Selles postituses õpime termoskannerite või kontaktivabade infrapuna-termomeetrite põhitöökontseptsiooni ja õpime ka seadme praktilise isetegemise prototüübi valmistamist ilma Arduinota .

COVID-19 järgsel ajastul on tavaline nähtus, kuidas arstid näevad käes kontaktivaba temperatuuripüstolit ja osutavad COVID-19 kahtlusaluse otsaesisele.

Seade on tegelikult kontaktivaba termomeetri seade, mis tuvastab kahtlusaluse kehapinna hetketemperatuuri ja võimaldab arstil teada saada, kas inimene on normaalne või põeb palavikku?

Testimise põhimeetod

Testimisprotsessi käigus leiame, et volitatud isik osutab kahtlusaluse otsaesisele kontaktivaba temperatuuripüstolist laserkiirt ja märgib temperatuuri seadme tagaküljel olevale LCD-paneelile.

Laserkiirel pole temperatuuri mõõtmise protseduuriga tegelikult otsest seost. Seda kasutatakse ainult selleks, et aidata arstil tagada, et infrapuna-termomeeter oleks õigesti suunatud keha ideaalsele kohale kehatemperatuur enamasti täpselt.

Stefan – Boltzmanni seadus

Nagu Stefan – Boltzmanni seaduses on öeldud, on keha M kogu kiirgusväljund_on(T) on võrdeline temperatuuri neljanda võimsusega, nagu on näidatud järgmises võrrandis

M_on(T) = εσT⁴

Selles võrrandis tähistab ε kiirgust.

σ tähistab Stefani – Boltzmanni konstanti, mis on võrdne suurusega 5,67032 x 10^-1212 Wcm^{- kaks}TO^-4, kus täht K on temperatuuri ühik kelvinites.

Ülaltoodud võrrand viitab sellele, et kui keha temperatuur tõuseb, suureneb proportsionaalselt ka tema infrapunakiirgus. Seda IR-kiirgust saab mõõta eemalt, ilma et oleks vaja mingit füüsilist kontakti. Näit annab meile keha hetkelise temperatuuri taseme.

Milline andur on rakendatav

Andur, mis sobib kõige paremini ja mida kasutatakse kontaktivabades termomeetrites, on a termopile andur .

Termopile andur teisendab kaugest allikast pärit infrapuna soojuskaardi proportsionaalselt väikeseks elektriväljundiks.

See töötab termopaari põhimõttel, kus erinevad metallid ühendatakse järjestikku või paralleelselt, tekitamaks „kuuma” ja „külma” ristmikku. Kui allikast pärinev infrapunakiirguse voog langeb termopile, tekitab see nendes ristmikes temperatuuri erinevuse, tekitades samaväärse koguse elektrit üle termopaari otsaklemmide.

Seda elektriallikat, mis on proportsionaalne soojusallikaga, saab mõõta, et tuvastada keha allika temperatuuri tase.

Termopaaranduri sees olev termopaar on kinnitatud üle ränikiibi, mis muudab süsteemi äärmiselt tundlikuks ja täpseks.

Termopileanduri MLX90247 kasutamine

IC MLX90247 on suurepärane näide mitmekülgsest termopile anduriseadmest, mida saab ideaalselt kasutada termoskanneri või kontaktivaba termomeetri seadme valmistamiseks.

IC MLX90247 koosneb kuhjatud termopaarivõrgust membraani pinnal.

Termopaari soojust vastuvõtvad ühendused on strateegiliselt paigutatud alusmembraani keskpunkti lähedale, samas kui diferentsiaalsed külmad ristmikud asuvad seadme servas, mis moodustab seadme ränisisalduse.

Kuna membraan on kavandatud halbaks soojusjuhiks, suudab allikast tuvastatud soojus tõusta kiiresti menra keskpunkti lähedale kui seadme põhiserv.

Tänu sellele on termopilti ristmiku otstes võimalik kiiresti tekkida kuumuse vahe, põhjustades termoelektri põhimõttel efektiivse elektrilise potentsiaali nende klemmide vahel.

Termopile anduri parim osa on see, et erinevalt standardsetest mikrolülititest ei vaja see töötamiseks välist elektrivarustust, pigem loob see vajaliku mõõtmise võimaldamiseks oma elektrilise potentsiaali.

Saad kaks IC MLX90247 varianti, nagu allpool näidatud, kus üks variant pakub maandatud Vss-valikut ja teine on ilma Vss-tihvtita.

Ülemine variant võimaldab IR-temperatuuri bipolaarset mõõtmist. See tähendab, et väljund võib näidata ümbritsevast temperatuurist kõrgemat ja ka ümbritsevast madalamat temperatuuri.

