V tomto příspěvku se naučíme základní pracovní koncept termálních skenerů nebo bezkontaktních IR teploměrů a také se naučíme, jak vyrobit praktický prototyp jednotky bez Arduina .

V éře po COVID-19 je běžný pohled na svědky lékařů, kteří drží bezkontaktní teplotní pistoli a směřují na čelo podezřelého z COVID-19.

Zařízení je ve skutečnosti bezkontaktní teploměr, který detekuje okamžitou teplotu povrchu těla podezřelého a umožňuje lékaři zjistit, zda je člověk normální nebo trpí horečkou?

Základní zkušební metoda

V procesu testování najdeme oprávněnou osobu, která namířila laserový paprsek z bezkontaktní teplotní pistole na čelo podezřelého a zaznamenala teplotu na zadní LCD panel zařízení.

Laserový paprsek ve skutečnosti nemá žádnou přímou souvislost s postupem měření teploty. Používá se pouze k tomu, aby pomohl lékaři zajistit, aby byl infračervený teploměr správně namířen na ideální místo těla pro stanovení tělesná teplota většinou přesně.

Stefan – Boltzmannův zákon

Jak uvádí zákon Stefan – Boltzmann, celková zářivá odchod tělesa M_je(T) je úměrný čtvrtému výkonu jeho teploty, jak ukazuje následující rovnice

M_je(T) = εσT⁴

V této rovnici ε znamená emisivitu.

σ označuje Stefan – Boltzmannovu konstantu, která odpovídá veličině 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-dvaK^-4, kde písmeno K je jednotka teploty v Kelvinech.

Výše uvedená rovnice naznačuje, že když teplota tělesa stoupá, jeho infračervené záření se také úměrně zvyšuje. Toto IR záření bylo možné měřit na dálku bez nutnosti fyzického kontaktu. Čtení nám může poskytnout okamžitou úroveň teploty těla.

Který senzor je použitelný

Čidlo, které je nejvhodnější a je použito v bezkontaktních teploměrech, je termočlánkový senzor .

Čidlo termopiloty převádí dopadající infračervenou tepelnou mapu ze vzdáleného zdroje na proporcionální množství malého elektrického výstupního napětí.

Funguje na principu termočlánku, ve kterém jsou rozdílné kovy spojovány do série nebo paralelně a vytvářejí tak „horké“ a „studené“ spoje. Když infračervený sálavý tok ze zdroje dopadne na termočlánek, vytváří rozdíl teplot v těchto spojích a vyvíjí ekvivalentní množství elektřiny přes koncové svorky termočlánku.

Tento elektrický výkon úměrný zdroji tepla lze měřit k identifikaci úrovně teploty ze zdroje těla.

Termočlánek uvnitř termočlánkového senzoru je vložen přes křemíkový čip, díky čemuž je systém extrémně citlivý a přesný.

Použití senzoru termopile MLX90247

IC MLX90247 je vynikajícím příkladem univerzálního termočlánkového senzorového zařízení, které lze ideálně použít pro výrobu zařízení pro termální skener nebo bezkontaktní teploměr.

IC MLX90247 je tvořen nahromaděnou termočlánkovou sítí na povrchu membrány.

Spoje přijímající teplo termočlánku jsou strategicky umístěny blízko středu základní membrány, zatímco rozdílné spojky chladu jsou umístěny na okraji zařízení, které tvoří silikonovou objemovou oblast jednotky.

Vzhledem k tomu, že membrána je navržena jako špatný vodič tepla, detekované teplo ze zdroje je schopno rychle stoupat v blízkosti středu menbranu, než je objemová hrana zařízení.

Díky tomu je rychlý rozdíl tepla schopen vyvíjet se na koncích termopilních spojů, což způsobuje rozvoj účinného elektrického potenciálu přes tyto svorky prostřednictvím termoelektrického principu.

Nejlepší součástí termočlánkového senzoru je, že na rozdíl od standardních integrovaných obvodů nevyžaduje pro svou činnost externí elektrické napájení, ale spíše vytváří vlastní elektrický potenciál pro umožnění požadovaného měření.

Získáte dvě varianty IC MLX90247, jak je uvedeno níže, přičemž jedna varianta poskytuje možnost uzemnění Vss a druhá je bez kolíku Vss.

Horní možnost umožňuje bipolární měření IR teploty. To znamená, že výstup může ukazovat teploty vyšší než okolní teplota a také nižší než okolní teploty.

