In questo post impareremo il concetto di funzionamento di base degli scanner termici o dei termometri IR senza contatto e impareremo anche come realizzare un pratico prototipo fai-da-te dell'unità senza Arduino .

Nell'era post COVID-19, assistere a medici che impugnano una pistola termica senza contatto e puntano verso la fronte di un sospetto COVID-19 è uno spettacolo comune.

Il dispositivo è in realtà un termometro senza contatto, che rileva la temperatura istantanea della superficie corporea del sospettato e consente al medico di sapere se la persona è normale o soffre di febbre?

Metodo di prova di base

Durante il processo di test, troviamo la persona autorizzata che punta un raggio laser dalla pistola termica senza contatto sulla fronte del sospetto e rileva la temperatura sul pannello LCD posteriore del dispositivo.

Il raggio laser in realtà non ha alcun collegamento diretto con la procedura di misurazione della temperatura. Serve semplicemente ad aiutare il medico a garantire che il termometro a infrarossi sia puntato correttamente nel punto ideale del corpo per determinare il temperatura corporea per lo più accuratamente.

Legge Stefan – Boltzmann

Come affermato dalla legge di Stefan-Boltzmann, l'uscita radiante totale di un corpo M_e(T) è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura, come mostrato nella seguente equazione

M_e(T) = εσT⁴

In questa equazione ε indica l'emissività.

σ denota la costante di Stefan – Boltzmann che è equivalente alla quantità 5.67032 x 10^-1212 Wcm^-DuePER^-4, dove la lettera K è l'unità di temperatura in Kelvin.

L'equazione di cui sopra suggerisce che quando la temperatura di un corpo aumenta, anche la sua radiazione infrarossa aumenta proporzionalmente. Questa radiazione IR può essere misurata a distanza senza la necessità di alcun contatto fisico. La lettura può fornirci il livello di temperatura istantanea del corpo.

Quale sensore è applicabile

Il sensore più adatto e utilizzato nei termometri senza contatto è un sensore a termopila .

Un sensore a termopila converte una mappa termica a infrarossi incidente proveniente da una sorgente distante in una quantità proporzionale di minuscola tensione elettrica in uscita.

Funziona secondo il principio della termocoppia, in cui metalli dissimili vengono uniti in serie o in parallelo per creare giunzioni 'calde' e 'fredde'. Quando il flusso radiante a infrarossi da una sorgente cade sulla termopila, crea una differenza di temperatura attraverso queste giunzioni, sviluppando una quantità equivalente di elettricità attraverso i terminali della termocoppia.

Questa potenza elettrica proporzionale alla fonte di calore può essere misurata per identificare il livello di temperatura dalla fonte del corpo.

La termocoppia all'interno di un sensore a termopila è incorporata su un chip di silicio che rende il sistema estremamente sensibile e preciso.

Utilizzo del sensore a termopila MLX90247

L'IC MLX90247 è un eccellente esempio di un dispositivo sensore a termopila versatile che può essere idealmente utilizzato per realizzare un dispositivo scanner termico o un dispositivo termometro senza contatto.

L'IC MLX90247 è costituito da una rete di termocoppie impilata sulla superficie di una membrana.

Le giunzioni ricettive del calore della termocoppia sono strategicamente posizionate vicino al centro della membrana di base, mentre le giunzioni fredde differenziali sono posizionate sul bordo del dispositivo che forma l'area di massa di silicio dell'unità.

Poiché la membrana è progettata per essere un cattivo conduttore di calore, il calore rilevato dalla sorgente è in grado di salire rapidamente vicino al centro del braccio superiore rispetto al bordo di massa del dispositivo.

A causa di ciò, una rapida differenza di calore è in grado di svilupparsi attraverso le estremità della giunzione della termopila, provocando lo sviluppo di un potenziale elettrico efficace attraverso questi terminali attraverso il principio termoelettrico.

La parte migliore del sensore a termopila è che, a differenza dei circuiti integrati standard, non richiede un'alimentazione elettrica esterna per funzionare, ma genera il proprio potenziale elettrico per consentire la misurazione richiesta.

Si ottengono due varianti dell'IC MLX90247 come mostrato di seguito, in cui una variante fornisce un'opzione Vss di terra e l'altra è senza pin Vss.

L'opzione superiore consente una misura bipolare della temperatura IR. Ciò significa che l'uscita può mostrare temperature superiori alla temperatura ambiente e anche inferiori alla temperatura ambiente.

