У овом посту ћемо научити основни концепт рада термичких скенера или бесконтактних ИЦ термометара, а такође ћемо научити и како направити практични ДИИ прототип јединице без Ардуина .

У ери пост ЦОВИД-19, сведочење лекара који држе безконтактни температурни пиштољ и упиру у чело осумњиченог за ЦОВИД-19 је уобичајена појава.

Уређај је заправо термометар без контакта, који открива тренутну температуру површине тела осумњиченог и омогућава лекару да зна да ли је особа нормална или пати од грознице?

Основни метод испитивања

У процесу испитивања проналазимо овлашћену особу која усмерава ласерски зрак из бесконтактне температурне пушке на чело осумњиченог и бележи температуру на задњој ЛЦД плочи уређаја.

Ласерски зрак заправо нема директне везе са поступком мерења температуре. Служи само за помоћ лекару да осигура да инфрацрвени термометар буде правилно усмерен на идеално место тела за одређивање телесна температура углавном тачно.

Штефан – Болцманов закон

Као што наводи Стефан – Болтзманн-ов закон, укупни сјајни излазак тела М_је(Т) је пропорционалан четвртој степени његове температуре, као што је приказано у следећој једначини

М._је(Т) = εσТ⁴

У овој једначини ε означава емисивност.

σ означава Стефан-Болтзманн-ову константу која је еквивалентна величини 5.67032 к 10^-1212 Вцм^-дваДО^-4, где је слово К јединица температуре у Келвинима.

Горња једначина сугерише да када температура тела порасте, његов инфрацрвени зрачење се такође пропорционално повећава. Ово ИР зрачење могло би се мерити из даљине без потребе за било каквим физичким контактом. Очитавање нам може пружити тренутни ниво температуре тела.

Који сензор је применљив

Сензор који је најприкладнији и користи се у бесконтактним термометрима је термопиле сензор .

Термопиле сензор претвара инфрацрвену мапу топлоте из удаљеног извора у пропорционалну количину малог излазног електричног напона.

Ради на принципу термоелемента, у којем се различити метали спајају серијски или паралелно како би се створили „врући“ и „хладни“ спојеви. Када инфрацрвени зрачни ток из извора падне на термопилу, ствара разлику у температури на тим спојевима, развијајући еквивалентну количину електричне енергије на крајњим терминалима термоелемента.

Овај електрични излаз пропорционалан извору топлоте може се мерити како би се идентификовао ниво температуре из извора тела.

Термоелемент унутар сензора термопиле уграђен је у силиконски чип што систем чини изузетно осетљивим и тачним.

Коришћење сензора термопиле МЛКС90247

ИЦ МЛКС90247 је одличан пример свестраног уређаја са термопилом који се идеално може користити за израду уређаја за термички скенер или бесконтактног термометра.

ИЦ МЛКС90247 је сачињен од нагомилане мреже термопарова преко површине мембране.

Спојеви топлоте који прихватају топлоту су стратешки позиционирани близу центра основне мембране, док су диференцијални хладни спојеви постављени на ивици уређаја који чине силицијумску површину јединице.

С обзиром да је мембрана дизајнирана да буде лош проводник топлоте, детектована топлота из извора може брзо да порасте у близини центра менбране од обимне ивице уређаја.

Због тога се брза разлика топлоте може развити преко крајева споја термопиле узрокујући ефикасан електрични потенцијал који се развија преко ових терминала помоћу термо-електричног принципа.

Најбољи део сензора термопиле је тај што за разлику од стандардних ИЦ-а он не захтева спољно напајање електричном енергијом, већ генерише сопствени електрични потенцијал за омогућавање потребних мерења.

Добијате две варијанте ИЦ МЛКС90247, као што је приказано доле, при чему једна варијанта пружа уземљену Всс опцију, а друга је без Всс пина.

Горња опција омогућава биполарно мерење ИЦ температуре. Што значи да излаз може показивати температуре више од температуре околине и такође ниже од температура околине.

