Rakennusautomaation anturit ja lähettimet

Rakennusautomaatiojärjestelmä voi näyttää tuhansia mittausarvoja: huonelämpötiloja, tuloilman lämpötiloja, kanavapaineita, suhteellista kosteutta, CO₂-pitoisuuksia, suodattimien paine-eroja, ulko-olosuhteita ja monia muita suureita. Käyttöliittymässä nämä arvot näyttävät usein yhtä yksinkertaisilta. Lämpötila voi olla 21,4 °C, CO₂-pitoisuus 812 ppm ja kanavapaine 185 Pa.

Jokaisen arvon taustalla oleva mittaustapa voi kuitenkin olla täysin erilainen. Lämpötila-anturi voi olla pelkkä passiivinen platinavastus, joka on kytketty suoraan säätimen tuloon. CO₂-lähetin taas sisältää optisen mittausjärjestelmän, elektroniikkaa, kompensointia ja signaalinkäsittelyä ennen kuin se lähettää säätimelle 0–10 V -signaalin tai digitaalisen arvon. Paine-erolähetin muuttaa hyvin pienen paine-eron sähköiseksi signaaliksi, kun taas VOC-anturi voi reagoida laajaan joukkoon kaasuja ja muodostaa ilmanlaatuindeksin sen sijaan, että se mittaisi yhtä tiettyä yhdistettä.

Tämän mittausketjun ymmärtäminen on hyödyllistä suunnittelussa, käyttöönotossa ja vianhaussa. Kun BMS-järjestelmän näyttämä arvo on väärä, säädin on vain yksi mahdollinen syy. Virhe voi syntyä anturielementissä, anturin sijoituksessa, lähettimen elektroniikassa, johdotuksessa, valitussa mittausalueessa, analogiatulossa, määritellyssä skaalauksessa, digitaalisen rekisterin tulkinnassa tai yksinkertaisesti siitä, että anturi on ajan myötä ajautunut pois alkuperäisestä mittaustasostaan.

Tässä oppaassa käydään läpi yleisimpien rakennusautomaation antureiden ja lähettimien toimintaperiaatteet, passiivisten resistiivisten antureiden ja aktiivisten lähettimien erot, antureiden ikääntyminen sekä mittausarvon järjestelmällinen vianhaku ilman arvailua.

Tarkista aina käytettävän anturin, lähettimen ja säätimen dokumentaatio ennen laitteen kytkentää, skaalausta, kalibrointia tai vaihtamista. Signaalialueet, käyttöjännitteet, anturikäyrät, kalibrointitoiminnot ja huoltovaatimukset vaihtelevat valmistajien ja mallien välillä.

1. Mikä anturi on rakennusautomaatiossa?

Anturi reagoi johonkin fysikaaliseen suureeseen, kuten lämpötilaan, paineeseen, valoon, kosteuteen tai kaasupitoisuuteen. Mittausperiaate riippuu siitä, mitä mitataan. Platinavastus muuttaa sähköistä resistanssiaan lämpötilan mukaan, NDIR-CO₂-anturi mittaa infrapunavalon absorptiota, kapasitiivisen kosteusanturin sähköiset ominaisuudet muuttuvat kosteusherkän materiaalin sitoman veden vaikutuksesta ja paine-eroanturi muuntaa paine-eron sähköiseksi vasteeksi.

Rakennusautomaation arkikielessä sanaa anturi käytetään usein koko kenttälaitteesta. Seinään asennettu CO₂-anturi voi siis sisältää varsinaisen anturielementin, mikro-ohjaimen, lämpötilakompensoinnin, kalibrointitiedot, analogialähdön ja Modbus-liitännän, mutta koko laitetta kutsutaan silti CO₂-anturiksi. Tämä on täysin normaalia terminologiaa, mutta vianhaussa kannattaa erottaa toisistaan anturielementti ja muu mittausketju.

Lähetin käsittelee yleensä anturielementin tuottaman vasteen ja välittää mittaustuloksen muodossa, jota toinen laite pystyy käyttämään. Rakennusautomaatiossa yleisiä lähtöjä ovat 0–10 V, 2–10 V, 4–20 mA sekä digitaalinen tiedonsiirto, kuten Modbus tai BACnet. Esimerkiksi lämpötilalähettimen sisällä voi olla PT100- tai PT1000-elementti, mutta säädin ei mittaa sen resistanssia suoraan, vaan vastaanottaa standardoidun analogisen signaalin.

Terminologia vaihtelee valmistajittain, joten tuotteen nimi ei yksin kerro, miten laite kytketään sähköisesti. Ratkaisevia lähteitä ovat laitteen kytkentäkaavio ja tekninen dokumentaatio.

2. Passiiviset anturit ja aktiiviset lähettimet

Yksi hyödyllisimmistä rakennusautomaation mittauksiin liittyvistä jaoista on ero passiivisen resistiivisen anturin ja aktiivisen lähettimen välillä.

Passiivinen lämpötila-anturi, kuten PT1000 tai NTC, ei normaalisti laske lämpötilaa itse eikä lähetä säätimelle valmista lämpötila-arvoa. Sen sähköinen resistanssi muuttuu lämpötilan mukana. Säädin mittaa resistanssin ja muuntaa sen lämpötilaksi määritellyn resistanssi-lämpötilakäyrän perusteella.

Huonelämpötila
      ↓
PT1000-elementti
      ↓
Resistanssi ohmeina
      ↓
Säätimen resistanssitulo
      ↓
PT1000-muunnoskäyrä
      ↓
21,0 °C

Aktiivinen lähetin suorittaa suuremman osan mittauksesta kenttälaitteen sisällä. Esimerkiksi painelähetin mittaa paineen sisäisellä anturielementillään, käsittelee ja kompensoi mittauksen ja muuntaa tuloksen sen jälkeen esimerkiksi 0–10 V -lähtösignaaliksi.

Kanavapaine
      ↓
Paineanturi
      ↓
Signaalinkäsittely ja kompensointi
      ↓
0–10 V -lähtö
      ↓
Säätimen analogiatulo
      ↓
Määritelty skaalaus
      ↓
185 Pa

Tämä ero muuttaa vianhakutapaa. Passiivisella anturilla säätimen liittimiltä mitattu resistanssi kertoo usein paljon itse anturista ja johdotuksesta. Aktiivisella lähettimellä esimerkiksi 5,0 V:n mittaaminen kertoo vain, että lähetin tuottaa 5,0 V. Se ei todista, että tämän jännitteen kuvaama fysikaalinen suure olisi oikea.

2.1 Passiivinen ei tarkoita täysin virratonta mittausta

Passiivinen resistanssianturi ei tarvitse erillistä kenttäsyöttöä samalla tavalla kuin 24 V:n lähetin, mutta säätimen on silti pystyttävä mittaamaan sen resistanssi. Resistanssitulo syöttää sisäisesti pienen mittausvirran tai -jännitteen ja määrittää resistanssin sähköisen vasteen perusteella. Mittausvirta pidetään tarkoituksella pienenä, koska liian suuri virta lämmittäisi anturielementtiä ja aiheuttaisi itsekuumenemisvirheen.

Tavanomaisissa rakennusautomaatiosovelluksissa säätimen tulopiiri huolehtii tästä, mutta asia havainnollistaa, miksi resistanssitulo ei ole pelkkä passiivinen jatkuvuusmittaus. Tulon on tuettava nimenomaan käytetyn anturityypin ominaiskäyrää.

3. Resistiiviset lämpötila-anturit

Lämpötila on yksi harvoista rakennusautomaation suureista, joissa yksinkertainen passiivinen anturielementti voidaan usein kytkeä suoraan säätimelle. Yleisiä esimerkkejä ovat PT100, PT1000, NTC10k, muut NTC-termistorit sekä valmistajakohtaiset nikkeli- tai termistorikäyrät.

Oleellinen asia on, että resistanssi ei itsessään ole lämpötila. Säätimen on tiedettävä, mikä anturikäyrä tuloon on kytketty. Jos PT1000 on määritelty NTC-anturiksi tai yhden NTC10k-anturin käyrä toisen NTC10k-anturin käyräksi, säädin voi mitata resistanssin täysin oikein ja näyttää silti väärää lämpötilaa.

Tuntemattoman passiivisen lämpötila-anturin tunnistamisessa voi käyttää lämpötila-anturin tunnistus- ja resistanssimuunnintyökalua, joka vertaa mitattua resistanssia tuettuihin PT100-, PT1000-, Ni1000- ja NTC-käyriin.

3.1 PT100 ja PT1000

PT100 ja PT1000 ovat platinalämpötila-antureita eli RTD-antureita. Niiden resistanssi kasvaa lämpötilan noustessa, joten niiden lämpötilakerroin on positiivinen. PT100-anturin nimellisresistanssi on 100 Ω lämpötilassa 0 °C, kun taas PT1000-anturin nimellisresistanssi on 1000 Ω lämpötilassa 0 °C. Standardoitu resistanssi-lämpötilakäyttäytyminen määritellään IEC 60751 -standardissa.

