In diesem Beitrag lernen wir das grundlegende Arbeitskonzept von Thermoscannern oder kontaktlosen IR-Thermometern kennen und lernen, wie man einen praktischen DIY-Prototyp des Geräts herstellt ohne Arduino .

In der Zeit nach COVID-19 ist es ein häufiger Anblick, wenn Ärzte eine kontaktlose Temperaturpistole halten und auf die Stirn eines COVID-19-Verdächtigen zeigen.

Das Gerät ist eigentlich ein berührungsloses Thermometer, das die momentane Temperatur der Körperoberfläche des Verdächtigen erfasst und dem Arzt ermöglicht, zu erkennen, ob die Person normal ist oder an Fieber leidet.

Grundlegende Testmethode

Während des Testprozesses finden wir die autorisierte Person, die einen Laserstrahl von der berührungslosen Temperaturpistole auf die Stirn des Verdächtigen richtet und die Temperatur auf dem hinteren LCD-Bildschirm des Geräts notiert.

Der Laserstrahl hat tatsächlich keinen direkten Zusammenhang mit dem Temperaturmessverfahren. Es dient lediglich dazu, dem Arzt zu helfen, sicherzustellen, dass das Infrarot-Thermometer korrekt auf den idealen Ort des Körpers zur Bestimmung des Ziels ausgerichtet ist Körpertemperatur meistens genau.

Stefan-Boltzmann-Gesetz

Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ist der gesamte Strahlungsaustritt eines Körpers M._ist(T) ist proportional zur vierten Potenz seiner Temperatur, wie in der folgenden Gleichung gezeigt

M._ist(T) = εσT⁴

In dieser Gleichung bedeutet ε das Emissionsvermögen.

σ bezeichnet die Stefan-Boltzmann-Konstante, die der Größe 5.67032 x 10 entspricht^-1212 Wcm^-zweiZU^-4, wobei der Buchstabe K die Temperatureinheit in Kelvin ist.

Die obige Gleichung legt nahe, dass bei steigender Körpertemperatur auch die Infrarotstrahlung proportional zunimmt. Diese IR-Strahlung konnte aus der Ferne gemessen werden, ohne dass ein physischer Kontakt erforderlich war. Das Ablesen kann uns das momentane Temperaturniveau des Körpers liefern.

Welcher Sensor ist anwendbar?

Der Sensor, der am besten geeignet ist und in berührungslosen Thermometern verwendet wird, ist a Thermosäulensensor .

Ein Thermopile-Sensor wandelt eine einfallende Infrarot-Wärmekarte von einer entfernten Quelle in eine proportionale Menge einer winzigen elektrischen Spannungsabgabe um.

Es funktioniert nach dem Prinzip des Thermoelements, bei dem unterschiedliche Metalle in Reihe oder parallel zu „heißen“ und „kalten“ Übergängen verbunden werden. Wenn der Infrarotstrahlungsfluss von einer Quelle auf die Thermosäule fällt, erzeugt er einen Temperaturunterschied zwischen diesen Übergängen und entwickelt eine äquivalente Elektrizitätsmenge über die Endanschlüsse des Thermoelements.

Diese zur Wärmequelle proportionale elektrische Leistung kann gemessen werden, um das Temperaturniveau der Körperquelle zu bestimmen.

Das Thermoelement in einem Thermosäulensensor ist über einem Siliziumchip eingebettet, wodurch das System äußerst empfindlich und genau ist.

Verwenden des Thermopile-Sensors MLX90247

Der IC MLX90247 ist ein hervorragendes Beispiel für ein vielseitiges Thermopile-Sensorgerät, das ideal zur Herstellung eines Thermoscannergeräts oder eines berührungslosen Thermometergeräts verwendet werden kann.

Der IC MLX90247 besteht aus einem gestapelten Thermoelementnetzwerk über der Oberfläche einer Membran.

Die wärmeempfanglichen Übergänge des Thermoelements sind strategisch nahe der Mitte der Basismembran positioniert, während die differentiellen Kaltübergänge am Rand der Vorrichtung angeordnet sind, die den Siliziumvolumenbereich der Einheit bilden.