L'opzione inferiore può essere utilizzata per misurare la temperatura al di sopra del livello ambientale o al di sotto del livello ambiente, consentendo così una funzione di misurazione unipolare.

Perché il termistore viene utilizzato nella termopila

Nell'IC MLX90247 sopra, possiamo vedere un file termistore essere incluso nella confezione del dispositivo. Il termistore svolge un ruolo importante nella creazione di un'uscita del livello di riferimento per lo stadio dell'unità di misura esterna.

Il termistore è incorporato per rilevare la temperatura ambiente o la temperatura corporea del dispositivo. Questo livello di temperatura ambiente diventa il livello di riferimento per lo stadio dell'amplificatore operazionale di uscita.

Finché la temperatura IR dal target è inferiore o uguale a questo livello di riferimento, lo stadio dell'amplificatore operazionale esterno non risponde e la sua uscita rimane 0 V.

Tuttavia, non appena la radiazione IR dal corpo supera la temperatura ambiente, l'amplificatore operazionale inizia a rispondere per produrre un'uscita misurabile valida che corrisponde linearmente all'uscita termica crescente del corpo.

Circuito termometro senza contatto con sensore a termopila IC MLX90247

Nel circuito prototipo sopra di un circuito termometro IR senza contatto, troviamo il sensore a termopila IC MLX90247 in modalità bipolare, configurato con un amplificatore operazionale esterno progettato per amplificare minuscole componenti elettriche dalla termopila in un'uscita misurabile.

L'amplificatore operazionale superiore amplifica l'uscita della termocoppia dall'IC MLX90247, mentre l'amplificatore operazionale inferiore amplifica la temperatura ambiente dell'IC.

Un semplice differenziale VU meter è collegato alle uscite dei due amplificatori operazionali. Finché non c'è un corpo che emette calore davanti alla termopila, la sua temperatura interna della termocoppia rimane uguale alla temperatura del termistore adiacente. A causa di ciò, le due uscite dell'amplificatore operazionale generano la stessa quantità di tensioni. Il misuratore VU indica quindi uno 0 V al centro del quadrante.

Nel caso in cui un corpo umano con una temperatura più alta di quella circostante venga portato all'interno del campo di rilevamento della termopila, la sua uscita della termocoppia tra pin2 e pin4 inizia a salire in modo esponenziale e supera l'uscita del termistore tra pin3 e pin1.

Ciò si traduce nell'amplificatore operazionale superiore che genera una tensione più positiva rispetto all'amplificatore operazionale inferiore. Il misuratore VU risponde a questo e il suo ago inizia a spostarsi sul lato destro della calibrazione 0V. La lettura mostra direttamente il livello di temperatura del target rilevato dalla termopila.

Quale amplificatore operazionale si adatta all'applicazione

Poiché l'uscita dalla termopila dovrebbe essere in microvolt, l'amplificatore operazionale da utilizzare per amplificare questa tensione estremamente piccola deve essere altamente sensibile e sofisticato e con specifiche di offset di ingresso molto basse. Per soddisfare le condizioni, un amplificatore operazionale per strumentazione sembra essere la scelta migliore per questa applicazione.

Sebbene tu possa trovare molti buoni amplificatori per strumentazione online, l'INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier sembra essere il candidato più appropriato.

Ci sono molte ottime caratteristiche che rendono questo circuito integrato più adatto per amplificare le tensioni della termocoppia in grandezze misurabili. Di seguito è possibile vedere un circuito amplificatore di strumentazione IC INA333 di base e questo design può essere utilizzato per amplificare il circuito termopila spiegato sopra.

In questo circuito operazionale INA333 il resistore R_G determina il guadagno del circuito e può essere calcolato utilizzando la formula:

Guadagno = 1 + 100 / R_G

Il risultato dell'output sarà in kilo ohm.

Tramite questa formula possiamo impostare il guadagno complessivo del circuito in funzione del livello di microvolt ricevuto dalla termopila.

Il guadagno può essere regolato da 0 a 10.000, il che fornisce all'amplificatore operazionale un livello eccezionale di capacità di amplificazione per gli ingressi in microvolt.

Per poter utilizzare questo amplificatore per strumentazione senza un circuito integrato per termopila, avremo bisogno di due di questi moduli op amp. Uno verrà utilizzato per amplificare l'uscita del segnale della termocoppia e l'altro verrà utilizzato per amplificare l'uscita del segnale del termistore, come mostrato di seguito

La configurazione può essere utilizzata per realizzare un termometro IR senza contatto, che produrrà un'uscita analogica crescente linearmente in risposta a un calore IR crescente linearmente, come rilevato dalla termopila.