Доња опција се може користити за измерити температуру било изнад нивоа околине или испод нивоа околине, и тако омогућава униполарно мерно постројење.

Зашто се Термистор користи у термопили

На горе наведеном ИЦ МЛКС90247 можемо видети а термистор укључени у пакет уређаја. Термистор игра важну улогу у стварању излаза референтног нивоа за степен спољне мерне јединице.

Термистор је уграђен за детекцију температуре околине или телесне температуре уређаја. Овај ниво температуре околине постаје референтни ниво за излазну опциону фазу појачала.

Све док је ИЦ температура од циља нижа или једнака овом референтном нивоу, спољни ступањ опционог појачала не реагује и његов излаз остаје 0 В.

Међутим, чим ИР зрачење из тела пређе околну температуру, опционо појачало почиње да реагује како би произвело ваљан мерљиви излаз који линеарно одговара растућем топлотном излазу тела.

Круг бесконтактног термометра који користи ИЦ МЛКС90247 сензор термопиле

У горњем прототипу кола бесконтактног ИЦ термометра, пронашли смо сензор термопиле ИЦ МЛКС90247 у биполарном режиму, конфигурисан са спољним опционим појачалом дизајнираним да појача мале електричне из термопила у мерљиви излаз.

Горње опционо појачало појачава излаз термоелемента са ИЦ МЛКС90247, док доње опционо појачало појачава температуру околине ИЦ.

Једноставан диференцијал ВУ метар је прикључен на излазе два опциона појачала. Све док нема тела које емитује топлоту испред термопиле, његова унутрашња температура термоелемента остаје једнака суседној температури термистора. Због тога два оптичка излаза генеришу једнаку количину напона. ВУ мерач тако показује 0 В у центру бројача.

У случају да се људско тело које има вишу температуру од околине уврсти у опсег осетљивости термопиле, његов излаз термоелемента преко пин2 и пин4 почиње експоненцијално да расте и премашује излаз термистора преко пин3 и пин1.

То резултира горњим опционим појачалом које генерише позитивнији напон од доњег опцијског појачала. ВУ мерач реагује на то и његова игла почиње да се помера на десној страни 0В калибрације. Очитање директно показује ниво температуре циља који је детектован термопилом.

Које опционо појачало одговара апликацији

Будући да би излаз из термопиле требало да буде у микроволтама, опцијско појачало које се користи за појачавање овог изузетно малог напона мора бити високо осетљиво и софистицирано и са врло малом спецификацијом улазног офсета. Да би се задовољили услови, чини се да је опционо појачало за инструменте најбољи избор за ову апликацију.

Иако на мрежи можете наћи мноштво добрих појачивача за инструментацију, ИНА333 појачавач микро снаге (50μА), Зерø-Дрифт, појачавач инструментације између шина и шине изгледа да је најприкладнији кандидат.

Постоји много сјајних карактеристика које ову ИЦ чине најприкладнијом за појачавање напона термопарова у мерљиве величине. Основни склоп појачала за инструментацију ИЦ ИНА333 може се видети доле, а овај дизајн се може користити за појачање горе објашњеног кола термопиле.

У овом ИНА333 оп амп кругу отпорник Р._Г. одређује појачање кола и може се израчунати помоћу формуле:

Добитак = 1 + 100 / Р_Г.

Резултат ће бити у кило охима.

Кроз ову формулу можемо подесити укупни добитак кола у зависности од нивоа микроволте примљене од термопиле.

Појачање се може подесити тачно од 0 до 10 000, што оперативном појачалу пружа изузетан ниво појачања за микроволтне улазе.

Да бисмо могли да користимо ово инструментационо појачало без термопиле ИЦ, требат ће нам два од ових модула опционог појачала. Један ће се користити за појачавање излаза сигнала термоелемента, а други за појачавање излаза сигнала термистора, као што је приказано доле

Поставка се може користити за израду бесконтактног ИЦ термометра, који ће произвести линеарно растући аналогни излаз као одговор на линеарно растућу ИЦ топлоту, како је детектована термопилом.