Da die Membran als schlechter Wärmeleiter ausgelegt ist, kann die von der Quelle erfasste Wärme in der Nähe des Menbrane-Zentrums schnell ansteigen als an der Hauptkante der Vorrichtung.

Aufgrund dessen kann sich über die Enden der Thermopile-Verbindungsstellen ein schneller Wärmeunterschied entwickeln, wodurch sich durch das thermoelektrische Prinzip ein effektives elektrisches Potential zwischen diesen Anschlüssen entwickelt.

Das Beste am Thermopile-Sensor ist, dass er im Gegensatz zu Standard-ICs keine externe Stromversorgung benötigt, sondern ein eigenes elektrisches Potential erzeugt, um die erforderliche Messung zu ermöglichen.

Sie erhalten zwei Varianten des IC MLX90247, wie unten gezeigt, wobei eine Variante eine Ground-Vss-Option bietet und die andere ohne Vss-Pin.

Die obere Option ermöglicht eine bipolare Messung der IR-Temperatur. Dies bedeutet, dass der Ausgang Temperaturen anzeigen kann, die höher als die Umgebungstemperatur und auch niedriger als die Umgebungstemperaturen sind.

Die untere Option kann verwendet werden Temperatur messen entweder über dem Umgebungsniveau oder unter dem Umgebungsniveau und ermöglicht somit eine unipolare Messeinrichtung.

Warum Thermistor in der Thermosäule verwendet wird

Im obigen IC MLX90247 sehen wir a Thermistor im Gerätepaket enthalten sein. Der Thermistor spielt eine wichtige Rolle bei der Erzeugung eines Referenzpegelausgangs für die externe Messeinheitsstufe.

Der Thermistor ist eingebaut, um die Umgebungstemperatur oder die Körpertemperatur des Geräts zu erfassen. Dieser Umgebungstemperaturpegel wird zum Referenzpegel für die Ausgangsverstärkerstufe.

Solange die IR-Temperatur vom Ziel unter oder gleich diesem Referenzpegel liegt, reagiert die externe Verstärkerstufe des Operationsverstärkers nicht und ihr Ausgang bleibt 0 V.

Sobald jedoch die IR-Strahlung des Körpers die Umgebungstemperatur überschreitet, reagiert der Operationsverstärker und erzeugt eine gültige messbare Leistung, die linear der ansteigenden Wärmeleistung des Körpers entspricht.

Kontaktlose Thermometerschaltung mit IC MLX90247 Thermopile Sensor

In der obigen Prototypschaltung einer berührungslosen IR-Thermometerschaltung befindet sich der Thermopile-Sensor IC MLX90247 im bipolaren Modus, der mit einem externen Operationsverstärker konfiguriert ist, der winzige elektrische Daten von der Thermopile in einen messbaren Ausgang umwandeln soll.

Der obere Operationsverstärker verstärkt den Thermoelementausgang des IC MLX90247, während der untere Operationsverstärker die Umgebungstemperatur des IC verstärkt.

Ein einfaches Differential VU-Meter wird an die Ausgänge der beiden Operationsverstärker angeschlossen. Solange sich vor der Thermosäule kein Wärmeabgabekörper befindet, bleibt seine Innentemperatur des Thermoelements gleich der Temperatur des angrenzenden Thermistors. Aus diesem Grund erzeugen die beiden Operationsverstärkerausgänge die gleiche Menge an Spannungen. Das VU-Messgerät zeigt somit eine 0 V in der Mitte seines Zifferblatts an.

Wenn ein menschlicher Körper mit einer höheren Temperatur als die Umgebung in den Erfassungsbereich der Thermosäule gebracht wird, steigt sein Thermoelementausgang über Pin2 und Pin4 exponentiell an und übersteigt den Thermistorausgang über Pin3 und Pin1.

Dies führt dazu, dass der obere Operationsverstärker mehr positive Spannung erzeugt als der untere Operationsverstärker. Das VU-Messgerät reagiert darauf und seine Nadel beginnt sich auf der rechten Seite der 0-V-Kalibrierung zu verschieben. Der Messwert zeigt direkt das Temperaturniveau des von der Thermosäule erfassten Ziels.

Welcher Operationsverstärker passt zur Anwendung?