Normaalien rakennusautomaation lämpötilojen ympärillä PT1000:n resistanssi muuttuu noin 3,85 Ω yhtä celsiusastetta kohti ja PT100:n noin 0,385 Ω yhtä celsiusastetta kohti. Esimerkiksi IEC 60751:n mukainen PT1000 on noin 1078 Ω lämpötilassa 20 °C. Muunnos ei ole koko mittausalueella täydellisen lineaarinen, joten säätimet käyttävät yleensä standardoitua ominaiskäyrää eivätkä pelkkää vakioista kerrointa.

PT1000:n suurempi resistanssi tekee kenttäkaapeloinnin lisäämästä resistanssista pienemmän suhteessa itse anturin resistanssiin. Tämä on yksi syy siihen, miksi PT1000 soveltuu hyvin kaksijohdinmittauksiin rakennusautomaatiossa. Pt100-mittaus on herkempi johtimien resistanssille, minkä vuoksi tarkemmissa teollisissa Pt100-mittauksissa käytetään usein kolmi- tai nelijohdinkytkentää johtimien resistanssin kompensoimiseksi.

3.2 NTC-termistorit

NTC eli Negative Temperature Coefficient -termistori toimii vastakkaiseen suuntaan: sen resistanssi pienenee lämpötilan noustessa. NTC-termistorit ovat puolijohdekomponentteja, ja niiden resistanssin muutos yhtä lämpötila-astetta kohti on selvästi suurempi kuin platina-RTD-antureilla. Resistanssin ja lämpötilan välinen suhde on kuitenkin voimakkaasti epälineaarinen.

Nimi kuten NTC10k tarkoittaa yleensä, että termistorin nimellisresistanssi on 10 kΩ tietyssä vertailulämpötilassa, tavallisesti 25 °C:ssa. Se ei määritä yhtä yleispätevää NTC-käyrää. Kaksi eri NTC10k-anturia voivat molemmat olla noin 10 kΩ lämpötilassa 25 °C, mutta niiden resistanssit voivat poiketa huomattavasti toisistaan esimerkiksi 0 °C:ssa, 10 °C:ssa tai 50 °C:ssa materiaalin ominaisuuksien ja käyräkertoimien vuoksi.

Tämä on tavallinen kenttäongelma. Mittauksessa todetaan huonelämpötilassa noin 10 kΩ, säätimestä valitaan ensimmäinen NTC10k-vaihtoehto ja näytölle tulee uskottava arvo. Virhe voi näkyä vasta ulkolämpötilan muuttuessa tai anturin siirtyessä toiselle osalle mittausaluettaan. Jos anturityyppi ei ole varma, käytä valmistajan dokumentaatiota tai vertaa resistanssia useammassa kuin yhdessä tunnetussa lämpötilassa.

3.3 PT100 vs PT1000 vs NTC käytännössä

On houkuttelevaa kysyä, mikä näistä antureista on yksinkertaisesti “paras”, mutta hyödyllisempi kysymys on, sopiiko anturi käytettävälle säätimen tulolle, vaadittuun tarkkuuteen, kaapelipituuteen, asennusympäristöön ja lämpötila-alueeseen. Rakennusautomaatiossa kaikki kolme voivat toimia erittäin hyvin, kun säädin on määritelty oikealle ominaiskäyrälle.

4. Mitä lähetin oikeastaan lähettää?

Lähetin ottaa mittaustuloksen ja muuntaa sen määriteltyyn lähtömuotoon. Säädin ei välttämättä tiedä lainkaan, miten alkuperäinen fysikaalinen suure on mitattu. Se näkee ainoastaan laitteen ulostulon.

Tarkastellaan esimerkiksi 0–500 Pa:n kanavapaine-erolähetintä, jonka lähtö on 0–10 V. Lähettimen sisällä voi olla MEMS-paineanturi, lämpötilakompensointia, kalibrointikertoimia, analogia-digitaalimuunnos ja mikro-ohjain. BMS-säädin ei näe näistä mitään. Se näkee jännitteen.

0 V  = 0 Pa
5 V  = 250 Pa
10 V = 500 Pa

Jos säädin vastaanottaa 5,0 V ja on skaalattu alueelle 0–500 Pa, se näyttää 250 Pa. Jos joku määrittelee säätimen vahingossa alueelle 0–1000 Pa, sama 5,0 V muuttuu arvoksi 500 Pa. Paineanturi toimii, analogiatulo toimii ja näytetty arvo on silti väärä.

Siksi lähettimen käyttöönotossa on tarkistettava rajapinnan molemmat puolet: mitä lähetin on määritelty lähettämään ja miten säädin on määritelty tulkitsemaan signaali.

5. Yleisimmät lähettimien lähtösignaalit

5.1 0–10 V

0–10 V on erittäin yleinen rakennusautomaation signaali, koska se on yksinkertainen ymmärtää ja helppo mitata yleismittarilla. Lähetin skaalaa mittausalueensa jännitealueelle. Esimerkiksi CO₂-lähetin, jonka mittausalue on 0–2000 ppm, voi käyttää skaalausta:

0 V  = 0 ppm
10 V = 2000 ppm

Jos mitattu signaali on 4,2 V, sitä vastaava arvo on:

4,2 V / 10 V × 2000 ppm = 840 ppm

Nollasta alkavalle tavalliselle 0–10 V -signaalille perusmuunnos on:

Tekninen arvo = Jännite / 10 V × Täysi mittausalue

Todelliset laitteet voivat käyttää esimerkiksi 2–10 V -aluetta tai sallia mittausalueen muuttamisen, joten laitteen dokumentaatio ja lähettimen todelliset asetukset menevät aina yleisen esimerkin edelle.

Jännitesignaali perustuu yhteiseen sähköiseen referenssipotentiaaliin. Virheellinen common-kytkentä, maapotentiaalierot, yhteisissä syöttö- tai common-johtimissa syntyvä jännitehäviö, sähköiset häiriöt tai lähettimen syöttöjännitteen häiriö voivat siksi vaikuttaa mittaukseen. Pitkät kaapelivedot ja sähköisesti häiriöiset ympäristöt vaativat enemmän huomiota kuin lyhyt huoneanturikaapeli siistissä asennuksessa.

Analogiatuloista, yhteisistä referensseistä ja skaalauksesta löytyy lisää I/O-oppaasta: digitaaliset ja analogiset tulot ja lähdöt.

5.2 4–20 mA

4–20 mA -virtaviestissä mittaus esitetään jännitteen sijaan virrana. Esimerkiksi 0–1000 Pa:n painelähetin voi käyttää skaalausta:

4 mA  = 0 Pa
12 mA = 500 Pa
20 mA = 1000 Pa

4–20 mA -signaalin hyödyllinen ominaisuus on elävä nolla. Mittausalueen nolla esitetään 4 mA:lla eikä 0 mA:lla. Oikein suunnitellussa ja valvotussa virtapiirissä lähelle nollaa putoava virta voidaan siten tulkita esimerkiksi katkenneeksi virtapiiriksi, syötön puuttumiseksi tai muuksi viaksi sen sijaan, että se sekoittuisi oikeaan nollamittaukseen. Joissakin teollisuuslähettimissä käytetään lisäksi määriteltyjä ali- ja ylialueen virtatasoja diagnostiikkaan, mutta nämä ovat laitekohtaisia.

Virtaviestit ovat vähemmän suoraan herkkiä kaapelin jännitehäviölle kuin jännitelähdölliset lähettimet, kunhan lähettimellä on edelleen riittävä käyttöjännite tarvittavan silmukkavirran tuottamiseen. Tämän vuoksi niitä käytetään paljon teollisuusinstrumentoinnissa ja myös rakennusautomaatiossa erityisesti paine-, virtaus- ja prosessimittauksissa.

5.3 Digitaalinen tiedonsiirto

Anturi voi lähettää mittausarvon myös digitaalisesti esimerkiksi Modbus RTU:n, Modbus TCP:n tai BACnetin avulla. Tällöin anturin ja säätimen välillä ei ole analogista 0–10 V -skaalausta, mutta mittausketju ei silti katoa. Laitteen sisällä on edelleen anturielementti, kalibrointia, kompensointia ja sisäisiä muunnoksia ennen kuin arvo päätyy rekisteriin tai objektiin.

Digitaalinen tiedonsiirto tuo mukanaan omat määrityskysymyksensä. Säätimessä on oltava oikea rekisteriosoite, tietotyyppi, tavujärjestys, skaalauskerroin ja tekninen yksikkö. Rekisteriarvo 812 voi tarkoittaa suoraan 812 ppm tai esimerkiksi 81,2 ppm, jos dokumentaatiossa on määritelty skaalauskertoimeksi 0,1. Se, että arvo saadaan digitaalisesti, ei takaa, että se myös tulkitaan oikein.

Rekisterien tulkinnasta ja tiedonsiirron vianhausta löytyy lisää Modbus RTU ja TCP -oppaasta.

