كيف تعمل موازين الحرارة التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء - كيف تصنع واحدة

في هذا المنشور ، سنتعلم مفهوم العمل الأساسي للماسحات الضوئية الحرارية أو موازين الحرارة التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء ، ونتعلم أيضًا كيفية صنع نموذج أولي عملي للوحدة. بدون اردوينو .

في حقبة ما بعد COVID-19 ، تعد مشاهدة الأطباء وهم يحملون مسدسًا حراريًا غير ملامس ويشيرون نحو جبهة المشتبه به في COVID-19 مشهدًا شائعًا.

الجهاز هو في الواقع جهاز ترمومتر أقل تلامسًا ، والذي يكتشف درجة الحرارة اللحظية لسطح جسم المشتبه به ويسمح للطبيب بمعرفة ما إذا كان الشخص طبيعيًا أم يعاني من الحمى؟

طريقة الاختبار الأساسية

في عملية الاختبار ، وجدنا الشخص المرخص له يوجه شعاع الليزر من مسدس درجة الحرارة اللاتلامسية على جبهة المشتبه به ، ويلاحظ درجة الحرارة على لوحة LCD الخلفية للجهاز.

لا يوجد اتصال مباشر بين شعاع الليزر وإجراء قياس درجة الحرارة. يتم استخدامه فقط لمساعدة الطبيب على التأكد من أن مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء موجه بشكل صحيح إلى المكان المثالي للجسم لتحديد درجة حرارة الجسم في الغالب بدقة.

قانون ستيفان بولتزمان

كما ذكر قانون ستيفان بولتزمان ، فإن الخروج الإشعاعي الكلي لجسم M._يكون(T) يتناسب مع القوة الرابعة لدرجة حرارته ، كما هو موضح في المعادلة التالية

م_يكون(T) = εσT⁴

في هذه المعادلة ، تشير إلى الابتعاثية.

σ تدل على ثابت ستيفان بولتزمان الذي يعادل الكمية 5.67032 × 10^-1212 واط^-2إلى^-4، حيث الحرف K هو وحدة درجة الحرارة بالكلفن.

تشير المعادلة أعلاه إلى أنه عندما ترتفع درجة حرارة الجسم ، يزداد إشعاع الأشعة تحت الحمراء أيضًا بشكل متناسب. يمكن قياس إشعاع الأشعة تحت الحمراء هذا من مسافة دون الحاجة إلى أي اتصال مادي. يمكن أن تزودنا القراءة بمستوى درجة حرارة الجسم اللحظي.

ما هو المستشعر المطبق

المستشعر الأنسب والمستخدم في موازين الحرارة اللاتلامسية هو a مستشعر حراري .

يحول المستشعر الحراري خريطة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء من مصدر بعيد إلى كمية متناسبة من خرج الجهد الكهربائي الصغير.

إنه يعمل على مبدأ المزدوجة الحرارية ، حيث يتم ربط المعادن غير المتشابهة في سلسلة أو متوازية لإنشاء تقاطعات 'ساخنة' و 'باردة'. عندما يسقط التدفق الإشعاعي بالأشعة تحت الحمراء من مصدر على المبرد الحراري ، فإنه يحدث فرقًا في درجة الحرارة عبر هذه التقاطعات ، مما يؤدي إلى تطوير كمية مكافئة من الكهرباء عبر المحطات الطرفية للمزدوجة الحرارية.

يمكن قياس هذا الخرج الكهربائي المتناسب مع مصدر الحرارة لتحديد مستوى درجة الحرارة من مصدر الجسم.

يتم تضمين المزدوجة الحرارية الموجودة داخل مستشعر الحرارة فوق شريحة سيليكون مما يجعل النظام حساسًا ودقيقًا للغاية.

باستخدام مستشعر MLX90247 Thermopile

يعتبر IC MLX90247 مثالاً ممتازًا لجهاز استشعار حراري متعدد الاستخدامات والذي يمكن استخدامه بشكل مثالي لصنع جهاز ماسح حراري أو جهاز ترمومتر بدون تلامس.

يتكون IC MLX90247 من شبكة مزدوجة حرارية مكدسة على سطح الغشاء.

يتم وضع الوصلات المستقبلة للحرارة للمزدوجة الحرارية بشكل استراتيجي بالقرب من مركز الغشاء الأساسي ، في حين يتم وضع الوصلات الباردة التفاضلية على حافة الجهاز والتي تشكل الجزء الأكبر من السيليكون للوحدة.