Аналогни излаз може бити прикључен на миливолт ВУ мерач или а дигитални мВ метар за тренутну интерпретацију нивоа температуре тела.

Излаз В._или се такође може проценити путем следеће једначине:

В._или = Г ( В._{у +} - В._у- )

Листа делова

Следећи делови ће бити потребни за изградњу горе објашњеног бежичног кола термометра:

ИЦ сензор термопиле МЛКС90247 - 1бр
Инструментација Оп амп ИНА333 - 2нос
Волтметар са опсегом 0 до 1В ФСД - 1но
Ни-Цд ћелије од АА АА од 1,2 В за напајање ИНА333 - 2нос

Очитавање волтметра мораће да се калибрише у Целзијусу, што се може урадити уз мало експериментисања и покушаја и грешака.

Коришћење ПИР-а

У нормалу ПИР сензор такође лепо функционише и пружа јефтину алтернативу за ове врсте апликација.

ПИР укључује сензор на бази пироелектричног материјала као што су ТГС, БаТиО3 и тако даље, који пролази кроз спонтану поларизацију када осети промену температуре унутар свог опсега детекције.

Поларизациони набој у ПИР уређају генерисан услед промене његове температуре зависи од снаге зрачења Пхи_је преноси тело на ПИР сензору. Ово доводи до тога да ПИР излаз генерише струју Ја_д ωпА_д( Δ Т) .

Уређај такође генерише напон В._или који може бити једнак производу струје Ја_д и импедансе уређаја. То се може изразити следећом једначином:

В._или= И_дР._д/ √1 + ω^дваР.^два_дЦ.^два_д

Ова једначина се може даље усмјерити у:

В._или= ωпА_дР._д( Δ Т) / √1 + ω^дваР.^два_дЦ.^два_д

где п означава пироелектрични коефицијент, ω означава радијанску фреквенцију, а Δ Т је једнака разлици у температури детектора Т_д
и температура околине Т._до.

Сада применом једначине равнотеже топлоте налазимо да је вредност Δ Т се може извести на начин изражен у следећој једначини:

Δ Т = Р._Т.Пхи_је/ √ (1 + ω^дваτ^два_Т.)

Ако заменимо ову вредност од Δ Т у претходној једначини добијамо резултат који представља Во са опсежним опсегом, као што је приказано доле:

где τ_ИС односи се на електричну временску константу ( Р._дЦ._д ), τ_Т. указује на
термичка временска константа ( Р._Т.Ц._Т. ), и Пхи_је симболизује блистав
напајање од циља који је детектовао сензор.

Горње дискусије и једначине доказују да је излазни напон Во из ПИР-а директно пропорционалан зрачењу коју емитује извор, и стога постаје идеално погодан за бесконтактне примене температуре.

Међутим, знамо да ПИР не може да реагује на дописнички ИР извор и захтева да извор буде у покрету ради омогућавања читљивог излаза.

Будући да брзина кретања такође утиче на излазне податке, морамо бити сигурни да се извор креће прецизном брзином, аспектом који је можда немогуће применити на људској мети.

Према томе, једноставан начин да се томе супротстави је да људска мета буде канцеларијски материјал и преслика њено кретање повезивањем вештачког хеликоптер на бази мотора са ПИР системом сочива.

Прототип бесконтактног термометра који користи ПИР

Следећи параграфи објашњавају постављање теста практичног система термичког скенера, који се може применити за изградњу практичног прототипа, након темељне оптимизације различитих укључених параметара.

Као што је научено у претходном одељку, ПИР је дизајниран да детектује зрачење у облику брзине промене температуре дТ / дт , и стога реагује само на инфрацрвену топлоту која импулсира са одговарајуће израчунатом фреквенцијом.

Према експериментима, утврђено је да ПИР најбоље ради при импулсној фреквенцији од око 8 Хз, што се постиже сталним сечењем долазног сигнала кроз серво хеликоптер

У основи, сецкање сигнала омогућава ПИР сензору да процени и избаци снагу зрачења тела као скокове напона. Ако је фреквенција хеликоптера правилно оптимизована, тада ће просечна вредност ових шиљака бити директно пропорционална интензитету температуре зрачења.