Alumist valikut saab kasutada mõõta temperatuuri kas ümbritseva keskkonna tasemest kõrgemal või madalamal ja võimaldab seega unipolaarset mõõteseadet.

Miks Thermopile'is kasutatakse termistorit

Ülaltoodud IC-s MLX90247 näeme a termistor seadmepaketti. Termistor mängib olulist rolli välise mõõtühiku astme võrdlustaseme väljundi loomisel.

Termistor on sisse lülitatud seadme ümbritseva temperatuuri või kehatemperatuuri tuvastamiseks. Sellest ümbritseva õhu temperatuuri tasemest saab väljundvõimsuse astme etalon.

Kuni infrapuna temperatuur sihtmärgist on sellest võrdlustasemest madalam või sellega võrdne, ei reageeri välise opvõimendi võimendi aste ja selle väljund jääb 0 V.

Niipea kui keha IR-kiirgus ületab ümbritseva keskkonna temperatuuri, hakkab opvõimendi reageerima, et saada kehtiv mõõdetav väljund, mis vastab lineaarselt keha kasvavale soojusvõimsusele.

Kontaktivaba termomeetri vooluring IC ICXX90247 abil

Kontaktivaba IR-termomeetri ahela ülaltoodud prototüüpide ahelas leiame bipolaarses režiimis termopile anduri IC MLX90247, mis on konfigureeritud välise op-võimendiga, mis on kavandatud termopile pisikese elektrilise võimendamiseks mõõdetavasse väljundisse.

Ülemine op-võimendi võimendab IC MLX90247-st termopaari väljundit, alumine-võimendi aga IC-i ümbritsevat temperatuuri.

Lihtne diferentsiaal VU arvesti on ühendatud kahe op-võimendi väljundite külge. Niikaua kui termopalli ees pole soojust eraldavat keha, jääb selle sisemine termopaari temperatuur võrdseks külgneva termistori temperatuuriga. Seetõttu tekitavad kaks opvõimendi väljundit võrdse hulga pingeid. Sõidukiüksuse mõõtur näitab seega oma valimisketta keskel 0 V.

Juhul kui inimkeha, mille temperatuur on ümbritsevast kõrgem, viiakse termopalli sensatsioonivahemikku, hakkab selle termopaari väljund pin2 ja pin4 vahel eksponentsiaalselt tõusma ning ületab termistori väljundi pin3 ja pin1 vahel.

Selle tulemusel genereerib ülemine op-võimendi positiivsemat pinget kui alumine op-võimendi. Sõidukiüksuse arvesti reageerib sellele ja selle nõel hakkab 0V kalibreerimise paremal küljel nihkuma. Näidud näitavad otseselt termopilti tuvastatud sihtmärgi temperatuuritaset.

Milline opvõimendi rakendus sobib

Kuna termopile väljund peaks olema mikrovoltides, peab selle äärmiselt väikese pinge võimendamiseks kasutatav op-võimendi olema väga tundlik ja kogenud ning sisendi nihke spetsifikatsiooniga väga madal. Tingimuste täitmiseks näib selle rakenduse jaoks parim valik instrumenteerimise võimendi.

Ehkki võrgus võite leida palju häid instrumentatsioonivõimendeid, näib kõige sobivam kandidaat INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier.

Seal on palju suurepäraseid omadusi, mis muudavad selle IC kõige paremini termopaaride pingete võimendamiseks mõõdetavateks suurusteks. IC INA333 põhilist instrumentaarvõimendi vooluringi on näha allpool ja seda konstruktsiooni saab kasutada ülaltoodud termopile ahela võimendamiseks.

Selles INA333 op võimendi ahelas on takisti R_G määrab vooluahela võimenduse ja selle saab arvutada järgmise valemi abil:

Kasum = 1 + 100 / R_G

Väljundi tulemus on kilo oomi.

Selle valemi abil saame määrata vooluahela üldise võimenduse sõltuvalt termopililt saadud mikrovoldi tasemest.

Võimendust saab reguleerida otse vahemikus 0–10 000, mis tagab opvõimendi erakordse võimendusvõime mikrovoltisisendite jaoks.

Selle instrumentatsioonivõimendi kasutamiseks ilma termopile IC-ni on vaja kahte neist op-võimendi moodulitest. Ühte kasutatakse termopaari signaali väljundi võimendamiseks ja teist termistori signaali väljundi võimendamiseks, nagu allpool näidatud

Seadistust saab kasutada kontaktivaba IR-termomeetri valmistamiseks, mis annab lineaarselt suureneva analoogväljundi vastuseks lineaarselt suurenevale IR-kuumusele, nagu termopilt tuvastab.