نظرًا لأن الغشاء مصمم ليكون موصلًا سيئًا للحرارة ، فإن الحرارة المكتشفة من المصدر قادرة على الارتفاع بسرعة بالقرب من مركز menbrane مقارنة بالحافة الأكبر للجهاز.

نتيجة لهذا ، يمكن للفرق السريع في الحرارة أن يتطور عبر نهايات الوصلة الحرارية مما يتسبب في تطوير إمكانات كهربائية فعالة عبر هذه المحطات من خلال مبدأ الكهرباء الحرارية.

أفضل جزء من مستشعر الحرارة هو أنه ، على عكس الدوائر المتكاملة القياسية ، لا يتطلب مصدرًا كهربائيًا خارجيًا للعمل ، بل يولد إمكاناته الكهربائية الخاصة لتمكين القياس المطلوب.

يمكنك الحصول على نوعين مختلفين من IC MLX90247 كما هو موضح أدناه ، حيث يوفر أحدهما خيار Vss أرضيًا ، والآخر بدون دبوس Vss.

يسمح الخيار العلوي بقياس درجة حرارة الأشعة تحت الحمراء ثنائي القطب. بمعنى أن الناتج يمكن أن يُظهر درجات حرارة أعلى من درجة الحرارة المحيطة وأيضًا أقل من درجات الحرارة المحيطة.

يمكن استخدام الخيار السفلي ل قياس درجة الحرارة إما فوق المستوى المحيط أو أقل من المستوى المحيط ، وبالتالي يسمح بمرفق قياس أحادي القطب.

لماذا يستخدم الثرمستور في الثيرموبيل

في IC MLX90247 أعلاه ، يمكننا أن نرى أ الثرمستور يتم تضمينها في حزمة الجهاز. يلعب الثرمستور دورًا مهمًا في إنشاء مخرجات المستوى المرجعي لمرحلة وحدة القياس الخارجية.

تم دمج الثرمستور لاكتشاف درجة الحرارة المحيطة أو درجة حرارة الجسم للجهاز. يصبح مستوى درجة الحرارة المحيطة هو المستوى المرجعي لمرحلة خرج المرجع.

طالما أن درجة حرارة الأشعة تحت الحمراء من الهدف أقل من أو تساوي هذا المستوى المرجعي ، فإن مرحلة مكبر الصوت الخارجي لا تستجيب ، ويظل ناتجها 0 فولت.

ومع ذلك ، بمجرد أن يتجاوز إشعاع الأشعة تحت الحمراء من الجسم درجة الحرارة المحيطة ، يبدأ المرجع أمبير في الاستجابة لإنتاج ناتج صالح قابل للقياس يتوافق خطيًا مع ارتفاع الناتج الحراري للجسم.

دائرة ترمومتر تلامس باستخدام مستشعر IC MLX90247 Thermopile

في دائرة النموذج الأولي أعلاه لدائرة ترمومتر الأشعة تحت الحمراء غير التلامسية ، نجد مستشعر الحرارة IC MLX90247 في الوضع ثنائي القطب ، تم تكوينه باستخدام أمبير خارجي مصمم لتضخيم الطاقة الكهربائية الصغيرة من الحرارة إلى إخراج قابل للقياس.

يضخم مضخم الصوت العلوي خرج المزدوج الحراري من IC MLX90247 ، بينما يضخم المرجع السفلي درجة الحرارة المحيطة لـ IC.

تفاضل بسيط متر VU يتم إرفاقه عبر مخرجات اثنين من أمبير المرجع. طالما أنه لا يوجد جسم انبعاث للحرارة أمام المبرد الحراري ، فإن درجة حرارة المزدوجة الحرارية الداخلية الخاصة به تظل مساوية لدرجة حرارة الثرمستور المجاورة. نتيجة لهذا ، تولد مخرجات op amp مقدارًا متساويًا من الفولتية. يشير مقياس VU بالتالي إلى 0 V في وسط قرصه.

في حالة وجود جسم بشري بدرجة حرارة أعلى من درجة حرارة البيئة المحيطة ، يتم إحضاره ضمن نطاق الاستشعار للمثقب الحراري ، يبدأ ناتج المزدوج الحراري عبر pin2 و pin4 في الارتفاع بشكل كبير ، ويتجاوز ناتج الثرمستور عبر pin3 و pin1.