Dolní možnost lze použít k změřit teplotu buď nad úrovní okolního prostředí, nebo pod úrovní okolního prostředí, a umožňuje tak unipolární měřicí zařízení.

Proč se v termopile používá termistor

Ve výše uvedeném IC MLX90247 můžeme vidět a termistor je součástí balení zařízení. Termistor hraje důležitou roli při vytváření výstupu referenční úrovně pro stupeň externí měřící jednotky.

Termistor je zabudován k detekci teploty okolí nebo teploty těla zařízení. Tato úroveň okolní teploty se stává referenční úrovní pro stupeň výstupního operačního zesilovače.

Pokud je IR teplota z cíle nižší nebo rovna této referenční úrovni, stupeň externího zesilovače operačního zesilovače nereaguje a jeho výstup zůstává 0 V.

Jakmile však IR záření z těla překročí okolní teplotu, operační zesilovač začne reagovat a vytváří platný měřitelný výstup, který lineárně odpovídá rostoucímu tepelnému výkonu těla.

Bezkontaktní obvod teploměru využívající IC termočlánkový senzor MLX90247

Ve výše uvedeném prototypu obvodu bezkontaktního obvodu infračerveného teploměru najdeme termopilní senzor IC MLX90247 v bipolárním režimu, nakonfigurovaný s externím operačním zesilovačem navrženým pro zesílení malé elektrické energie z termopilotu na měřitelný výstup.

Horní operační zesilovač zesiluje výstup termočlánku z IC MLX90247, zatímco spodní operační zesilovač zesiluje okolní teplotu IC.

Jednoduchý diferenciál VU metr je připojen přes výstupy dvou operačních zesilovačů. Dokud před termočlánkem není těleso emitující teplo, jeho vnitřní teplota termočlánku zůstává stejná jako teplota sousedního termistoru. Díky tomu dva výstupy operačních zesilovačů generují stejné množství napětí. Měřič VU tak indikuje 0 V ve středu svého číselníku.

V případě, že lidské tělo, které má vyšší teplotu než okolí, je přivedeno do snímacího rozsahu termočlánku, jeho výstup termočlánku přes pin2 a pin4 začne exponenciálně stoupat a překročí výstup termistoru přes pin3 a pin1.

Výsledkem je, že horní operační zesilovač generuje kladnější napětí než spodní operační zesilovač. Měřič VU na to reaguje a jeho jehla se začne posouvat na pravé straně kalibrace 0V. Odečet přímo ukazuje úroveň teploty cíle detekovaného termočlánkem.

Který operační zesilovač vyhovuje aplikaci

Vzhledem k tomu, že výstup z termočlánku má být v mikrovoltech, operační zesilovač, který má být použit pro zesílení tohoto extrémně malého napětí, musí být vysoce citlivý a sofistikovaný a s velmi nízkou specifikací offsetu vstupu. Pro splnění podmínek se zdá být nejlepší volbou pro tuto aplikaci operační zesilovač.

Ačkoli můžete najít mnoho dobrých přístrojových zesilovačů online, INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier se jeví jako nejvhodnější kandidát.

Existuje mnoho skvělých funkcí, díky nimž je tento IC nejvhodnější pro zesilování napětí termočlánku na měřitelnou velikost. Níže je vidět základní obvod zesilovače instrumentace IC INA333 a tento design lze použít k zesílení výše vysvětleného termočlánkového obvodu.

V tomto obvodu zesilovače INA333 je rezistor R_G určuje zisk obvodu a lze jej vypočítat pomocí vzorce:

Zisk = 1 + 100 / R._G

Výsledek bude v kiloohmech.

Prostřednictvím tohoto vzorce můžeme nastavit celkový zisk obvodu v závislosti na úrovni mikrovoltu přijatého z termopiloty.

Zisk lze upravit přímo od 0 do 10 000, což poskytuje operačnímu zesilovači výjimečnou úroveň schopnosti zesílení pro vstupy s mikrovoltem.

Abychom mohli používat tento přístrojový zesilovač bez termopile IC, budeme potřebovat dva z těchto modulů operačních zesilovačů. Jeden bude použit pro zesílení výstupu signálu termočlánku a druhý pro zesílení výstupu signálu termistoru, jak je uvedeno níže

Toto nastavení lze použít k výrobě bezkontaktního infračerveného teploměru, který bude produkovat lineárně rostoucí analogový výstup v reakci na lineárně rostoucí infračervené teplo, jak je detekováno termočlánkem.