Da der Ausgang der Thermosäule in Mikrovolt angegeben werden soll, muss der Operationsverstärker, der zur Verstärkung dieser extrem kleinen Spannung verwendet werden soll, hochempfindlich und hochentwickelt sein und eine sehr niedrige Eingangsversatzspezifikation aufweisen. Um die Bedingungen zu erfüllen, scheint ein Instrumenten-Operationsverstärker die beste Wahl für diese Anwendung zu sein.

Obwohl Sie online viele gute Instrumentenverstärker finden, scheint der INA333 Micro-Power (50 μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail-Out-Instrumentenverstärker der am besten geeignete Kandidat zu sein.

Es gibt viele großartige Eigenschaften, die diesen IC am besten zum Verstärken von Thermoelementspannungen auf messbare Größen geeignet machen. Eine grundlegende IC INA333-Instrumentenverstärkerschaltung ist unten zu sehen, und diese Konstruktion kann zum Verstärken der oben erläuterten Thermopile-Schaltung verwendet werden.

In dieser INA333-Operationsverstärkerschaltung befindet sich der Widerstand R._G bestimmt die Verstärkung der Schaltung und kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Gewinn = 1 + 100 / R._G

Das Ausgabeergebnis wird in Kilo Ohm angegeben.

Durch diese Formel können wir die Gesamtverstärkung der Schaltung in Abhängigkeit von dem von der Thermosäule empfangenen Mikrovoltpegel einstellen.

Die Verstärkung kann direkt von 0 bis 10.000 eingestellt werden, was dem Operationsverstärker eine außergewöhnliche Verstärkungsfähigkeit für Mikrovolt-Eingänge bietet.

Um diesen Instrumentenverstärker ohne Thermopile-IC verwenden zu können, benötigen wir zwei dieser Operationsverstärkermodule. Einer wird zum Verstärken des Thermoelementsignalausgangs verwendet, und der andere wird zum Verstärken des Thermistorsignalausgangs verwendet, wie unten gezeigt

Der Aufbau kann zur Herstellung eines kontaktlosen IR-Thermometers verwendet werden, das als Reaktion auf eine linear ansteigende IR-Wärme, wie von der Thermosäule erfasst, einen linear ansteigenden Analogausgang erzeugt.

Der Analogausgang kann entweder an ein Milivolt-VU-Messgerät oder an ein angeschlossen werden digitales mV meter für eine sofortige Interpretation des Temperaturniveaus des Körpers.

Die Ausgabe V._oder könnte auch durch die folgende Gleichung geschätzt werden:

V._oder = G ( V._{in +} - - V._im- )

Liste der Einzelteile

Die folgenden Teile werden benötigt, um die oben erläuterte schaltlose Thermometerschaltung aufzubauen:

Thermopile Sensor IC MLX90247 - 1Nr
Instrumentierung Operationsverstärker INA333 - 2nos
Voltmeter mit einem Bereich von 0 bis 1 V FSD - 1No
1,2 V AAA Ni-Cd-Zellen zur Stromversorgung des INA333 - 2nos

Der Voltmeterwert muss in Celsius kalibriert werden, was mit einigen Experimenten und Versuchen und Irrtümern möglich ist.

Verwenden eines PIR

Zu normal PIR-Sensor funktioniert auch gut und bietet eine günstige Alternative für diese Art von Anwendungen.

Ein PIR enthält einen Sensor auf der Basis von pyroelektrischem Material wie TGS, BaTiO3 usw., der eine spontane Polarisation durchläuft, wenn er eine Temperaturänderung innerhalb seines Erfassungsbereichs erfasst.

Die Polarisationsladung in einer PIR-Vorrichtung, die aufgrund einer Temperaturänderung erzeugt wird, hängt von der Bestrahlungsleistung ab Phi_ist vom Körper auf den PIR-Sensor übertragen. Dadurch erzeugt der PIR-Ausgang einen Strom ich_d ωpA_d(( Δ T) .

