другий, зовнішній сенсор на дроті зазвичай встановлюється за вікно. Тож маємо термометр з двома сенсорами – джерелами синхронізованої у часі інформації. Синхронізованої, бо поточні зовнішню і внутрішню температури ми спостерігаємо одночасно на дисплеї термометра, на момент спостереження.

Я вже досить давно думаю про те, що схема застосування одного сенсора є не дуже вірною – якщо дує вітер, світить Сонце чи є велике відхилення вологості, то температура вимірюється з величезною похибкою.

Я вважаю, що краще застосовувати кілька сенсорів для вимірювання одного прикладного показника на кожну точку вимірювання. Та і архітектура розумних пристроїв інтернету речей цього не обмежує, а навпаки – всебічно враховує і забезпечує.

Наприклад, розумний вуличний термометр міг би виглядати так: (1) сенсор навмисне відкритий до прямих сонячних променів, (2) сенсор відкритий до дії вітру, (3) «затишний» сенсор, у корпусі що захищає від впливу сонця та вітру.

У такому разі, програмне забезпечення проводить обчислення даних і надає користувачеві один основний, інтегральний показник температури та декілька допоміжних показників, що дають змогу краще оцінити користувацький зміст отриманої інформації.

 

Компенсація та фільтрування даних

Для компенсації означених вище зовнішніх впливів на сенсори, у світі впроваджено силу-силенну всіляких рішень. Це і багато-сенсорні системи вимірювання температури за бортом у автомобілях, що зрівноважують один одного під час руху автомобіля. Це і відоме всім «відчувається як» (“feels like”) у додатках – формула що приводить температуру повітря до «реального» відчуття цієї температури людиною під впливом вологості та вітру. У США застосовують ще одне, аналогічне “feels like” поняття – “Apparent Temperature” чи “Heat index”. Є також “Wind-Chill factor” – чинник впливу вітру на людину за певної температури. У метеорології температурні (та інші) дані обов’язково збираються на спеціально обладнаних майданчиках за єдиними правилами, щоб метеорологи будь-звідки змогли з ними працювати. У мікропроцесорній техніці теж розроблено декілька механізмів зниження «шуму» і підвищення якості вимірювань: всілякі «oversampling»-вимірювання та фільтри. Але так чи інакше все згодом зводиться до математичної обробки, чутливості і нечутливості, кількості вимірювань, тощо.

Виробництво побутових термометрів

Попередні рядки цього допису свідчить про те, що температуру краще вимірювати у декількох точках однієї локації, а вже потім робити обробку первинних даних і відповідні висновки.

Але чомусь виробники не пропонують таких побутових рішень. Не пояснюють споживачу всіх тонкощів і не кладуть зразу у комплект декілька сенсорів. У найкращому разі додаткові термометри пропонуються як вельми коштовна опція. Такий стан справ виховав у споживача спрощене відношення до вимірювання температури на кшталт «вітальня це ж не атомна електростанція, – навіщо мені декілька сенсорів вимірювання».

Конвекція

Для того, щоб перевірити тезу «про декілька сенсорів» потрібно проводити грунтовні дослідження. Навіть для того, щоб продемонструвати самим собі, як споживачу, хоча б якісь ефекти у цій площині, потрібно будувати вимірювальний стенд і на це немає часу. Але під час навантажувального тестування послідовної шини передачі даних з багатьма сенсорами нам видалася така нагода. З мінімальними змінами у нашому обладнанні ми змогли провести додаткові практичні вимірювання, якими я далі по тексту і ділюся з читачами.

Оскільки допис про температуру, то і експеримент ми зосередили довкола процесів передачі теплової енергії, а саме конвекції.

Всі знають що таке конвекція – тепле повітря до гори, холодне до підлоги – знають, але не застосовують у повсякденному житті. Спробуємо це змінити на краще.

Чи відомо вам на скільки градусів може відрізнятися температура біля підлоги від температури під стелею? А у період опалення? А у спекотні літні дні? – я про це нічого не знав, та і навіщо мені було знати, бо як це допоможе, чи бодай вплине на мою оселю і родину? До як ми провели експеримент, я не міг повірити, що ці температури у кімнаті можуть бути настільки різними.

Прикладний експеримент

Розглянемо конвекцію на прикладі результатів тестування сенсорів під час експлуатації каміна у якості котла опалення, що приєднано у мережу будинку через теплообмінник. Коротше кажучи, коли камін горить – гріються батареї опалювального контру (газовий котел взагалі вимкнено і він не впливає на результати тесту). Наводжу спрощену схему на рисунку.