ينتج عن هذا أن أمبير المرجع العلوي يولد جهدًا إيجابيًا أكثر من أمبير المرجع السفلي. يستجيب مقياس VU لهذا وتبدأ إبرته في التحول على الجانب الأيمن من معايرة 0V. توضح القراءة مباشرة مستوى درجة حرارة الهدف الذي تم اكتشافه بواسطة جهاز قياس الحرارة.

الذي يناسب أمبير Op التطبيق

نظرًا لأنه من المفترض أن يكون الناتج من الثرموبيل بميكروفولت ، فإن المرجع أمبير الذي سيتم استخدامه لتضخيم هذا الجهد الصغير للغاية يجب أن يكون شديد الحساسية ومتطورًا ، وبمواصفات إزاحة إدخال منخفضة جدًا. لاستيفاء الشروط ، يبدو أن جهاز op amp هو الخيار الأفضل لهذا التطبيق.

على الرغم من أنك قد تجد العديد من مكبرات الصوت الجيدة عبر الإنترنت ، يبدو أن مضخم أجهزة INA333 Micro-Power (50μA) و Zerø-Drift و Rail-to-Rail Out Instrumentation هو المرشح الأنسب.

هناك العديد من الميزات الرائعة التي تجعل هذا IC الأنسب لتضخيم الفولتية الحرارية إلى مقادير قابلة للقياس. يمكن رؤية دائرة مكبر للصوت IC INA333 الأساسية أدناه ، ويمكن استخدام هذا التصميم لتضخيم الدائرة الحرارية الموضحة أعلاه.

في دائرة INA333 المرجع أمبير هذه ، المقاوم ر_جي يحدد كسب الدائرة ، ويمكن حسابه باستخدام الصيغة:

ربح = 1 + 100 / ر_جي

ستكون نتيجة الإخراج بالكيلو أوم.

من خلال هذه الصيغة ، يمكننا ضبط الكسب الكلي للدائرة اعتمادًا على مستوى الميكروفولت المتلقاة من المبرد الحراري.

يمكن ضبط الكسب من 0 إلى 10000 مما يوفر لجهاز op amp مستوى استثنائيًا من قدرة التضخيم لمدخلات microvolt.

لتكون قادرًا على استخدام مضخم الأجهزة هذا بدون IC حراريًا ، سنحتاج إلى وحدتين من وحدات op amp. سيتم استخدام أحدهما لتضخيم خرج إشارة المزدوجة الحرارية ، والآخر سيستخدم لتضخيم خرج إشارة الثرمستور ، كما هو موضح أدناه

يمكن استخدام الإعداد لصنع مقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء بدون تلامس ، والذي سينتج ناتجًا تناظريًا متزايدًا بشكل خطي استجابةً لتزايد حرارة الأشعة تحت الحمراء خطيًا ، كما يكتشفها المثبط الحراري.

يمكن توصيل الإخراج التماثلي إما بمقياس الميليفولت VU أو a عداد رقمي بالسيارات للحصول على تفسير فوري لمستوى درجة حرارة الجسم.

الإخراج الخامس_أو يمكن تقديرها من خلال المعادلة التالية:

الخامس_أو = G ( الخامس_{في +} - الخامس_في- )

قائمة الاجزاء

ستكون هناك حاجة إلى الأجزاء التالية لبناء دائرة ميزان الحرارة الموضحة أعلاه:

• حساس ثيرموبيل IC MLX90247 - عدد 1
• الأجهزة Op amp INA333 - 2nos
• الفولتميتر مع نطاق 0 إلى 1V FSD - 1no
• 1.2 فولت AAA Ni-Cd خلايا لتشغيل INA333 - 2nos

يجب معايرة قراءة الفولتميتر بالدرجة المئوية ، والتي يمكن إجراؤها ببعض التجارب والتجربة والخطأ.

باستخدام PIR

إلى وضعها الطبيعي مستشعر PIR يعمل أيضًا بشكل جيد ، ويوفر بديلاً رخيصًا لهذه الأنواع من التطبيقات.

يتضمن PIR مستشعرًا قائمًا على المواد الكهروحرارية مثل TGS و BaTiO3 وما إلى ذلك ، والذي يمر عبر استقطاب تلقائي عندما يستشعر تغيرًا في درجة الحرارة ضمن نطاق اكتشافه.

تعتمد شحنة الاستقطاب في جهاز PIR الناتج عن التغير في درجة حرارته على قدرة الإشعاع فاي_يكون ينتقل عن طريق الجسم على مستشعر PIR. يؤدي هذا إلى إنشاء إخراج PIR لتيار أنا_د ωpA_د( Δ تي) .