Следећа слика приказује типичан тест постављен за стварање оптимизоване мерне јединице или МУ.

Да би се обезбедио ефикасан рад система, растојање између ИР извора и видног поља сензора (ФОВ) мора бити око 40 цм. Другим речима, тело зрачења и ПИР сочиво морају бити удаљени 40 цм један од другог.

Такође можемо видети систем хеликоптера који се састоји од малог корачног мотора са пропелером инсталираним између сочива фреснел-а и ПИР пироелектричног сензора.

Како то ради

ИР зрачење из тела пролази кроз фреснел сочиво, затим га мотор уситњавача уситни на фреквенцији 8 Хз, а резултујуће импулсно ИР зрачење детектује ПИР сензор.

Излазни наизменични ток еквивалентан овом откривеном ИР-у се затим примењује на ступањ „кондиционера сигнала“ направљен са многим фазама оп амп.

Коначни појачани и условљени излаз из уређаја за кондиционирање сигнала анализира се на осцилоскопу како би се проверила реакција кола на променљив сјајни излазак тела.

Оптимизација ПИР-а и хеликоптера

Да би се постигли најбољи могући резултати, морају се осигурати следећи критеријуми за ПИР и асоцијацију хеликоптера.

Диск хеликоптера или ножеви треба да буду постављени тако да се окрећу између сочива фреснел-а и унутрашњег ПИР сензора.

Пречник фреснел сочива не сме бити већи од 10 мм.

Жижна даљина сочива треба да буде око 20 мм.

С обзиром на чињеницу да је типично осетљиво подручје ДО_д 1,6 мм Пхи и инсталиран је близу жижне даљине сочива, утврђено је да је видно поље или ФОВ 4,58^иликористећи следећу формулу:

ФОВ_{(пола угла)}≈ | тако^-1[(д_с/ 2) / ф] | = 2.29^или

У овој једначини д_с означава пречник сензора који се може уочити и ф је жижна даљина сочива.

Спецификације секача

Ефикасност рада бесконтактног термометра у великој мери зависи од тога како инфрацрвени инфаркт пулсира кроз систем хеликоптера и

У овом хеликоптеру морају се користити следеће димензије:

Хеликоптер треба да има 4 сечива, а пречник ДЦ треба да буде око 80 мм. Требало би да се вози кроз корачни мотор или ПВМ контролни круг.

Приближна фреквенција ротације треба да се креће око 5 Хз до 8 Хз за оптималне перформансе.

ФИР-сочиво ПИР мора бити постављено 16 мм иза пироелектричног сензора, тако да пречник долазног ИР сигнала који пада на сочиво износи око 4 мм, а тај пречник треба да буде много мањи од ТВ-а ширине зуба хеликоптера диск.

Закључак

Бесконтактни термички скенер или ИЦ термометар врло су корисни уређаји који омогућавају мерење температуре људског тела из даљине без икаквог физичког контакта.

Срце овог уређаја је инфрацрвени сензор који детектује ниво топлоте у облику зрачења тела и претвара га у еквивалентан ниво електричног потенцијала.

Двије врсте сензора које се могу користити у ту сврху су термопилени сензор и пироелектрични сензор.

Иако су физички обе сличне, постоји огромна разлика у принципу рада.

Термопила ради са основним принципом термоелемента и генерише електрични потенцијал пропорционални разлици температуре на својим спојевима термоелемента.

Пироелектрични сензор који се обично користи у ПИР сензорима делује тако што детектује промену температуре тела када тело са вишом температуром од температуре околине пређе видно поље сензора. Ова промена нивоа температуре претвара се у пропорционалну количину електричног потенцијала на његовом излазу

Термопилот као линеарни уређај је много лакше конфигурисати и применити у све облике апликација за термичко скенирање.