Єдине, що сильно впливає у даному випадку на виміри, це пряме інфрачервоне випромінення каміна та розташування сенсорів. Але оскільки цей тест ми проводили без будь-якого плану чи окресленої мети, і враховуючи, що у нас тут не дослідний інститут, то для демонстрації можливостей інтернету речей та ефектів конвекції у побуті, цей вплив ми не враховуємо.

 День перший

На графіку видно, як змінювалася температура на сенсорі Т1 (розташований на відстані близько 4 метрів від каміну, 1 метра від вікна з батареєю опалення, та на висоті 1 метр над підлогою).

У день, коли відбувалось тестування, на вулиці була температура у діапазоні [+2 , +5] градусів. Коли камін запалили, на Т1 було 17,5 градуси. Пікове значення температури Т1 за добовий цикл опалення сягнуло 21,5 градуси.

Але саме цікаве не те, яка температура була на Т1, а те, яка була у цей самий час температура на сенсорі Т2. Сенсор Т2 розташовано аналогічно Т1, але під стелею, на висоті близько трьох метрів над підлогою. На наступному графіку можливо подивитись і порівняти, як відрізняються вимірювання Т2 відносно Т1.

Червоні позначки з цифрами на деяких графіках – це підкидання у камін дров. 1 – перше відро, 2 – друге, 3 – третє, 4 – ½ четвертого, 5 – ½ четвертого відра.

Як бачимо, сенсор Т2 показує абсолютно інші дані, зберігаючи той самий характер кривої температури. Дивлячись на графік Т2 неможливо повірити, що під стелею така висока температура!  У таблиці наводжу порівняльні дані за декількома точками.

У пікові моменти різниця температур Т2-Т1 майже досягає 16 градусів, а середнє значення з двох сенсорів 29 градусів. От таке цікаве явище – конвекція: під стелею кімнати утворився прошарок з гарячого повітря, що гріє дах, або верхній поверх, якщо він є у будинку. Нижче наводжу ще кілька графіків, побудованих на одну вісь часу, щоб можна було краще розглянути зафіксовані явища.

На цьому можна було би завершувати розповідь, але ми пішли далі і наступного дня провели ще один експеримент.

День другий

Для того, щоб розширити своє розуміння конвекції та спробувати її застосувати на практиці, ми нашвидкуруч організували примусову конвекцію, спорудивши вентилятор. Оскільки розташувати вентилятор біля стелі ми не змогли, поставили його біля підлоги так, щоб той нагнітав повітря зверху вниз. Що у нас вийшло покажуть графіки. А від себе додам лише, що у кімнаті через деякий час стало настільки незвично жарко, що неможливо було довго там знаходитись. Для мене це є сигналом, що наш конвектор запрацював навіть без всіляких додаткових елементів.

На графіку видно, що цього дня ми закинули у топку лише три відра дров і це тому, що у кімнаті була надзвичайно спекотна температура.

Також можна подумати, що третій пік на графіку було викликано більшою кількістю дров, або ці дрова були дуже енергетичними. Може так і є, але я гадаю, що цей пік свідчить про перехід системи, умовно кажучи, у «резонанс», коли вже жарке повітря стає ще жаркішим. Цей ефект потрібно перевіряти окремо. Якщо це кому цікаво – вони перевірять і нам розкажуть.

Нижче на графіку можна порівняти два дні експерименту, тобто з конвекцією поволі та із зворотнім примусовим зв’язком конвекції за допомогою вентилятора.

З останнього графіку бачимо, що температура помітно знизилася під стелею та зросла біля підлоги. Також маємо змогу подивитися чим відрізняються середні значення температур у кімнаті з використанням вентилятора та без.

Для мене це означає, що потрібно купувати у кімнату люстру з вентилятором і встановлювати у нас на об’єкті. Тим більше, що такий вентилятор для стелі буде ефективно використовуватись не лише влітку, а і у період опалення. Ще одним похідним висновком з цього досліду, вважаю інформацію про конвективне нагрівання верхнього поверху – якщо у вас його немає, то мабуть не варто гріти сусідові підлогу чи собі дах.

У завершення публікації хочу вам нагадати, що такі експерименти стали доступнішими кожному з нас. Будь-хто та за мізерні кошти може обладнати свій будинок необхідними розумними пристроями, що зроблять життя зрозумілішим. Хтось буде цим бавитись, як черговою іграшкою, а хтось зможе суттєво скоротити свої витрати без втрат для комфорту родини.

Бажаю вам вдалої конвекції і купу корисних розумних пристроїв.

Автор: Oleksii Yanko (публікується з дозволу автора)