Digitaalinen ei automaattisesti tarkoita tarkempaa. Digitaalinen anturi voi ilmoittaa 21,37 °C, vaikka mittauksen todellinen tarkkuus olisi paljon huonompi kuin kaksi desimaalia. Näytettyjen numeroiden määrä ei ole sama asia kuin mittaustarkkuus.

6. Sama fysikaalinen suure voidaan tuoda BMS-järjestelmään eri tavoin

Lämpötila on hyvä esimerkki, koska sama huonelämpötila voidaan välittää säätimelle usealla täysin erilaisella sähköisellä tavalla.

Passiivinen PT1000-huoneanturi voi antaa noin:

1078 Ω

Aktiivinen lämpötilalähetin, joka on skaalattu alueelle 0–50 °C, voi antaa:

4,0 V = 20 °C

Digitaalinen huoneanturi voi lähettää:

Modbus-rekisteri = 200
Skaalaus = 0,1 °C
Arvo = 20,0 °C

Kaikki kolme laitetta mittaavat lämpötilaa, mutta säätimen tulot, johdotus ja vianhakumenetelmät ovat erilaiset. Oikea kysymys ei siis ole pelkästään “Mitä tämä anturi mittaa?” vaan myös “Miten tämä laite välittää mittauksen säätimelle?”

7. Lämpötilan mittaus rakennusautomaatiossa

Lämpötila-antureita asennetaan lähes kaikkialle HVAC-järjestelmään: huoneisiin, ulkoseinille, tulo- ja poistoilmakanaviin, lämmitys- ja jäähdytysputkistoihin, käyttövesijärjestelmiin, lämmönsiirtimiin, kattiloihin ja laitekaappeihin. Passiiviset PT1000- ja NTC-anturit ovat yleisiä, koska mittausperiaate on yksinkertainen ja säädin pystyy muuntamaan resistanssin suoraan lämpötilaksi. Aktiivinen lämpötilalähetin on hyödyllinen, kun halutaan standardoitu analogiasignaali, pidemmälle ulottuva instrumentointiratkaisu tai useita mittauksia samassa laitteessa.

Anturielementin toimintaperiaate on vain yksi osa mittausta. Asennus aiheuttaa usein enemmän virhettä kuin itse anturin tarkkuusmäärittely. Suoraan auringonpaisteeseen asennettu seinäanturi, läheisen elektroniikan tai patterin lämmittämä anturi tai kaapeliputken kautta tulevan ilman vaikutukselle altistuva anturi voi mitata enemmän asennusympäristöään kuin edustavaa huonelämpötilaa. Kanava-anturi voi puolestaan antaa teknisesti oikean mutta prosessia huonosti edustavan arvon, jos se on heti lämmityspatterin jälkeen, kerrostuneessa ilmavirrassa tai liian vähän kanavan sisällä.

Putkilämpötilan mittauksessa hyvin asennetun upotusanturin ja huonosti kiinnitetyn pinta-anturin välinen ero voi olla selvästi suurempi kuin kahden hyvän anturielementin välinen ero. Lämmönjohtuminen, eristys, vasteaika ja sijoitus pitää siis huomioida yhdessä sähköisen mittaustarkkuuden kanssa.

8. Suhteellisen kosteuden anturit

Suhteellinen kosteus mitataan tavallisesti elektronisella anturilla eikä yksinkertaisella passiivisella resistanssielementillä, joka olisi kytketty suoraan säätimelle. Kapasitiiviset polymeerikosteusanturit ovat yleisiä: anturirakenteen kapasitanssi muuttuu, kun vesimolekyylit vuorovaikuttavat kosteusherkän materiaalin kanssa. Laitteen elektroniikka muuntaa tämän vasteen suhteelliseksi kosteudeksi, usein lämpötilakompensoituna.

Valmis kenttälaite voi lähettää mittauksen 0–10 V-, 4–20 mA-, Modbus-, BACnet- tai muuna digitaalisena signaalina. Yhdistelmähuoneanturit mittaavat usein samassa kotelossa lämpötilaa, suhteellista kosteutta ja CO₂-pitoisuutta, vaikka jokainen mittaus perustuu laitteen sisällä eri fysikaaliseen mittausperiaatteeseen.

Kosteusmittaus on herkkä ympäristölle. Kemikaalit, haihtuvat yhdisteet, pöly ja muut epäpuhtaudet voivat vaikuttaa kosteusherkkään materiaaliin ja aiheuttaa anturirakenteesta ja altistuksesta riippuen joko väliaikaisia tai pysyviä mittausmuutoksia. Myös pitkäaikainen käyttö erittäin korkeassa kosteudessa voi vaikuttaa joihinkin antureihin. Siksi normaalissa toimistossa hyvin toimivan kosteuslähettimen ei pidä automaattisesti olettaa käyttäytyvän samalla tavalla uimahallissa, teollisuusprosessissa, keittiön poistoilmassa tai kemiallisesti kuormitetussa tilassa.

Kun kosteuden tarkkuudella on merkitystä, mittausta verrataan sopivaan referenssiin vakaissa olosuhteissa. Se, että lähettimen ulostulo vastaa oikein laitteen itsensä näyttämää kosteutta, todistaa vain, että lähtöpiiri ja skaalaus ovat keskenään johdonmukaisia lähettimen oman mittauksen kanssa.

9. CO₂-anturit

Hiilidioksidi eli CO₂ on yksi tärkeimmistä rakennusautomaation ilmanlaatuun liittyvistä mittauksista, koska sitä käytetään laajasti tarpeenmukaiseen ilmanvaihtoon. Tavanomaisissa oleskelutiloissa sisäilman CO₂-pitoisuuteen vaikuttavat voimakkaasti ihmiset ja ilmanvaihto, joten sitä voidaan käyttää ulkoilmavirran tarpeen arviointiin ja säätöön. CO₂:ta ei kuitenkaan pidä tulkita täydelliseksi sisäilman laadun mittariksi, koska rakennusmateriaaleista, puhdistusaineista, ruoanlaitosta, prosesseista ja muista lähteistä tulevat epäpuhtaudet eivät välttämättä seuraa CO₂-pitoisuutta.

Monet rakennusautomaation CO₂-anturit perustuvat ei-dispersiiviseen infrapunamittaukseen eli NDIR-menetelmään. CO₂ absorboi infrapunasäteilyä sille ominaisilla aallonpituuksilla. NDIR-anturi lähettää infrapunavaloa ilmanäytteen sisältävän mittauspolun läpi ja mittaa, kuinka paljon valoa absorboituu kyseisellä aallonpituusalueella. Elektroniikka laskee tämän optisen vasteen perusteella CO₂-pitoisuuden ja kompensoi samalla niitä tekijöitä, jotka anturin rakenteessa on huomioitu.

9.1 Miksi CO₂-anturit voivat ajautua

NDIR-CO₂-lähetin sisältää paljon muutakin kuin passiivisen lämpötilavastuksen. Optinen valonlähde, ilmaisin, mittauskammio, likaantuminen, elektroninen kompensointi ja kalibrointi voivat kaikki vaikuttaa pitkäaikaiseen käyttäytymiseen. Hyvissä anturiratkaisuissa käytetään referenssimittauksia, sisäistä kompensointia ja kalibrointialgoritmeja vakauden ylläpitämiseksi, mutta toteutustapa vaihtelee tuotteiden välillä.

Osa CO₂-antureista käyttää automaattista tausta- tai baseline-korjausta. Yksi tavallinen toimintatapa on seurata pitkän ajan pienintä CO₂-arvoa ja olettaa, että tila palautuu säännöllisesti tunnettuun taustapitoisuuteen. Tämä voi toimia hyvin tiloissa, jotka tyhjenevät säännöllisesti ja tuulettuvat ulkoilmalla. Ongelma syntyy, jos algoritmin oletus ei toteudu, esimerkiksi jatkuvasti käytetyissä tiloissa, joissa CO₂ ei koskaan laske odotettuun taustatasoon. Automaattisen korjauksen todellinen toiminta ja soveltuvuus on siksi tarkistettava anturin dokumentaatiosta eikä pääteltävä pelkästään siitä, että anturi käyttää NDIR-menetelmää.

Toiset CO₂-anturit käyttävät optisia referenssikanavia tai muita menetelmiä valonlähteen ikääntymisen ja likaantumisen kompensointiin ilman oletusta siitä, että huonetilan CO₂ laskisi säännöllisesti tiettyyn taustapitoisuuteen. Tämä havainnollistaa hyvin sitä, miksi kaksi samaa NDIR-periaatetta käyttävää laitetta voivat poiketa merkittävästi pitkäaikaisominaisuuksiltaan.

9.2 CO₂-lähettimen skaalaus

Yleinen analoginen CO₂-lähettimen alue on 0–2000 ppm skaalattuna 0–10 V:iin, mutta käytössä on myös monia muita alueita. Jos lähettimen alue muutetaan 0–2000 ppm:stä 0–5000 ppm:ään eikä säätimen skaalausta päivitetä, BMS-arvo on väärä, vaikka molemmat laitteet toimisivat normaalisti.