يولد الجهاز أيضًا جهدًا الخامس_أو والتي قد تكون مساوية لمنتج التيار أنا_د ومقاومة الجهاز. يمكن التعبير عن ذلك بالمعادلة التالية:

الخامس_أو= أنا_در_د/ √1 + ω^اثنينر^اثنين_دج^اثنين_د

يمكن تبسيط هذه المعادلة بشكل أكبر إلى:

الخامس_أو= ωpA_در_د( Δ T) / √1 + ω^اثنينر^اثنين_دج^اثنين_د

حيث تشير p إلى المعامل الكهروحراري ، ω تدل على تردد راديان ، و Δ T يساوي الفرق في درجة حرارة الكاشف T_د
ودرجة الحرارة المحيطة T_إلى.

الآن ، بتطبيق معادلة توازن الحرارة ، نجد أن قيمة Δ يمكن اشتقاق T كما هو معبر عنه في المعادلة التالية:

Δ تي = ص_تيفاي_يكون/ (1 + ω^اثنينτ^اثنين_تي)

إذا استبدلنا هذه القيمة Δ T في المعادلة السابقة ، نحصل على نتيجة تمثل Vo بخصائص ممر النطاق ، كما هو موضح أدناه:

أين τ_يكون يشير إلى ثابت الوقت الكهربائي ( ر_دج_د ) ، τ_تي يشير إلى
ثابت الوقت الحراري ( ر_تيج_تي )، و فاي_يكون يرمز إلى الإشعاع
الطاقة من الهدف الذي اكتشفه المستشعر.

تثبت المناقشات والمعادلات أعلاه أن جهد الخرج Vo من PIR يتناسب طرديًا مع القدرة المشعة المنبعثة من المصدر ، وبالتالي يصبح مناسبًا بشكل مثالي لتطبيقات قياس درجة الحرارة بدون تلامس.

ومع ذلك ، فإننا نعلم أن PIR لا يمكنه الاستجابة لمصدر IR للقرطاسية ، ويتطلب أن يكون المصدر في حالة حركة لتمكين إخراج يمكن قراءته.

نظرًا لأن سرعة الحركة تؤثر أيضًا على بيانات الإخراج ، يتعين علينا التأكد من أن المصدر يتحرك بسرعة دقيقة ، وهو جانب قد يكون من المستحيل تنفيذه على هدف بشري.

لذلك ، من الطرق السهلة لمقاومة ذلك السماح للهدف البشري أن يكون قرطاسية ، وتكرار حركته من خلال ربط عنصر اصطناعي مروحية ذات محرك مع نظام العدسة PIR.

النموذج الأولي لميزان الحرارة اللاتلامسي باستخدام PIR

تشرح الفقرات التالية إعداد الاختبار لنظام الماسح الحراري العملي ، والذي يمكن تطبيقه لبناء نموذج أولي عملي ، بعد تحسين شامل لمختلف المعلمات المعنية.

كما تعلمنا في القسم السابق ، تم تصميم PIR لاكتشاف الانبعاث الإشعاعي في شكل معدل تغير في درجة الحرارة دي تي / دينار ، وبالتالي يستجيب فقط لحرارة الأشعة تحت الحمراء التي تنبض بتردد محسوب بشكل مناسب.

وفقًا للتجارب ، وجد أن PIR يعمل بشكل أفضل عند تردد نبضي يبلغ حوالي 8 هرتز ، والذي يتحقق من خلال التقطيع الثابت للإشارة الواردة من خلال مروحية مؤازرة

في الأساس ، يسمح تقطيع الإشارات لمستشعر PIR بتقييم وإخراج الطاقة الإشعاعية للجسم على شكل طفرات في الجهد. إذا تم تحسين تردد المروحية بشكل صحيح ، فإن متوسط ​​قيمة هذه المسامير سيكون متناسبًا طرديًا مع شدة درجة الحرارة المشعة.

توضح الصورة التالية إعداد اختبار نموذجي لإنشاء وحدة قياس محسّنة أو MU.

لضمان كفاءة عمل النظام ، يجب أن تكون المسافة بين مصدر الأشعة تحت الحمراء ومجال رؤية المستشعر (FOV) حوالي 40 سم. بمعنى آخر ، يجب أن يكون الجسم المشع وعدسة PIR على مسافة 40 سم من بعضهما البعض.