L'uscita analogica può essere collegata a un VU meter da milivolt o a misuratore digitale mV per ottenere un'interpretazione istantanea del livello di temperatura del corpo.

L'output V_o potrebbe anche essere stimato attraverso la seguente equazione:

V_o = G ( V_{in +} - V_nel- )

Elenco delle parti

Le seguenti parti saranno necessarie per costruire il circuito del termometro conctless sopra spiegato:

Sensore a termopila IC MLX90247 - 1no
Amplificatore operazionale per strumentazione INA333 - 2nos
Voltmetro con range da 0 a 1V FSD - 1no
Pile Ni-Cd AAA da 1,2 V per l'alimentazione di INA333 - 2nos

La lettura del voltmetro dovrà essere calibrata in Celsius, il che può essere fatto con qualche sperimentazione e tentativi ed errori.

Utilizzando un PIR

Alla normalità Sensore PIR funziona anche bene e fornisce un'alternativa economica per questi tipi di applicazioni.

Un PIR include un sensore basato su materiale piroelettrico come TGS, BaTiO3 e così via, che passa attraverso una polarizzazione spontanea quando rileva un cambiamento di temperatura all'interno del suo campo di rilevamento.

La carica di polarizzazione in un dispositivo PIR generata a causa della variazione della sua temperatura dipende dalla potenza di irraggiamento Phi_e trasmessa dal corpo sul sensore PIR. Ciò fa sì che l'uscita PIR generi una corrente io_d ωpA_d( Δ T) .

Il dispositivo genera anche una tensione V_o che può essere uguale al prodotto della corrente io_d e l'impedenza del dispositivo. Questo può essere espresso con la seguente equazione:

V_o= I_dR_d/ √1 + ω^DueR^Due_dC^Due_d

Questa equazione può essere ulteriormente semplificata in:

V_o= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^DueR^Due_dC^Due_d

dove p indica il coefficiente piroelettrico, ω indica la frequenza in radianti e Δ T è uguale alla differenza di temperatura del rivelatore T_d
e temperatura ambiente T_per.

Ora, applicando l'equazione del bilancio termico troviamo che il valore di Δ T può essere derivato come espresso nella seguente equazione:

Δ T = R_TPhi_e/ √ (1 + ω^Dueτ^Due_T)

Se sostituiamo questo valore di Δ T nell'equazione precedente, otteniamo un risultato che rappresenta il Vo con caratteristiche di banda passante, come mostrato di seguito:

dove τ_E si riferisce alla costante di tempo elettrica ( R_dC_d ), τ_T indica il
costante di tempo termica ( R_TC_T ), e Phi_e simboleggia il radioso
potenza dal target rilevato dal sensore.

Le discussioni e le equazioni di cui sopra dimostrano che la tensione di uscita Vo da un PIR è direttamente proporzionale alla potenza radiante emessa dalla sorgente e quindi diventa idealmente adatta per applicazioni di misurazione della temperatura senza contatto.

Tuttavia, sappiamo che un PIR non può rispondere a una sorgente IR fissa e richiede che la sorgente sia in movimento per abilitare un'uscita leggibile.

Poiché la velocità del movimento influisce anche sui dati di output, dobbiamo assicurarci che la sorgente si muova con una velocità precisa, un aspetto che potrebbe essere impossibile da implementare su un bersaglio umano.

Pertanto, un modo semplice per contrastare questo è lasciare che il bersaglio umano sia fermo e replicare il suo movimento interfacciando un artificiale chopper basato su motore con il sistema di lenti PIR.

Prototipo di termometro senza contatto utilizzando PIR

I paragrafi seguenti illustrano la messa a punto di prova di un pratico sistema di scanner termico, che può essere applicato per la costruzione di un pratico prototipo, dopo un'accurata ottimizzazione dei vari parametri coinvolti.

Come appreso nella sezione precedente, un PIR è progettato per rilevare l'emissione radiante sotto forma di un tasso di variazione della temperatura dT / dt e quindi risponde solo a un calore infrarosso che viene pulsato con una frequenza opportunamente calcolata.