Käyttöönotossa lähettimen määritelty mittausalue kannattaa dokumentoida yhdessä BMS-pisteen asetusten kanssa. Jos laitteessa on paikallinen näyttö, vertaa toisiinsa laitteen näyttämää arvoa, raakaa analogiasignaalia ja BMS:n arvoa. Näin mittausvirhe voidaan nopeasti erottaa signaalin skaalausvirheestä.

10. Hiilimonoksidianturit

Hiilimonoksidi eli CO on täysin eri asia kuin CO₂. CO on myrkyllinen kaasu, ja esimerkiksi pysäköintihallien CO-valvonta voi olla osa turvallisuuteen liittyvää ilmanvaihto- tai hälytystoimintoa. Anturin valinta, sijoitus, testaus ja vaihtovaatimukset pitää siksi tehdä projektin vaatimusten, paikallisten määräysten ja valmistajan ohjeiden mukaisesti eikä pelkästään tavallisen mukavuussäädön käytäntöjen perusteella.

Monet CO-ilmaisimet käyttävät sähkökemiallista anturielementtiä. Kaasu pääsee kennoon ja osallistuu sähkökemialliseen reaktioon, joka synnyttää pitoisuuteen liittyvän sähköisen signaalin. Toisin kuin passiivisella platinalämpötila-anturilla, sähkökemiallisella kaasukennolla on rajallinen nimellinen käyttöikä. Sen herkkyys voi muuttua iän ja altistuksen seurauksena, ja valmistaja määrittelee tuotekohtaiset vaihto-, kalibrointi- tai käyttöiän päättymiseen liittyvät vaatimukset. Joidenkin kaupallisten sähkökemiallisten CO-kennojen käyttöikä on määritelty vain muutamaksi vuodeksi, kun taas toisten ilmaisimien huoltovälit voivat olla erilaisia. Siksi yhtä yleispätevää käyttöikää ei pidä soveltaa kaikkiin CO-antureihin.

Sähkökemialliset kaasuanturit voivat jossain määrin reagoida myös muihin kuin varsinaiseen kohdekaasuun. Valmistajat ilmoittavat siksi ristikkäisherkkyyksiä ja ympäristörajoja. Uskottavalta näyttävä ppm-arvo ei yksin todista anturia toimintakuntoiseksi vain siksi, että BMS-trendi näyttää järkevältä.

Turvallisuuteen liittyvässä CO-järjestelmässä asianmukainen toiminnallinen testaus sekä valmistajan käyttöiän päättymiseen liittyvien vaatimusten noudattaminen ovat paljon tärkeämpiä kuin anturin kunnon päätteleminen pelkästä BMS-trendistä.

11. VOC-anturit

VOC tarkoittaa haihtuvia orgaanisia yhdisteitä. Kyseessä on laaja joukko kemiallisia yhdisteitä eikä yksi tietty kaasu. Tämä ero on tärkeä, koska tyypillinen rakennusautomaation VOC-anturi ei toimi samalla tavalla kuin CO₂-anturi, joka mittaa yhtä määriteltyä molekyyliä sille ominaiselta infrapunan absorptioalueelta.

Monet sisäilman laadun VOC-anturit käyttävät lämmitettyä metallioksidipuolijohdetta, josta käytetään lyhenteitä MOS tai MOX. Anturimateriaalin sähköinen resistanssi muuttuu, kun se vuorovaikuttaa pelkistävien tai hapettavien kaasujen kanssa. Anturi voi reagoida moniin eri VOC-yhdisteisiin, ja vasteen voimakkuus riippuu yhdisteestä, pitoisuudesta, kosteudesta, lämpötilasta, anturimateriaalista ja signaalinkäsittelyalgoritmista.

Tästä syystä VOC-lähtöjä on tulkittava huolellisesti. Yksi valmistaja voi tarjota yksiköttömän VOC-indeksin, toinen ekvivalenttipitoisuutena ilmaistun arvon ja kolmas yksinkertaisen ilmanlaatuluokan. Nämä arvot eivät ole automaattisesti keskenään vertailukelpoisia. VOC-anturin näyttämä 500 ei tarkoita samaa kuin 500 ppm CO₂, eikä se välttämättä tarkoita 500 ppm:ää mitään yksittäistä VOC-yhdistettä.

Jotkin nykyaikaiset VOC-algoritmit mukautuvat tarkoituksella viimeaikaiseen taustatasoon ja korostavat sisäilman laadussa tapahtuvia muutoksia. Tämä on hyödyllistä ilmanvaihdon ohjauksessa, koska anturi voi reagoida esimerkiksi puhdistusaineisiin, ruoanlaittoon, ihmisiin tai materiaalipäästöihin. Tulosta pitää kuitenkin ymmärtää ilmanlaatusignaalina eikä yksittäisiä kaasuja tunnistavana laboratoriomittauksena.

VOC, eCO₂ ja mitattu CO₂ eivät ole sama asia. Osa laitteista laskee laajakaistaisen kaasuanturin perusteella niin sanotun “ekvivalentti-CO₂”-arvon. Se on algoritminen arvio eikä sitä pidä käsitellä suorana NDIR-CO₂-mittauksena.

11.1 VOC-anturin ikääntyminen ja likaantuminen

Lämmitetyt metallioksidianturit on suunniteltu pitkäaikaiseen käyttöön, mutta niiden vasteeseen voivat silti vaikuttaa likaantuminen, anturimateriaalia myrkyttävät yhdisteet, lämpötila, kosteus ja anturipinnan pitkäaikaiset muutokset. Tuotekohtaiset algoritmit voivat kompensoida osaa tästä käyttäytymisestä. VOC-mittauksen vianhaussa kannattaa siksi keskittyä kyseisen tuotteen lähtöarvon määritelmään ja odotettuun käyttäytymiseen, ei vain siihen, että anturi tuottaa jonkin numeron.

Jos VOC-arvo vaikuttaa pysyvästi liian korkealta tai matalalta, tarkista laitteen lämpenemis- ja käyttöönottoajat, viimeaikainen altistuminen puhdistuskemikaaleille tai liuottimille, kosteusolosuhteet, ilmanvaihdon käyttörytmi sekä valmistajan kuvaama baseline- tai indeksialgoritmi.

12. Paine- ja paine-eroanturit

Paineen mittaus on keskeinen osa HVAC-säätöä. Rakennusautomaatiossa mitataan yleisesti tulo- ja poistoilmakanavien painetta, huoneiden paine-eroja, suodattimien painehäviöitä, puhaltimien painetta sekä laitteiden yli vaikuttavia paine-eroja. Monet näistä mittauksista ovat vain kymmeniä tai satoja pascaleita, joten asennus ja nollapisteen vakaus ovat tärkeitä.

Paine-erolähettimessä on korkea- ja matalapainepuolen liitännät. Mitattu arvo on niiden erotus:

Δp = p(korkea) - p(matala)

Suodatinmittauksessa toinen paineyhde asennetaan ennen suodatinta ja toinen sen jälkeen. Suodattimen likaantuessa painehäviö yleensä kasvaa. Kanavan staattisen paineen säädössä paineyhteen sijainti ja mittauspiste valitaan sovelluksen mukaan.

12.1 Nollapisteellä on merkitystä

Jos paine-erolähettimen molemmat liitännät ovat samassa vakaassa paineessa, odotettu paine-ero on lähellä nollaa. Jos lähetin näyttää merkittävää poikkeamaa, mahdollisia syitä ovat nollapisteen drift, asennusasento, lämpötilavaikutus, letkuongelmat tai nollakalibroinnin tarve. Joissakin HVAC-painelähettimissä nollaus tehdään manuaalisesti, toisissa automaattisella nollaustoiminnolla.

Asennusasento voi vaikuttaa mittaukseen, koska itse anturielementtiin vaikuttavat painovoima ja mekaaniset jännitykset. Osa valmistajista ohjeistaa tekemään nollauksen nimenomaan silloin, kun anturin asennusasento muuttuu. Siksi painelähetintä ei pidä automaattisesti vaihtaa vain siksi, että se näyttää esimerkiksi 15 Pa letkut irrotettuina. Ensin noudatetaan valmistajan nollausmenettelyä ja asennusohjeita.

12.2 Mittausalueen valinnalla on merkitystä

Todelliseen mittaukseen nähden liian laaja lähetinalue pienentää hyödyllisen signaalin osuutta koko lähtöalueesta. Jos 0–2500 Pa:n lähetin käyttää 0–10 V -lähtöä mutta todellinen kanavapaine vaihtelee vain 0–100 Pa:n välillä, koko hyödyllinen säätöalue käyttää vain 0–0,4 V:n osuuden signaalista. Kohina, analogiatulon mittausvirhe ja pienet offsetit kasvavat tällöin suhteessa hyödylliseen signaaliin.

Valitse alue, joka kattaa turvallisesti odotetut käyttötilanteet mutta ei ole tarpeettoman laaja. Monissa nykyaikaisissa lähettimissä mittausalue voidaan valita asetuksella, mutta alueen muuttamisen yhteydessä myös BMS-skaalaus pitää tarkistaa.