Analoogväljundi võib kinnitada kas millivoltiga sõidukiüksuse mõõturile või a digitaalne mV-arvest keha temperatuuri taseme kohese tõlgenduse saamiseks.

Väljund V_või saab hinnata ka järgmise võrrandi abil:

V_või = G ( V_{+ -is} - V_sisse- )

Osade nimekiri

Eespool selgitatud konstantse termomeetri vooluringi ehitamiseks on vaja järgmisi osi:

Termopile anduri IC MLX90247 - 1nr
Instrumendid Op amp INA333 - 2nos
Voltmeeter vahemikus 0 kuni 1 V FSD - 1 ei
1,2 V AAA Ni-Cd elemendid INA333 - 2nose toitmiseks

Voltmeetri näit tuleb kalibreerida Celsiuse järgi, mida saab teha mõningate katsetuste ja katse-eksituse meetodil.

PIR-i kasutamine

Normaalseks PIR-andur töötab ka kenasti ja pakub seda tüüpi rakendustele odavat alternatiivi.

PIR sisaldab püroelektrilisel materjalil põhinevat andurit nagu TGS, BaTiO3 ja nii edasi, mis läbib spontaanse polarisatsiooni, kui tajub temperatuuri muutust selle avastamispiirkonnas.

Selle temperatuuri muutumise tõttu tekkinud PIR-seadme polarisatsioonilaeng sõltub kiiritusvõimsusest Phi_on keha edastab PIR-anduril. See tekitab PIR-väljundis voolu Mina_d ωpA_d( Δ T) .

Samuti tekitab seade pinget V_või mis võib olla võrdne voolu korrutisega Mina_d ja seadme impedants. Seda saab väljendada järgmise võrrandiga:

V_või= Mina_dR_d/ √1 + ω^kaksR^kaks_dC^kaks_d

Seda võrrandit saab veelgi sujuvamaks muuta:

V_või= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^kaksR^kaks_dC^kaks_d

kus p tähistab püroelektrilist koefitsienti, ω tähistab radiaani sagedust ja Δ T võrdub detektori temperatuuri T erinevusega_d
ja ümbritseva õhu temperatuur T_kuni.

Soojusbilansi võrrandit kasutades leiame, et Δ T saab tuletada järgmise võrrandi abil:

Δ T = R_TPhi_on/ √ (1 + ω^kaksτ^kaks_T)

Kui asendame selle väärtuse Δ T eelmises võrrandis saame tulemuse, mis tähistab Vo ribalaiuse omadustega, nagu on näidatud allpool:

kus τ_ON viitab elektrilisele ajakonstandile ( R_dC_d ), τ_T tähistab
termiline ajakonstant ( R_TC_T ) ja Phi_on sümboliseerib kiirgust
anduri tuvastatud võimsus sihtmärgist.

Ülaltoodud arutelud ja võrrandid tõestavad, et PIR-i väljundpinge Vo on otseselt proportsionaalne allikast eralduva kiirgusvõimsusega ja sobib seega ideaalselt kontaktivaba temperatuuri mõõtmiseks.

Kuid me teame, et PIR ei saa vastata kirjatarbe infrapunaallikale ja nõuab loetava väljundi lubamiseks allika liikumist.

Kuna liikumiskiirus mõjutab ka väljundandmeid, peame veenduma, et allikas liigub täpse kiirusega, seda aspekti võib olla inimobjektil võimatu rakendada.

Seetõttu on lihtne viis sellele vastu seista, et lasta inimese sihtmärgil olla kirjatarbed, ja korrata tema liikumist kunstlikku liidestades mootoril põhinev hakkija PIR-objektiivisüsteemiga.

Kontaktivaba termomeetri prototüüp, kasutades PIR-i

Järgmistes lõikudes selgitatakse praktilise termoskannerisüsteemi testimise seadistamist, mida saab rakendada praktilise prototüübi loomiseks pärast erinevate kaasatud parameetrite põhjalikku optimeerimist.

Nagu eelmises lõigus teada sai, on PIR loodud kiirgusemissiooni tuvastamiseks temperatuuri muutuse kiiruse kujul dT / dt ja reageerib seega ainult infrapunasoojusele, mida impulsitakse asjakohaselt arvutatud sagedusega.

Katsete kohaselt leiti, et PIR töötab kõige paremini umbes 8 Hz impulsi sagedusel, mis saavutatakse sissetuleva signaali pideva tükeldamise kaudu servomurustiga

Põhimõtteliselt võimaldab signaalide tükeldamine PIR-anduril hinnata ja väljastada keha kiirgusvõimsust pinge tõusuna. Kui hakkija sagedus on õigesti optimeeritud, on nende piikide keskmine väärtus otseselt proportsionaalne kiirgustemperatuuri intensiivsusega.