Das Gerät erzeugt auch eine Spannung V._oder das kann gleich dem Produkt des Stroms sein ich_d und die Impedanz des Geräts. Dies kann mit der folgenden Gleichung ausgedrückt werden:

V._oder= Ich_dR._d/ √1 + ω^zweiR.^zwei_dC.^zwei_d

Diese Gleichung kann weiter gestrafft werden in:

V._oder= ωpA_dR._d(( Δ T) / √1 + ω^zweiR.^zwei_dC.^zwei_d

wobei p den pyroelektrischen Koeffizienten angibt, ω die Bogenfrequenz bezeichnet und und Δ T ist gleich der Differenz der Detektortemperatur T._d
und Umgebungstemperatur T._zu.

Durch Anwendung der Wärmebilanzgleichung stellen wir nun fest, dass der Wert von Δ T kann abgeleitet werden, wie in der folgenden Gleichung ausgedrückt:

Δ T = R._T.Phi_ist/ √ (1 + ω^zweiτ^zwei_T.)

Wenn wir diesen Wert von ersetzen Δ T in der vorherigen Gleichung erhalten wir ein Ergebnis, das den Vo mit einer Bandpasseigenschaften darstellt, wie unten gezeigt:

wo τ_IS bezieht sich auf die elektrische Zeitkonstante ( R._dC._d ), τ_T. zeigt die
thermische Zeitkonstante ( R._T.C._T. ), und Phi_ist symbolisiert die Strahlung
Strom vom Ziel vom Sensor erfasst.

Die obigen Diskussionen und Gleichungen beweisen, dass die Ausgangsspannung Vo von einem PIR direkt proportional zur von der Quelle emittierten Strahlungsleistung ist und somit ideal für kontaktlose Temperaturmessanwendungen geeignet ist.

Wir wissen jedoch, dass ein PIR nicht auf eine Briefpapier-IR-Quelle reagieren kann und dass die Quelle in Bewegung sein muss, um eine lesbare Ausgabe zu ermöglichen.

Da sich die Geschwindigkeit der Bewegung auch auf die Ausgabedaten auswirkt, müssen wir sicherstellen, dass sich die Quelle mit einer genauen Geschwindigkeit bewegt, ein Aspekt, der auf einem menschlichen Ziel möglicherweise nicht implementiert werden kann.

Daher ist es eine einfache Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, das menschliche Ziel als Briefpapier zu verwenden und seine Bewegung durch Anschließen eines künstlichen Ziels zu replizieren Motorbasierter Chopper mit dem PIR-Linsensystem.

Kontaktloser Thermometer-Prototyp mit PIR

In den folgenden Abschnitten wird der Testaufbau eines praktischen thermischen Scannersystems erläutert, mit dem nach einer gründlichen Optimierung der verschiedenen beteiligten Parameter ein praktischer Prototyp erstellt werden kann.

Wie im vorherigen Abschnitt erfahren, erfasst ein PIR die Strahlungsemission in Form einer Änderungsrate der Temperatur dT / dt und reagiert daher nur auf eine Infrarotwärme, die mit einer entsprechend berechneten Frequenz gepulst wird.

Gemäß Experimenten wurde festgestellt, dass der PIR bei einer Pulsfrequenz von etwa 8 Hz am besten funktioniert, was durch ein stetiges Zerhacken des eingehenden Signals durch einen Servo-Chopper erreicht wird

Grundsätzlich ermöglicht das Zerhacken der Signale dem PIR-Sensor, die Strahlungsleistung des Körpers als Spannungsspitzen zu bewerten und auszugeben. Wenn die Chopperfrequenz korrekt optimiert ist, ist der Durchschnittswert dieser Spitzen direkt proportional zur Intensität der Strahlungstemperatur.

Das folgende Bild zeigt einen typischen Testaufbau zum Erstellen einer optimierten Messeinheit oder der MU.

Um ein effizientes Funktionieren des Systems zu gewährleisten, muss der Abstand zwischen der IR-Quelle und dem Sichtfeld (FOV) des Sensors etwa 40 cm betragen. Mit anderen Worten müssen der Strahlungskörper und die PIR-Linse einen Abstand von 40 cm voneinander haben.

Wir können auch ein Zerhackersystem sehen, das aus einem kleinen Schrittmotor mit einem Propeller besteht, der zwischen der Fresnellinse und dem pyroelektrischen PIR-Sensor installiert ist.