Secondo gli esperimenti, si è riscontrato che il PIR funziona al meglio a una frequenza di impulsi di circa 8 Hz, che si ottiene attraverso un taglio costante del segnale in ingresso attraverso un servo chopper

Fondamentalmente, il taglio dei segnali consente al sensore PIR di valutare ed emettere la potenza radiante del corpo come picchi di tensione. Se la frequenza del chopper è ottimizzata correttamente, il valore medio di questi picchi sarà direttamente proporzionale all'intensità della temperatura radiante.

L'immagine seguente mostra una tipica configurazione di prova per la creazione di un'unità di misura ottimizzata o MU.

Per garantire un funzionamento efficiente del sistema la distanza tra la sorgente IR e il campo visivo (FOV) del sensore deve essere di circa 40 cm. In altre parole il corpo radiante e la lente PIR devono trovarsi ad una distanza di 40 cm l'uno dall'altro.

Possiamo anche vedere un sistema chopper costituito da un piccolo motore passo-passo con un'elica installata tra la lente di fresnel e il sensore piroelettrico PIR.

Come funziona

La radiazione IR dal corpo passa attraverso la lente di Fresnel, quindi viene tagliata a una frequenza di 8 Hz dal motore del chopper e la radiazione IR pulsata risultante viene rilevata dal sensore PIR.

L'uscita AC equivalente a questo IR rilevato viene quindi applicata allo stadio 'condizionatore di segnale' realizzato con molti stadi di amplificazione operazionale.

L'uscita finale amplificata e condizionata dal condizionatore di segnale viene analizzata su un oscilloscopio per controllare la risposta del circuito a un'uscita radiante variabile di un corpo.

Ottimizzazione del PIR e del Chopper

Per ottenere i migliori risultati possibili, è necessario garantire i seguenti criteri per l'associazione PIR e chopper.

Il disco tritatutto o le lame devono essere posizionati in modo da ruotare tra la lente di fresnel e il sensore interno PIR.

Il diametro della lente di Fresnel non deve essere superiore a 10 mm.

La lunghezza focale dell'obiettivo dovrebbe essere di circa 20 mm.

Considerando il fatto che la tipica area di rilevamento di PER_d 1,6 mm Phi ed è installato vicino alla lunghezza focale dell'obiettivo, il campo visivo o FOV risulta essere 4,58^outilizzando la seguente formula:

FOV_{(mezzo angolo)}≈ | così^-1[(d_S/ 2) / f] | = 2,29^o

In questa equazione d_S indica il diametro rilevabile del sensore e f è la lunghezza focale dell'obiettivo.

Specifiche della lama del tritatutto

L'efficienza di lavoro del termometro senza contatto dipende in gran parte da come l'infrarosso incidente viene pulsato attraverso il sistema chopper e

In questo trinciapaglia devono essere utilizzate le seguenti dimensioni:

Il tritatutto dovrebbe avere 4 lame e un diametro Dc dovrebbe essere di circa 80 mm. Dovrebbe essere azionato tramite un motore passo-passo o un circuito controllato PWM.

La frequenza di rotazione approssimativa dovrebbe oscillare tra 5 Hz e 8 Hz per prestazioni ottimali.

La lente di fresnel PIR deve essere posizionata 16 mm dietro il sensore piroelettrico, in modo tale che il diametro del segnale IR in entrata che cade sulla lente sia di circa 4 mm, e si suppone che questo diametro sia molto più piccolo della 'larghezza del dente' TW del chopper disco.

Conclusione

Uno scanner termico senza contatto o un termometro IR è un dispositivo molto utile che consente di misurare la temperatura del corpo umano a distanza senza alcun contatto fisico.

Il cuore di questo dispositivo è un sensore a infrarossi che rileva il livello di calore sotto forma di flusso radiante di un corpo e lo converte in un livello equivalente di potenziale elettrico.

I due tipi di sensori che possono essere utilizzati per questo scopo sono il sensore a termopila e il sensore piroelettrico.

Anche se fisicamente sembrano entrambi simili, c'è un'enorme differenza nel principio di funzionamento.

Una termopila funziona con il principio di base di una termocoppia e genera un potenziale elettrico proporzionale alla differenza di temperatura attraverso le sue giunzioni della termocoppia.

Un sensore piroelettrico normalmente utilizzato nei sensori PIR, opera rilevando la variazione di temperatura di un corpo quando il corpo con una temperatura superiore alla temperatura ambiente attraversa il campo visivo del sensore. Questa variazione del livello di temperatura viene convertita in una quantità proporzionale di potenziale elettrico alla sua uscita

Essendo un dispositivo lineare, la termopila è molto più facile da configurare e implementare in tutte le forme di applicazioni di scansione termica.