يمكننا أيضًا رؤية نظام مروحية يتكون من محرك متدرج صغير مزود بمروحة مثبتة بين عدسة فريسنل ومستشعر PIR الكهروحراري.

كيف تعمل

يمر إشعاع الأشعة تحت الحمراء من الجسم عبر عدسة فريسنل ، ثم يتم تقطيعه بتردد 8 هرتز بواسطة محرك المروحية ، ويكشف مستشعر PIR عن إشعاع الأشعة تحت الحمراء النابض.

ثم يتم تطبيق مكافئ خرج التيار المتردد لهذا الأشعة تحت الحمراء المكتشفة على مرحلة 'مكيف الإشارة' المصنوع من العديد من مراحل المرجع أمبير.

يتم تحليل الإخراج المكبر والمكيف النهائي من مكيف الإشارة على مرسمة الذبذبات للتحقق من استجابة الدائرة لمخرج إشعاعي متغير للجسم.

تحسين PIR والمروحية

للحصول على أفضل النتائج الممكنة ، يجب ضمان المعايير التالية لـ PIR ورابطة المروحية.

يجب وضع قرص المفرمة أو الشفرات للدوران بين العدسة فريسنل وجهاز استشعار PIR الداخلي.

يجب ألا يزيد قطر عدسة فريسنل عن 10 مم.

يجب أن يكون البعد البؤري للعدسة حوالي 20 مم.

مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن منطقة الاستشعار النموذجية إلى_د 1.6 ملم فاي ومثبت بالقرب من البعد البؤري للعدسة ، تم العثور على مجال الرؤية أو FOV ليكون 4.58^أوباستخدام الصيغة التالية:

مجال الرؤية_{(نصف زاوية)}≈ | هكذا^-1[(د_س/ 2) / و] | = 2.29^أو

في هذه المعادلة د_س يشير إلى قطر المستشعر القابل للاكتشاف ، و F هو البعد البؤري للعدسة.

مواصفات شفرة المفرمة

تعتمد كفاءة عمل مقياس الحرارة اللاتلامسي إلى حد كبير على كيفية نبض الأشعة تحت الحمراء من خلال نظام المروحية و

يجب استخدام الأبعاد التالية في هذه المفرمة:

يجب أن تحتوي المفرمة على 4 شفرات وقطر تيار مستمر حوالي 80 مم. يجب أن يتم دفعها من خلال محرك متدرج أو دائرة يتم التحكم فيها بواسطة PWM.

يجب أن يتراوح تردد الدوران التقريبي حول 5 هرتز إلى 8 هرتز للحصول على الأداء الأمثل.

يجب وضع عدسة PIR فريسنل 16 مم خلف المستشعر الكهروحراري ، بحيث يكون قطر إشارة الأشعة تحت الحمراء الواردة التي تسقط على العدسة حوالي 4 مم ، ومن المفترض أن يكون هذا القطر أصغر بكثير من 'عرض السن' TW للمروحية القرص.

خاتمة

يعد الماسح الحراري غير المتصل أو مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء جهازًا مفيدًا للغاية يسمح بقياس درجة حرارة جسم الإنسان من مسافة بعيدة دون أي اتصال جسدي.

قلب هذا الجهاز عبارة عن مستشعر بالأشعة تحت الحمراء يكتشف مستوى الحرارة في شكل تدفق إشعاعي للجسم ويحوله إلى مستوى مكافئ من الجهد الكهربائي.

نوعان من المستشعرات التي يمكن استخدامها لهذا الغرض هما المستشعر الحراري ، والمستشعر الكهروحراري.

على الرغم من أن كلاهما يبدو متشابهًا جسديًا ، إلا أن هناك فرقًا كبيرًا في مبدأ العمل.

يعمل المبرد الحراري مع المبدأ الأساسي للمزدوجة الحرارية ويولد جهدًا كهربائيًا يتناسب مع اختلاف درجة الحرارة عبر تقاطعات المزدوجة الحرارية.

يعمل المستشعر الكهروحراري الذي يستخدم عادةً في مستشعرات PIR ، عن طريق اكتشاف التغير في درجة حرارة الجسم عندما يعبر الجسم بدرجة حرارة أعلى من درجة الحرارة المحيطة مجال رؤية المستشعر. يتم تحويل هذا التغيير في مستوى درجة الحرارة إلى مقدار متناسب من الجهد الكهربائي عند خرجه

يعد Thermopile جهازًا خطيًا أسهل في التكوين والتنفيذ في جميع أشكال تطبيقات المسح الحراري.

مراجع: