Title: PCB thermal flow sensor for heating, ventilating and air cooling systems
Language: English
Authors: Glatzl, Thomas 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Keplinger, Franz 
Issue Date: 2017
Number of Pages: 121
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Ein erheblicher Teil der produzierten Energie fließt in Gebäude wo wiederum sehr viel von sogenannten HLK (Heizung, Lüftung, Klima) Anlagen verbraucht wird. Um den Energieverbrauch von solchen Anlagen reduzieren zu können, muss man zuerst den aktuellen Zustand erfassen. Dafür können unterschiedliche Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Dichte, CO 2 Anteil, usw, mit verschiedensten Sensoren gemessen werden. Die Messung all dieser Parameter in jedem Raum oder Kanal ist jedoch weder energieeffizient noch unbedingt nötig. Durch Messung des Volumenstroms an strategisch günstigen Positionen kann bereits eine Aussage über Ineffizienz und möglichem Einsparungspotential getroffen werden. Ziel dieser Arbeit ist das Design und ein proof-of-concept eines thermischen Strömungssensors welcher nur mit der Printplattentechnologie hergestellt wird. Es werden zwei Auslesemethoden des kalorimetrischen Prinzips angewendet, wobei bei der ersten ein konstanter Strom durch eine Kupferbahn fließt und die von der Strömungsgeschwindigkeit abhängige Übertemperatur durch umliegende Sensorelemente gemessen wird. Bei der zweiten Methode hält ein Regler eine definierte Übertemperatur mittels einer Heizspannung konstant. Mit steigender Geschwindigkeit muss der Regler mehr heizen und damit wird die Heizspannung abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Ein analytisches Modell und FEM Simulationen wurden erstellt um das Prinzip zu testen. Verschiedene Wandlerdesigns wurden entwickelt, hergestellt und mittels verschiedener Experimente charakterisiert. Der Fokus der Experimente liegt auf reproduzierbaren Widerstandswerten welche die größte Herausforderung darstellten wie auch das zeitliche Verhalten der Kupferbahnen. In Experimenten mit einem Lock-in Verstärker wurde die Strömungsabhängigkeit der Sensoren gemessen. Abschließend wurden die Sensoren in einer realen HLK Anlage getestet und damit der proof-of-concept des neuen Konzepts erbracht.

An considerable amount (about 39 quadrillion British thermal units) of the energy produced was consumed by the residential and commercial sectors, which is mostly building related for heating, cooling, and lighting. More than one third of this energy is consumed by so-called heating, ventilating, and air conditioning (HVAC) systems. To reduce this energy consumption the installation of a sufficiently large number of sensors is required to obtain a detailed picture of the actual state of the HVAC system by sensing parameters like temperature, humidity, air flow velocity, flow, but also pressure, density, and CO2-concentration. However, placing various sensors to measure all these parameters in each room is neither energy efficient nor necessary. Simply measuring the volume flow rate at strategic points will reveal inefficiency and cost-reduction potential. The aim of this work is the design and a proof-of-concept of a thermal flow sensor that is only based on PCB technology. The calorimetric principle is envisioned for the readout method where two operation modes are investigated, constant current and constant temperature mode. At the constant current mode, a specific current heats up a copper lead of the PCB sensor and surrounding sensing elements evaluate the excess temperature which is flow dependent. At the constant temperature mode, a controller keeps a specific excess temperature between the sensing elements at a constant level. With increasing flow velocity, the controller has to adjust the heating to maintain this specific excess temperature, therefore, the heating voltage becomes a function of the flow velocity. An analytical model is set up followed by FEM simulations to verify that the targeted principle is feasible. Several sensor designs are developed, fabricated, and then characterized with measurements. These measurements focus on resistance values as well as the transient behavior of the copper leads, experiments with a lock-in amplifier reveal the flow dependency of the sensor, and experiments in a real HVAC system prove the concept feasible.
Keywords: HVAC system; PCB technology; Thermal flow sensor
HVAC system; PCB technology; Thermal flow sensor
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-103254
http://hdl.handle.net/20.500.12708/6361
Library ID: AC14478705
Organisation: E366 - Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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