Analogový výstup lze připojit buď k milivoltovému VU měřiči, nebo a digitální měřič mV pro získání okamžité interpretace teplotní úrovně těla.

Výstup PROTI_nebo lze také odhadnout pomocí následující rovnice:

PROTI_nebo = G ( PROTI_{v +} - PROTI_v- )

Seznam dílů

K sestavení výše vysvětleného bezkontaktního obvodu teploměru budou zapotřebí následující části:

IC termočlánkového senzoru MLX90247 - 1č
Přístrojový operační zesilovač INA333 - 2nos
Voltmetr s rozsahem 0 až 1 V FSD - 1 č
1,2 V AAA Ni-Cd články pro napájení INA333 - 2nos

Čtení voltmetru bude muset být kalibrováno ve stupních Celsia, což lze provést experimentováním a pokusem a omylem.

Pomocí PIR

Normální PIR senzor také funguje pěkně a poskytuje levnou alternativu pro tyto typy aplikací.

PIR obsahuje senzor na bázi pyroelektrického materiálu, jako je TGS, BaTiO3 atd., Který prochází spontánní polarizací, když snímá změnu teploty v jeho detekčním rozsahu.

Polarizační náboj v PIR zařízení generovaný v důsledku změny jeho teploty závisí na ozařovacím výkonu Phi_je přenášené tělem na PIR čidlo. To způsobí, že výstup PIR generuje proud Já_d ωpA_d( Δ T) .

Zařízení také generuje napětí PROTI_nebo který se může rovnat součinu proudu Já_d a impedance zařízení. To lze vyjádřit následující rovnicí:

PROTI_nebo= Já_dR_d/ √1 + ω^dvaR^dva_dC^dva_d

Tuto rovnici lze dále zjednodušit na:

PROTI_nebo= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^dvaR^dva_dC^dva_d

kde p označuje pyroelektrický koeficient, ω označuje radiánovou frekvenci a Δ T se rovná rozdílu v teplotě detektoru T_d
a okolní teplota T_na.

Nyní použitím rovnice tepelné bilance zjistíme, že hodnota Δ T lze odvodit, jak je vyjádřeno v následující rovnici:

Δ T = R_TPhi_je/ √ (1 + ω^dvaτ^dva_T)

Pokud nahradíme tuto hodnotu Δ T v předchozí rovnici dostaneme výsledek, který představuje Vo s charakteristikou pásmového propusti, jak je uvedeno níže:

kde τ_JE označuje elektrickou časovou konstantu ( R_dC_d ), τ_T označuje
tepelná časová konstanta ( R_TC_T ), a Phi_je symbolizuje záření
energie z cíle detekovaná senzorem.

Výše uvedené diskuse a rovnice dokazují, že výstupní napětí Vo z PIR je přímo úměrné sálavému výkonu emitovanému ze zdroje, a stává se tak ideálně vhodným pro bezkontaktní aplikace měření teploty.

Víme však, že PIR nemůže reagovat na papírenský infračervený zdroj a vyžaduje, aby byl zdroj v pohybu pro umožnění čitelného výstupu.

Protože rychlost pohybu ovlivňuje také výstupní data, musíme se ujistit, že se zdroj pohybuje s přesnou rychlostí, což je aspekt, který může být nemožné implementovat na lidský cíl.

Proto je snadný způsob, jak tomu čelit, nechat lidský cíl být papírem a replikovat jeho pohyb propojením umělého motorový chopper se systémem čoček PIR.

Bezkontaktní teploměr Prototyp využívající PIR

Následující odstavce vysvětlují testovací sestavu praktického systému termálních skenerů, který lze použít k vytvoření praktického prototypu po důkladné optimalizaci různých zúčastněných parametrů.

Jak jsme se dozvěděli v předchozí části, PIR je navržen tak, aby detekoval sálavé emise ve formě rychlosti změny teploty dT / dt , a proto reaguje pouze na infračervené teplo, které je pulzováno vhodně vypočítanou frekvencí.