Wie es funktioniert

Die IR-Strahlung des Körpers tritt durch die Fresnellinse, wird dann vom Zerhackermotor mit einer Frequenz von 8 Hz zerhackt und die resultierende gepulste IR-Strahlung wird vom PIR-Sensor erfasst.

Der diesem erkannten IR äquivalente Ausgangswechselstrom wird dann an die mit vielen Operationsverstärkerstufen hergestellte 'Signalaufbereitungsstufe' angelegt.

Die endgültige verstärkte und konditionierte Ausgabe des Signalaufbereiters wird auf einem Oszilloskop analysiert, um die Reaktion der Schaltung auf einen variierenden Strahlungsaustritt eines Körpers zu überprüfen.

PIR und Chopper optimieren

Um die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen, müssen die folgenden Kriterien für die PIR und die Chopper-Zuordnung sichergestellt werden.

Die Zerhackerscheibe oder die Klingen sollten so positioniert sein, dass sie sich zwischen der Fresnellinse und dem internen PIR-Sensor drehen.

Der Fresnellinsendurchmesser sollte nicht mehr als 10 mm betragen.

Die Brennweite des Objektivs sollte ca. 20 mm betragen.

In Anbetracht der Tatsache, dass der typische Erfassungsbereich von ZU_d 1,6 mm Phi und in der Nähe der Brennweite des Objektivs installiert ist, beträgt das Sichtfeld oder FOV 4,58^odermit der folgenden Formel:

FOV_{(halber Winkel)}≈ | so^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^oder

In dieser Gleichung d_s bezeichnet den nachweisbaren Durchmesser des Sensors und f ist die Brennweite des Objektivs.

Chopper Blade Technische Daten

Die Arbeitseffizienz des kontaktlosen Thermometers hängt weitgehend davon ab, wie das einfallende Infrarot durch das Zerhackersystem und gepulst wird

In diesem Chopper müssen folgende Abmessungen verwendet werden:

Der Zerhacker sollte 4 Blätter haben und ein Durchmesser Dc sollte ungefähr 80 mm betragen. Es sollte über einen Schrittmotor oder eine PWM-gesteuerte Schaltung angetrieben werden.

Die ungefähre Drehfrequenz sollte für eine optimale Leistung zwischen 5 Hz und 8 Hz liegen.

Die PIR-Fresnellinse muss 16 mm hinter dem pyroelektrischen Sensor positioniert sein, so dass der auf die Linse fallende Durchmesser des ankommenden IR-Signals etwa 4 mm beträgt und dieser Durchmesser viel kleiner sein soll als die 'Zahnbreite' TW des Zerhackers Scheibe.

Fazit

Ein berührungsloser Thermoscanner oder ein IR-Thermometer ist ein sehr nützliches Gerät, mit dem die Körpertemperatur des Menschen aus der Ferne ohne physischen Kontakt gemessen werden kann.

Das Herzstück dieses Geräts ist ein Infrarotsensor, der das Wärmelevel in Form des Strahlungsflusses eines Körpers erfasst und in ein äquivalentes elektrisches Potential umwandelt.

Die zwei Arten von Sensoren, die für diesen Zweck verwendet werden können, sind der Thermopile-Sensor und der pyroelektrische Sensor.

Obwohl beide physisch ähnlich aussehen, gibt es einen großen Unterschied im Arbeitsprinzip.

Eine Thermosäule arbeitet nach dem Grundprinzip eines Thermoelements und erzeugt ein elektrisches Potential, das proportional zur Temperaturdifferenz an ihren Thermoelementübergängen ist.

Ein pyroelektrischer Sensor, der normalerweise in PIR-Sensoren verwendet wird, erfasst die Temperaturänderung eines Körpers, wenn der Körper mit einer höheren Temperatur als der Umgebungstemperatur das Sichtfeld des Sensors überschreitet. Diese Änderung des Temperaturniveaus wird proportional zu seinem elektrischen Potential an seinem Ausgang umgewandelt

Thermopile als lineares Gerät ist viel einfacher zu konfigurieren und in alle Arten von thermischen Scananwendungen zu implementieren.