13. Muita rakennusautomaatiossa käytettäviä antureita

Rakennusautomaatiossa käytetään lämpötilan, kosteuden, kaasupitoisuuksien ja paineen lisäksi monia muitakin mittausperiaatteita. Samat tekniset kysymykset pätevät niihin: mitä fysikaalista suuretta mitataan, miten anturielementti reagoi siihen, miten tulos välitetään säätimelle ja mikä voi aiheuttaa väärän mittausarvon?

13.1 Läsnäolo- ja liikeanturit

PIR-anturi havaitsee liikkuvien lämpimien kohteiden aiheuttamia muutoksia infrapunasäteilyssä. Se soveltuu hyvin liikkeen havaitsemiseen, mutta ei suoraan laske ihmisiä ja voi lakata havaitsemasta henkilöä, joka pysyy riittävän paikallaan. Mikroaalto- ja tutkatekniikkaan perustuvat läsnäoloanturit hyödyntävät radiotaajuisten signaalien heijastuksia ja voivat havaita erilaisia liikkeitä. Moniteknologia-anturit yhdistävät useita mittausmenetelmiä läsnäolon tunnistuksen parantamiseksi.

Säätöä suunniteltaessa kannattaa erottaa toisistaan havaittu liike, arvioitu läsnäolo ja laskettu henkilömäärä. Ne eivät ole sama mittaus, vaikka kaikkia voidaan käyttää ilmanvaihdon, valaistuksen tai huonetilan ohjaukseen.

13.2 Hiukkasanturit

Monet PM2.5- ja PM10-anturit perustuvat optiseen valonsirontaan. Ilmaa kulkee optisen mittausalueen läpi, hiukkaset sirottavat valoa ja laite arvioi hiukkaspitoisuutta havaitun sironnan perusteella. Optisen vasteen muuntaminen massapitoisuudeksi riippuu oletuksista hiukkaskoosta, optisista ominaisuuksista ja kalibroinnista, joten edullinen optinen PM-anturi ei vastaa laboratoriotason referenssimittalaitetta.

Pölyn kertyminen optiikkaan, ilmavirran muutokset ja aerosolin tyyppi voivat vaikuttaa pitkän aikavälin tuloksiin. Valmiin laitteen huolto-ohjeet ovat tärkeämpiä kuin se, että lähtö sattuu olemaan yksikössä µg/m³.

13.3 Valoanturit

Valaistusvoimakkuusanturit ilmoittavat valotason tavallisesti lukseina. Anturin spektrivaste ja asennussuunta vaikuttavat siihen, kuinka hyvin mittaus vastaa hallittavan tilan todellista valaistusta. Suoraan auringonpaisteessa tai valaisimeen päin asennettu anturi ei välttämättä kuvaa sitä työskentelytason valaistusvoimakkuutta, jota säätöjärjestelmä yrittää ylläpitää.

13.4 Virtausmittaus

Ilman ja veden virtausta voidaan mitata useilla periaatteilla. HVAC-ilmavirta voidaan päätellä tunnetun mittalaitteen yli vaikuttavasta paine-erosta, kun taas vesivirtausmittarit voivat käyttää ultraääni-, sähkömagneettista, mekaanista tai termistä mittausperiaatetta. Kun BMS vastaanottaa virtausarvon, on hyvä ymmärtää, mittaako laite virtausta suoraan vai laskeeko se sen jostain toisesta suureesta, kuten paine-erosta.

14. Anturi voi olla sähköisesti oikein ja fysikaalisesti väärässä

Tämä on yksi rakennusautomaation tärkeimmistä vianhakuperiaatteista.

Kuvitellaan CO₂-lähetin, jonka mittausalue on 0–2000 ppm ja lähtö 0–10 V. BMS vastaanottaa 3,8 V ja skaalaa sen oikein arvoksi 760 ppm. Yleismittari vahvistaa, että säätimen liittimillä on 3,8 V. Analogiatulo, johdotus ja skaalaus toimivat siis juuri kuten pitää.

Mutta samassa paikassa oleva kalibroitu referenssimittari näyttää 950 ppm.

Todellinen/referenssi-CO₂: 950 ppm
Lähettimen mittaus:         760 ppm
Analogialähtö:              3,8 V
BMS:n laskema arvo:         760 ppm

Sähköinen signaali on oikea lähettimen oman mittauksen perusteella, mutta lähettimen mittaustulos on väärä. Pelkkä jännitteen mittaaminen ei paljasta tätä.

Sama periaate koskee kosteus-, paine-, VOC-, CO- ja aktiivisia lämpötilalähettimiä. BMS voi näyttää vain sen tiedon, jonka se vastaanottaa. Ajautunut anturi ei välttämättä aiheuta tiedonsiirtohälytystä tai sähköisesti mahdotonta arvoa.

15. Mistä mittausvirhe syntyy?

BMS-järjestelmän näyttämä arvo on koko mittausketjun lopputulos. Pelkkä anturin datasheetin tarkkuus voi siksi antaa liian optimistisen kuvan koko mittauksen tarkkuudesta.

Tyypilliseen aktiiviseen mittaukseen voi kuulua:

Fysikaalinen suure
      ↓
Anturielementti
      ↓
Mekaaninen asennus
      ↓
Anturin elektroniikka
      ↓
Lämpötila- / kosteuskompensointi
      ↓
Kalibrointikertoimet
      ↓
Analoginen tai digitaalinen lähtö
      ↓
Kenttäkaapelointi / tiedonsiirto
      ↓
Säätimen tulo
      ↓
Skaalaus ja tekniset yksiköt
      ↓
BMS-arvo

Mahdollisia virhelähteitä ovat väärä anturin sijoitus, anturin drift, likaantuminen, kaapeliresistanssi, maapotentiaalierot, analogiatulon virhe, väärä signaalialue, väärä anturikäyrä, virheellinen Modbus-skaalaus tai yksinkertainen yksikkövirhe. Useita pieniä virheitä voi esiintyä samanaikaisesti.

Passiivisilla antureilla ketju on lyhyempi, mutta ei virheetön:

Lämpötila
      ↓
Anturielementti
      ↓
Terminen asennus
      ↓
Kaapeliresistanssi / liitokset
      ↓
Säätimen resistanssimittaus
      ↓
Valittu anturikäyrä
      ↓
BMS-lämpötila

Hyvä vianhakutapa etenee tämän ketjun läpi järjestelmällisesti sen sijaan, että komponentteja vaihdettaisiin sattumanvaraisesti.

16. Anturin sijoitus voi vaikuttaa enemmän kuin anturin tarkkuus

Täysin kalibroitu anturi voi mitata väärää asiaa, jos se on asennettu väärään paikkaan. Tämä on erityisen tavallista HVAC-järjestelmissä, joissa ilman lämpötila, paine, kosteus ja epäpuhtauspitoisuudet voivat muuttua huomattavasti jo lyhyillä etäisyyksillä.

Suoraan auringonpaisteeseen asennettu huonelämpötila-anturi voi näyttää useita asteita edustavaa huoneilmaa korkeampaa lämpötilaa. Lämpimän elektroniikan yläpuolella oleva anturi voi lämmetä asennusympäristön vuoksi. Seinärakenteesta tai kaapeliputkesta virtaava ilma voi vaikuttaa seinäanturiin takakautta. Tuloilmalaitteen viereen asennettu CO₂-anturi voi nähdä puhtaampaa ilmaa kuin varsinainen oleskeluvyöhyke, kun taas seisovan ilman nurkassa oleva anturi voi reagoida hitaasti muuttuvaan henkilökuormaan.

Kanava-antureilla on vastaavia ongelmia. Heti lämmityspatterin jälkeen oleva lämpötila-anturi voi altistua puutteellisesti sekoittuneelle ilmalle. Kosteusanturi voi kärsiä kondenssista. Turbulenttiin ilmavirtaan asennettu paineyhde voi tuottaa epävakaan mittauksen. Paine-eromittauksen letkut voivat olla taittuneita, vuotaa, sisältää kondenssivettä tai olla kytketty vääriin liitäntöihin.

Ensimmäinen kysymys pitäisi siksi joskus olla “Mittaako tämä anturi edustavaa paikkaa?” eikä “Onko tämä anturi tarkka?”

17. Tarkkuus, resoluutio, toistettavuus ja drift

Nämä käsitteet sekoitetaan helposti, vaikka ne kuvaavat mittauksen eri ominaisuuksia.

Tarkkuus kuvaa sitä, kuinka lähellä mittaustulos on mitattavan suureen oikeaa arvoa. Toistettavuus kuvaa sitä, kuinka lähelle toisiaan toistuvat mittaukset osuvat olosuhteiden pysyessä samoina. Resoluutio kertoo pienimmän muutoksen, jonka mittausjärjestelmä pystyy näyttämään tai erottamaan. Drift tarkoittaa mittauksen hidasta muuttumista ajan myötä ilman vastaavaa muutosta mitattavassa fysikaalisessa suureessa.