Järgmine pilt näitab tüüpilist katset, mis on loodud optimeeritud mõõtühiku või MU loomiseks.

Süsteemi tõhusa töö tagamiseks peab infrapunaallika ja anduri vaatevälja (FOV) vaheline kaugus olema umbes 40 cm. Teisisõnu, kiirgav korpus ja PIR-lääts peavad olema üksteisest 40 cm kaugusel.

Näeme ka hakkimissüsteemi, mis koosneb väikesest sammmootorist koos propelleriga, mis on paigaldatud fresneli läätse ja PIR püroelektrilise anduri vahele.

Kuidas see töötab

Keha infrapunakiirgus läbib fresneli läätse, seejärel tükeldatakse see hakkuri mootori abil 8 Hz sagedusel ja saadud pulseeritud IR-kiirgus tuvastatakse PIR-anduri abil.

Selle tuvastatud IR-ga samaväärne väljund AC rakendatakse seejärel signaali konditsioneerimise astmele, mis on tehtud paljude opvõimendi astmetega.

Signaalkonditsioneeri lõplikku võimendatud ja konditsioneeritud väljundit analüüsitakse ostsilloskoobi abil, et kontrollida vooluahela reaktsiooni keha muutuvale kiirgusväljundile.

PIRi ja hakkuri optimeerimine

Parimate võimalike tulemuste saamiseks peavad PIR-i ja hakkimisliidu jaoks olema tagatud järgmised kriteeriumid.

Hakkeri ketas või terad tuleks asetada pöörlema fresneli läätse ja PIR siseanduri vahel.

Fresneli läätse läbimõõt ei tohiks olla üle 10 mm.

Objektiivi fookuskaugus peaks olema umbes 20 mm.

Arvestades asjaolu, et tüüpiline sensatsioonipiirkond TO_d 1,6 mm Phi ja see on paigaldatud objektiivi fookuskauguse lähedale, leitakse, et vaateväli või FOV on 4,58^võikasutades järgmist valemit:

FOV_(poolnurk)≈ | nii^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^või

Selles võrrandis d_s tähistab anduri tuvastatavat läbimõõtu ja f on objektiivi fookuskaugus.

Hakkija tera spetsifikatsioonid

Kontaktivaba termomeetri töötõhusus sõltub suuresti sellest, kuidas langev infrapuna impulss toimub läbi hakkuri süsteemi ja

Selles hakkimismasinas tuleb kasutada järgmisi mõõtmeid:

Hakkijal peaks olema 4 tera ja läbimõõt Dc peaks olema umbes 80 mm. Seda tuleks juhtida läbi samm-mootori või PWM-i juhitava vooluahela.

Ligikaudne pöörlemissagedus peaks optimaalse jõudluse saavutamiseks olema umbes 5–8 Hz.

PIR fresneli lääts tuleb paigutada 16 mm püroelektrilise anduri taha, nii et läätsele langev sissetuleva infrapuna signaali läbimõõt on umbes 4 mm ja see läbimõõt peaks olema palju väiksem kui hakkuri hambalaiusega TW ketas.

Järeldus

Kontaktivaba termoskanner või infrapuna-termomeeter on väga kasulik seade, mis võimaldab mõõta inimese kehatemperatuuri eemalt ilma füüsilise kontaktita.

Selle seadme süda on infrapunaandur, mis tuvastab kuumuse taseme keha kiirgusvoo kujul ja muundab selle samaväärseks elektrilise potentsiaali tasemeks.

Seda tüüpi andureid, mida saab sel eesmärgil kasutada, on termopile andur ja püroelektriline andur.

Kuigi füüsiliselt tunduvad mõlemad sarnased, on tööpõhimõttel tohutu erinevus.

Termopaar töötab termopaari põhiprintsiibiga ja tekitab elektrilise potentsiaali, mis on proportsionaalne temperatuuri erinevusega kogu selle termopaari ristmike vahel.

PIRelektriline andur, mida tavaliselt kasutatakse PIR-andurites, tuvastab keha temperatuuri muutuse, kui ümbritseva õhu temperatuurist kõrgema temperatuuriga keha ületab anduri vaatevälja. See temperatuuritaseme muutus teisendab selle väljundis proportsionaalse osa elektrilisest potentsiaalist

Termopile on lineaarne seade, mida on palju lihtsam konfigureerida ja rakendada igasuguse termilise skannimise rakendustes.