Podle experimentů bylo zjištěno, že PIR pracuje nejlépe při pulzní frekvenci kolem 8 Hz, čehož je dosaženo stálým sekáním příchozího signálu přes servo chopper

Řezání signálů v zásadě umožňuje PIR senzoru vyhodnotit a vydat sálavou energii těla jako napěťové špičky. Pokud je frekvence střídače správně optimalizována, bude průměrná hodnota těchto špiček přímo úměrná intenzitě radiační teploty.

Následující obrázek ukazuje typické nastavení testu pro vytvoření optimalizované měřicí jednotky nebo MU.

Aby byla zajištěna efektivní práce systému, musí být vzdálenost mezi infračerveným zdrojem a zorným polem snímače (FOV) asi 40 cm. Jinými slovy vyzařující tělo a čočka PIR musí být ve vzdálenosti 40 cm od sebe.

Můžeme také vidět vrtulníkový systém skládající se z malého krokového motoru s vrtulí instalovaného mezi fresnelovou čočkou a PIR pyroelektrickým senzorem.

Jak to funguje

Infračervené záření z těla prochází fresnelovou čočkou, poté je motorem vrtulníku sekáno na frekvenci 8 Hz a výsledné pulzní infračervené záření je detekováno snímačem PIR.

Výstupní střídavý ekvivalent ekvivalentní tomuto detekovanému IR se poté přivede na stupeň „kondicionéru signálu“ vyrobený s mnoha stupni operačních zesilovačů.

Konečný zesílený a upravený výstup z kondicionéru signálu je analyzován na osciloskopu, aby se zkontrolovala reakce obvodu na měnící se zářivý výstup těla.

Optimalizace PIR a Chopperu

Chcete-li dosáhnout nejlepších možných výsledků, musíte pro PIR a sdružení vrtulníků zajistit následující kritéria.

Sekací kotouč nebo nože by měly být umístěny tak, aby se otáčely mezi fresnelovou čočkou a vnitřním snímačem PIR.

Průměr fresnelovy čočky by neměl být větší než 10 mm.

Ohnisková vzdálenost objektivu by měla být přibližně 20 mm.

Vzhledem k tomu, že typická snímací oblast NA_d 1,6 mm Phi a je instalován blízko ohniskové vzdálenosti objektivu, bylo zjištěno, že zorné pole nebo FOV je 4,58^nebopomocí následujícího vzorce:

FOV_{(poloviční úhel)}≈ | ano^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^nebo

V této rovnici d_s - označuje zjistitelný průměr snímače a - F je ohnisková vzdálenost objektivu.

Chopper Blade Specifikace

Pracovní účinnost bezkontaktního teploměru do značné míry závisí na tom, jak je dopadající infračervené záření pulzováno přes systém střídače a

V tomto vrtulníku musí být použity následující rozměry:

Řezačka by měla mít 4 nože a průměr Dc by měl být kolem 80 mm. Mělo by být poháněno krokovým motorem nebo obvodem řízeným PWM.

Přibližná rotační frekvence by pro optimální výkon měla klesnout kolem 5 Hz až 8 Hz.

Fresnelova čočka PIR musí být umístěna 16 mm za pyroelektrickým senzorem tak, aby průměr přicházejícího infračerveného signálu dopadajícího na čočku byl přibližně 4 mm a tento průměr by měl být mnohem menší než „šířka zubu“ TW sekačky disk.

Závěr

Bezkontaktní termální skener nebo infračervený teploměr je velmi užitečné zařízení, které umožňuje měřit teplotu lidského těla na dálku bez jakéhokoli fyzického kontaktu.

Srdcem tohoto zařízení je infračervený senzor, který detekuje úroveň tepla ve formě sálavého toku těla a převádí jej na ekvivalentní úroveň elektrického potenciálu.

K tomuto účelu lze použít dva typy senzorů, a to termočlánkový senzor a pyroelektrický senzor.

I když fyzicky vypadají oba podobně, v pracovním principu je obrovský rozdíl.

Termočlánek pracuje se základním principem termočlánku a generuje elektrický potenciál úměrný rozdílu teplot napříč svými spoji termočlánku.

Pyroelektrický senzor, který se běžně používá v PIR senzorech, pracuje detekcí změny teploty tělesa, když těleso s vyšší teplotou, než je okolní teplota, překročí zorné pole snímače. Tato změna teplotní hladiny se převádí proporcionální množství elektrického potenciálu na jeho výstupu

Termočlánek jako lineární zařízení je mnohem jednodušší konfigurovat a implementovat do všech forem aplikací termálního skenování.