BMS voi näyttää lämpötilan esimerkiksi näin:

21,37 °C

Kaksi desimaalia kertoo vain jotain näytön tai numeerisen esityksen resoluutiosta. Se ei todista, että huonelämpötila tunnetaan ±0,01 °C tarkkuudella. Anturin tarkkuus voi olla esimerkiksi joitakin asteen kymmenesosia, ja asennusolosuhteet voivat lisätä mittausepävarmuutta entisestään.

Anturi voi olla myös erittäin toistettava mutta epätarkka. Jos todellinen lämpötila on vakaasti 21,0 °C ja anturi näyttää toistuvasti 21,5 °C, mittaus on johdonmukainen mutta siinä on offset-virhe.

Referenssi: 21,0 °C

Anturin mittaukset:
21,5 °C
21,5 °C
21,5 °C
21,5 °C

Tämä on hyödyllistä tietoa vianhaussa, koska vakaa offset voi viitata kalibrointiin, asennukseen tai anturikäyrän valintaan liittyvään ongelmaan. Epävakaa arvo puolestaan voi viitata häiriöön, katkonaisiin liitoksiin, ilmavirran vaihteluun tai vikaantuvaan laitteeseen.

18. Miten eri anturit ikääntyvät?

Kaikki anturit eivät ikäänny samalla tavalla. Passiivinen platina-RTD, NTC-termistori, polymeerinen kosteusanturi, NDIR-CO₂-anturi, sähkökemiallinen CO-kenno ja lämmitetty MOS-VOC-anturi ovat fysikaalisesti hyvin erilaisia tekniikoita. Niille ei siksi ole järkevää antaa yhtä yhteistä käyttöikäsääntöä.

Aktiivisessa lähettimessä on anturielementin lisäksi muitakin ikääntyviä tai virheeseen vaikuttavia osia. Jännitereferenssit, analogia-digitaalimuunnos, kompensointidata, lähtöelektroniikka, teholähteet ja sisäiset liitokset ovat kaikki osa valmista mittauslaitetta. Lähetin voi jatkaa täysin kelvollisen jännitteen tai digitaalisen arvon lähettämistä samalla kun anturielementti on ajautunut. Myös päinvastainen tilanne on mahdollinen: anturielementti voi olla kunnossa, mutta lähtöpiiri, syöttö tai johdotus aiheuttaa virheen.

18.1 PT100 ja PT1000

Platina-RTD-antureita arvostetaan niiden hyvän toistettavuuden ja pitkäaikaisvakauden vuoksi. Tavallisissa rakennusautomaatiosovelluksissa kenttäongelma ei usein ole itse platinaelementin voimakas ikääntyminen, vaan koko asennus: vaurioitunut anturiputki, kosteus, korroosio, huonot liitokset, kasvanut johdinresistanssi, mekaaninen rasitus tai väärä sijoituspaikka. Tarkkuutta vaativissa sovelluksissa kalibrointi voi silti olla tarpeen, koska hyvä vakaus ei tarkoita täydellistä muuttumattomuutta.

18.2 NTC-termistorit

Myös NTC-termistorit voivat toimia pitkään ja vakaasti, kun niitä käytetään määritellyissä olosuhteissa. Rakennusautomaatiossa suurempi käytännön riski on usein väärä tunnistus tai väärä käyrä. Termistorien ominaisuudet voivat kuitenkin muuttua pitkäaikaisen lämpörasituksen, kosteuden tai vaativan ympäristöaltistuksen seurauksena, joten valmistajan vakausmäärittelyt on huomioitava silloin, kun mittaustarkkuudella on merkitystä.

18.3 Kosteusanturit

Kosteusherkkä materiaali on suorassa vuorovaikutuksessa ympäröivän ilman kanssa. Liuottimet ja muut haihtuvat yhdisteet voivat päästä anturikerrokseen ja muuttaa sen sähköistä käyttäytymistä. Anturista ja epäpuhtaudesta riippuen muutos voi palautua altistuksen jälkeen tai aiheuttaa pidempiaikaista driftia. Erityisesti korkea kosteus, kondenssi ja kemiallinen altistus vaativat huomiota.

18.4 CO₂-anturit

NDIR-CO₂-anturit voivat olla erittäin vakaita, mutta optiset lähteet, ilmaisimet ja pinnat voivat muuttua iän tai likaantumisen myötä. Hyvät rakenteet käyttävät sisäisiä referenssejä ja kompensointia näiden vaikutusten vähentämiseen. Osa ratkaisuista nojaa myös säännölliseen baseline-korjaukseen. Oikea huoltostrategia riippuu siksi vahvasti anturin todellisesta rakenteesta ja valmistajan määrittelyistä.

18.5 CO-anturit

Sähkökemiallisilla CO-kennoilla on rajallinen käyttöikä, ja niitä pitää käsitellä komponentteina, jotka on lopulta vaihdettava. Herkkyys, elektrolyytin kunto ja elektrodien toiminta muuttuvat ajan ja ympäristöaltistuksen mukana. Turvallisuuteen liittyvissä ilmaisimissa voi olla käyttöiän päättymisestä ilmoittava toiminto, eikä sitä pidä ohittaa vain siksi, että BMS vastaanottaa edelleen uskottavaa analogista arvoa.

18.6 VOC-anturit

MOS-VOC-antureissa on lämmitetty anturimateriaali, jonka vaste perustuu pintakemiaan. Nykyaikaiset anturit ja algoritmit voivat tarjota pitkän käyttöiän, mutta likaantuminen, myrkyttävät yhdisteet, kosteus ja baseline-tason muutokset voivat vaikuttaa käyttäytymiseen. Koska monet VOC-lähdöt ovat suhteellisia tai algoritmisia indeksejä, tuotteen pitkän aikavälin sopeutumisen ymmärtäminen on välttämätöntä trendien oikeassa tulkinnassa.

18.7 Paineanturit

Paine-eroanturien nollapiste voi muuttua ajan myötä, ja siihen voivat vaikuttaa myös lämpötila sekä asennusasento. Monissa HVAC-tuotteissa on siksi manuaalinen tai automaattinen nollaus. Letkut ja paineyhteet voivat ikääntyä tai likaantua, vaikka elektroninen anturielementti olisi edelleen täysin toimintakuntoinen.

19. Kalibrointi ei ole sama asia kuin sähköisen lähdön tarkistaminen

Yleismittari on yksi parhaista rakennusautomaation vianhakutyökaluista, mutta on tärkeää ymmärtää, mitä sillä tehty tarkistus todella todistaa.

Jos 0–10 V -kosteuslähetin näyttää 45 %RH ja tuottaa 4,5 V, kun mittausalue on 0–100 %RH, yleismittari voi vahvistaa, että lähtöaste, johdotus ja säätimen skaalaus vastaavat toisiaan. Se ei vahvista, että ilman todellinen suhteellinen kosteus olisi 45 %RH. Sen varmistamiseksi anturin mittausta on verrattava sopivaan kosteusreferenssiin.

Samoin 0–1000 Pa:n painelähettimen 12 mA:n lähtö kertoo, että lähetin lähettää 500 Pa:ta vastaavan signaalin. Itse painemittauksen oikeellisuuden varmistamiseksi lähettimeen on tuotava tunnettu paine-ero tai mittausta on verrattava asianmukaiseen painereferenssiin.

Tarkasti ottaen kalibrointi tarkoittaa mittalaitteen vertaamista sopivaan referenssiin ja mittauspoikkeaman tai mittaussuhteen määrittämistä. Säätö tai viritys muuttaa mittalaitetta siten, että sen näyttämä korjautuu. Monissa kenttälaitteissa valikkotoimintoa kutsutaan “kalibroinniksi”, vaikka se käytännössä tekee säädön, joten laitteen ohje on syytä lukea huolellisesti.

20. Käytännöllinen anturimittauksen vianhakumenetelmä

Kun mittaus näyttää väärältä, etene fysikaalisesta prosessista kohti säädintä. Tämä on yleensä nopeampaa kuin ohjelmistoasetusten muuttaminen ensin ja sen toivominen, että arvo korjaantuu.

20.1 Vaihe 1: Onko arvo fysikaalisesti järkevä?

Aloita prosessista. Huonelämpötila 42 °C toimistossa on epäilyttävä. Tuloilmakanavan paine täsmälleen 0 Pa puhaltimen käydessä on epäilyttävä. CO₂-arvo, joka ei muutu lainkaan tyhjän yön ja täyden neuvotteluhuoneen välillä, on epäilyttävä.

Älä kuitenkaan oleta, että yllättävä arvo tarkoittaa automaattisesti sähköistä vikaa. Likainen suodatin voi oikeasti aiheuttaa suuren painehäviön, viallinen lämmitysventtiili voi tuottaa poikkeavan lämpötilan ja heikosti tuuletetun tilan CO₂-pitoisuus voi oikeasti nousta korkeaksi.

20.2 Vaihe 2: Tunnista todellinen anturi ja signaalityyppi

Ennen mittaamista selvitä, mitä pisteeseen oikeasti on kytketty.

Onko kyseessä:

• PT100?
• PT1000?
• NTC10k?
• jokin muu termistorikäyrä?
• 0–10 V?
• 2–10 V?
• 4–20 mA?
• Modbus?
• BACnet?

Älä päättele tätä pelkästä BMS-pisteen nimestä. Tarkista anturin tyyppikilpi, kytkentäkaavio, säätimen konfiguraatio ja tuotteen dokumentaatio.

20.3 Vaihe 3: Tarkista syöttö ja johdotus

Aktiiviset lähettimet tarvitsevat oikean käyttöjännitteen. Mittaa syöttö kenttälaitteelta käyttötilanteessa, ei vain automaatiokeskuksesta. Tarkista common-kytkennät, napaisuus silloin kun sillä on merkitystä, liitinnumerot ja kaapelin kunto.

Passiivinen resistanssianturi pitää erottaa mittauspiiristä tarkoituksenmukaisesti ennen resistanssin mittaamista, jotta säätimen oma mittauspiiri ei vaikuta yleismittarin lukemaan. Tarkista avoin piiri, oikosulku ja vaurioituneiden tai hapettuneiden liitosten lisäämä poikkeava resistanssi.

20.4 Vaihe 4: Mittaa raakasignaali

Mittaa se, mitä säädin todella vastaanottaa.

PT1000 / NTC  → Ω
0–10 V        → V
4–20 mA       → mA
Digitaalinen  → raakarekisteri/objekti ja tiedonsiirron diagnostiikka

Raakasignaali jakaa ongelman tehokkaasti kahteen osaan. Jos kenttälaitteen lähtö on oikein mutta BMS-arvo väärä, keskity säätimen tuloon, muunnokseen, skaalaukseen tai protokollan tulkintaan. Jos raakasignaali on jo väärä, keskity lähettimeen, anturiin, johdotukseen tai itse fysikaaliseen prosessiin.

20.5 Vaihe 5: Muunna raakasignaali itsenäisesti

Älä luota vain BMS:n näyttämään arvoon. Laske itse, mitä raakasignaalin pitäisi tarkoittaa.

Esimerkki:

Lähettimen alue: 0–2000 ppm CO₂
Lähtö:           0–10 V
Mitattu:         5,0 V

Odotettu arvo:
5,0 / 10 × 2000 = 1000 ppm

Jos BMS näyttää 500 ppm, skaalaus on väärä. Jos BMS näyttää noin 1000 ppm, säädin ja skaalaus ovat todennäköisesti oikein ja seuraava kysymys on, mittaako lähetin fysikaalisesti oikein 1000 ppm.

20.6 Vaihe 6: Tarkista määritelty käyrä, alue ja yksiköt

Monet mittausvirheet ovat konfigurointivirheitä.

Tyypillisiä esimerkkejä:

• NTC10k-käyrä A on kytketty, mutta säätimestä on valittu NTC10k-käyrä B
• PT1000 on kytketty, mutta tulotyypiksi on valittu Ni1000
• lähetin on määritelty alueelle 0–500 Pa, mutta BMS odottaa aluetta 0–1000 Pa
• lähetin on vaihdettu alueelta 0–2000 ppm alueelle 0–5000 ppm ilman BMS-skaalauksen muuttamista
• Modbus-arvolla on skaalauskerroin 0,1, mutta BMS käsittelee arvoa kokonaislukuna suoraan teknisenä yksikkönä
• paine ilmoitetaan kPa:na, mutta pistekonfiguraatio olettaa pascaleita

Konfigurointivirheet ovat hankalia juuri siksi, että tuloksena olevat arvot näyttävät usein uskottavilta.

20.7 Vaihe 7: Vertaa fysikaalista mittausta referenssiin

Jos sähköinen mittausketju toimii oikein, vertaa anturia sopivaan referenssiin. Sijoita referenssi mahdollisimman lähelle varsinaista mittauspistettä ja anna molempien laitteiden tasaantua. Huonemittauksissa pitää muistaa, että lämpötila-, kosteus- ja pitoisuuserot voivat olla todellisia jo lyhyelläkin etäisyydellä.

Referenssilaitteen pitää itse olla riittävän sopiva vaadittuun tarkkuuteen. Kahden tuntemattoman anturin vertaaminen ja “oikealta näyttävän” arvon valitseminen ei ole kalibrointia.

20.8 Vaihe 8: Tarkista asennus ja ympäristövaikutukset

Tarkasta anturin sijoitus, ilmavirta, terminen kontakti, letkut, kondenssi, likaantuminen ja läheiset lämmönlähteet. CO₂- ja VOC-laitteilla kannattaa arvioida, voiko ilmanvaihdon käyttörytmi tai anturin algoritmi vaikuttaa baseline-käyttäytymiseen. Painelähettimillä tarkista nollapiste ja letkut ennen elektroniikan vaihtamista.

20.9 Vaihe 9: Tarkista ikä ja huoltovaatimukset

Tarkista lopuksi anturin käyttöönottopäivä ja valmistajan huolto-ohjeet. Nimellisen käyttöikänsä päähän tullut sähkökemiallinen kaasuilmaisin ei saa jäädä käyttöön vain siksi, että sen lähtö näyttää edelleen järkevältä. Vuosia vaativassa ympäristössä käytetty kosteus- tai CO₂-lähetin voi vastaavasti ansaita vertailumittauksen, vaikka se ei olisi tuottanut vikakoodia.

21. Anturin valinta rakennusautomaatioprojektiin

Hyvä anturivalinta alkaa säätötoiminnosta eikä suosikkisignaalista. Määritä ensin, mitä halutaan mitata ja kuinka tarkasti tieto tarvitaan. Huonelämpötilan säätö, suodatinvahti ja turvallisuuteen liittyvä hiilimonoksidivalvonta asettavat hyvin erilaisia vaatimuksia, vaikka kaikki näkyvät lopulta BMS-pisteinä.

21.1 Mittausalue

Valitse alue, joka kattaa normaalin toiminnan ja uskottavat poikkeustilanteet mutta ei ole tarpeettoman laaja. 0–7000 Pa:n painelähetin pystyy teknisesti mittaamaan 100 Pa:n kanavaprosessia, mutta tarkoituksenmukaisempi alue antaa yleensä paljon käyttökelpoisemman signaalin. Sama periaate koskee CO₂-, kosteus- ja muita valittavalla alueella toimivia lähettimiä.

21.2 Tarkkuus ja vakaus

Lue koko tarkkuusmäärittely. Selvitä, päteekö se koko tarvittavalla lämpötila-alueella ja onko pitkäaikaisdrift määritelty erikseen. Erittäin hyvä tehdastarkkuus ei auta paljon, jos anturi ajautuu merkittävästi ennen seuraavaa suunniteltua huoltoväliä.

21.3 Signaalin ja säätimen yhteensopivuus

Tarkista, tukeeko säädin tarvittavaa resistanssikäyrää, jännitesignaalia, virtaviestiä tai tiedonsiirtoprotokollaa. Analogisissa lähettimissä tarkista sähköinen tuloalue ja common-rakenne. Digitaalisissa laitteissa tarkista protokollaprofiili, käytettävissä olevat objektit tai rekisterit sekä tarvittavat asetukset.

21.4 Käyttöjännite

Passiiviset resistanssianturit eivät tarvitse erillistä kenttäsyöttöä, kun taas aktiiviset lähettimet voivat vaatia 24 VAC-, 24 VDC- tai muun käyttöjännitteen. Osa 4–20 mA -laitteista on kaksijohtimisia silmukkasyötettyjä lähettimiä, kun taas toisissa syöttö ja lähtö ovat erillisissä liittimissä. Älä päättele kytkentää pelkän signaalin nimen perusteella.

21.5 Ympäristö ja asennus

Tarkista lämpötila, kosteus, kondenssi, kotelointiluokka, kemiallinen altistus ja asennusvaatimukset. Tavallinen huoneanturi ja pysäköintihalliin, uimahalliin, ulkoilman ottoon tai ammattikeittiöön asennettu anturi altistuvat hyvin erilaisille olosuhteille.

21.6 Huolto

Mieti jo suunnitteluvaiheessa, miten mittaus voidaan tarkistaa käyttöönoton jälkeen. Voidaanko anturi tarkistaa kentällä? Tarvitseeko se kaasukalibrointia? Onko siinä vaihdettava anturimoduuli? Ilmoittaako se käyttöiän päättymisestä? Voidaanko paineanturin nollaus tehdä ilman koko asennuksen purkamista?

Halvin anturi hankintahetkellä ei välttämättä ole rakennuksen elinkaaren edullisin mittausratkaisu, jos sen tarkistaminen, vaihtaminen tai uudelleenkalibrointi on vaikeaa.

22. Resistiivinen anturi vai lähetin?

Lämpötilamittauksessa passiivisen resistanssianturin ja aktiivisen lähettimen valinta on usein käytännöllinen eikä periaatteellinen kysymys.

Passiivinen PT1000- tai NTC-anturi on hyvä vaihtoehto, kun säädin tukee suoraan oikeaa ominaiskäyrää ja kaapelipituus sekä ympäristö sopivat ratkaisuun. Kenttälaite on yksinkertainen, erillistä lähettimen syöttöä ei tarvita ja vianhaku resistanssimittauksella on suoraviivaista. Samaa anturityyppiä ei kuitenkaan voida käyttää esimerkiksi CO₂:n tai suhteellisen kosteuden mittaamiseen, koska nämä suureet vaativat monimutkaisemman anturiperiaatteen ja elektroniikkaa.

Aktiivinen lähetin on perusteltu silloin, kun mittaustekniikka itsessään vaatii elektroniikkaa, halutaan standardoitu analoginen lähtö, tarvitaan paikallista kompensointia tai signaalinkäsittelyä tai mittaus halutaan siirtää digitaalisesti. Vastapainona mittausketju on pidempi: mukana on enemmän asetuksia ja komponentteja, jotka voivat vaikuttaa lopulliseen arvoon.

23. Mitä anturista pitäisi dokumentoida?

Hyvä anturidokumentaatio tekee myöhemmästä vianhausta huomattavasti helpompaa. BMS-pisteen nimi, kuten TE01 tai CO2_ROOM_12, ei yksin kerro, miten mittaus on toteutettu.

Tärkeistä mittauksista kannattaa dokumentoida vähintään:

• mitattava suure ja tekninen yksikkö
• anturin tai lähettimen valmistaja ja malli
• mittausperiaate silloin, kun sillä on merkitystä
• passiivisen anturin ominaiskäyrä, kuten PT1000 tai tarkka NTC-käyrä
• lähettimen lähtö, kuten 0–10 V tai 4–20 mA
• lähettimeen määritelty mittausalue
• säätimen tulotyyppi ja skaalaus
• digitaalisen rekisterin tai objektin tiedot silloin, kun niitä käytetään
• asennuspaikka
• käyttöönotto- tai kalibrointipäivä silloin, kun sillä on merkitystä
• suunniteltu huolto tai vaihtovaatimus rajallisen käyttöiän antureille

Näiden tietojen avulla seuraava huoltoinsinööri pystyy aloittamaan vianhaun faktoista sen sijaan, että asennusta pitäisi päätellä jännitemittauksen ja pisteen nimen perusteella.

24. Käytännön esimerkkejä

24.1 PT1000-huonelämpötila on väärä

BMS näyttää huoneessa 5 °C, vaikka huone on selvästi lähellä 20 °C:ta. Asianmukaisesti mittauspiiristä erotetun anturin resistanssiksi mitataan noin 1078 Ω. Tämä vastaa PT1000-anturia noin 20 °C:n lämpötilassa, joten anturielementti ja kaapelointi eivät todennäköisesti selitä 5 °C:n näyttämää.

Seuraavaksi tarkistetaan määritelty anturityyppi ja säätimen tulon asetukset. Jos tulo on määritelty toiselle resistanssikäyrälle, säädin voi mitata 1078 Ω täysin oikein ja laskea siitä silti väärän lämpötilan.

24.2 CO₂-arvo on täsmälleen puolet odotetusta

Huoneen CO₂-lähetin näyttää paikallisesti 1000 ppm. Sen analogialähdöstä mitataan 5,0 V. Lähetin on määritelty alueelle 0–2000 ppm, joten 5,0 V vastaa oikein 1000 ppm:ää. BMS näyttää kuitenkin 500 ppm.

Kenttälaite ja johdotus toimivat oikein. BMS-tulo on todennäköisesti skaalattu alueelle 0–1000 ppm eikä 0–2000 ppm.

24.3 Painelähetin näyttää 22 Pa molemmat letkut irrotettuina

Molemmat paineportit ovat samassa huoneessa avoimina, mutta paine-erolähetin näyttää 22 Pa. Ennen anturin vaihtamista tarkistetaan asennusasento ja tehdään valmistajan määrittelemä nollaus. Jos testissä käytetään letkuja, varmistetaan lisäksi, ettei niihin ole jäänyt paine-eroa.

Jos lähetin palaa nollauksen jälkeen lähelle nollaa, alkuperäinen ongelma oli nollapisteen offset eikä viallinen paineanturi.

24.4 Kosteussignaali ja BMS-skaalaus ovat oikein, mutta mittaus on silti väärä

0–10 V -kosteuslähetin on määritelty alueelle 0–100 %RH. Se antaa 6,0 V ja BMS näyttää oikein 60 %RH. Luotettava referenssimittari on sijoitettu lähettimen viereen ja tasaantuu arvoon 48 %RH.

BMS-skaalausta ei ole syytä muuttaa. Ongelma on analogialähtöä edeltävässä mittausketjussa: anturin drift, likaantuminen, sijoitus tai lähettimen kalibrointi pitää tutkia.

24.5 VOC-arvo pysyy korkeana siivouksen jälkeen

Huoneen VOC-anturin arvo nousee voimakkaasti siivouksen aikana ja pysyy korkealla vielä pitkään sen jälkeen, kun tila vaikuttaa normaalilta. Tämä voi olla todellinen vaste jäljelle jääneisiin haihtuviin yhdisteisiin, mutta käyttäytyminen riippuu myös anturielementistä ja algoritmista. Tarkista valmistajan ilmoittama palautuminen, käyttöönottokonditionointi ja baseline-käyttäytyminen ennen kuin oletat kiinteän numeerisen raja-arvon vastaavan tietyn kaasun pitoisuutta.

25. Tärkeimmät periaatteet

Hyödyllisin tapa ymmärtää rakennusautomaation antureita on seurata koko ketjua fysikaalisesta maailmasta BMS:n näyttämään arvoon.

PT1000 ei lähetä lämpötilaa, vaan sen resistanssi muuttuu. 0–10 V -painelähetin ei lähetä painetta suoraan, vaan jännitteen, joka kuvaa määriteltyä painealuetta. Modbus-CO₂-anturi voi lähettää digitaalisen numeron, vaikka fysikaalinen mittaus olisi ajautunut. VOC-anturi voi antaa ilmanlaatuindeksin, jota ei pidä tulkita yhden tietyn kaasun pitoisuudeksi.

Kun arvo on väärä, ongelma kannattaa jakaa kerroksiin:

1. Onko fysikaalinen prosessi ja anturin sijoitus edustava?
2. Mittaako anturielementti oikein?
3. Muuntaako lähetin mittauksen oikein?
4. Saapuuko signaali säätimelle oikein?
5. Käyttääkö säädin oikeaa käyrää, aluetta, skaalausta ja yksiköitä?
6. Onko anturi ajautunut, likaantunut tai saavuttanut huolto- tai käyttöikärajansa?

Tämä toimintatapa toimii lämpötila-, paine-, kosteus-, CO₂-, CO-, VOC- ja monissa muissa rakennusautomaation mittauksissa. Sen sijaan, että jokainen poikkeava arvo tulkittaisiin säädinongelmaksi tai jokainen vanha anturi automaattisesti vialliseksi, voidaan selvittää, mikä mittausketjun osa todella aiheuttaa virheen.

LumiBMS:n aiheeseen liittyvät oppaat ja työkalut

• I/O-opas: digitaaliset ja analogiset tulot ja lähdöt
• Lämpötila-anturin tunnistus- ja resistanssimuunnin
• Modbus RTU ja TCP -opas
• Interaktiivinen IV-konesimulaattori

Tekniset lähteet

Tämän oppaan periaatteet perustuvat vakiintuneisiin anturitekniikoihin ja valmistajien tekniseen dokumentaatioon. Hyödyllisiä ensisijaisia lähteitä ovat:

• IEC 60751 — Teolliset platinavastuslämpömittarit ja platinalämpötila-anturit.
• WIKA — Pt100/Pt1000 resistance thermometers — Pt100/Pt1000-nimellisresistanssit, IEC 60751 -ominaiskäyrät ja johtimien resistanssiin liittyvät näkökohdat.
• TDK Electronics — NTC thermistors, general technical information — NTC-termistorien toimintaperiaate ja resistanssi-lämpötilakäyttäytyminen.
• Vaisala — NDIR CO₂ measurement principle — Infrapuna-absorptio, optinen referenssimittaus ja kompensointi.
• Vaisala — HVAC CO₂ measurement stability — NDIR-mittauksen pitkäaikaisominaisuudet ja baseline-kalibrointioletusten rajoitukset.
• Senseair — NDIR technology — NDIR-periaate ja esimerkki automaattisesta baseline-korjauksesta.
• Sensirion — SGP40 VOC sensor datasheet — Metallioksidipohjainen VOC-mittaus ja VOC Index -signaalinkäsittely.
• Sensirion — Humidity sensor contamination guide — Kosteusantureiden likaantumismekanismit.
• Honeywell / RAE Systems — Electrochemical sensors for toxic gases — Esimerkkejä CO-anturien käyttöiästä ja ristikkäisherkkyyksistä.
• Siemens — HVAC differential-pressure sensor commissioning — Asennusasennon vaikutus ja nollakalibroinnin ohjeistus.
• NIST — Bias, precision, accuracy and resolution — Kohdassa 17 käytetty mittausterminologia.