Dalam posting ini kita akan mempelajari konsep kerja dasar pemindai termal atau termometer IR nirkontak, dan juga mempelajari cara membuat prototipe DIY praktis dari unit tersebut. tanpa Arduino .

Di era pasca COVID-19, menyaksikan dokter memegang pistol suhu nirsentuh dan menunjuk ke dahi tersangka COVID-19 adalah pemandangan umum.

Alat tersebut sebenarnya adalah alat termometer tanpa kontak, yang mendeteksi suhu seketika dari permukaan tubuh tersangka dan memungkinkan dokter untuk mengetahui apakah orang tersebut normal atau sedang menderita demam?

Metode Pengujian Dasar

Dalam proses pengujian, kami menemukan orang yang berwenang mengarahkan sinar laser dari pistol suhu nirsentuh ke dahi tersangka, dan mencatat suhu di panel LCD belakang perangkat.

Sinar laser sebenarnya tidak memiliki hubungan langsung dengan prosedur pengukuran suhu. Ini digunakan hanya untuk membantu dokter memastikan bahwa termometer inframerah diarahkan dengan benar ke tempat tubuh yang ideal untuk menentukan suhu tubuh kebanyakan akurat.

Hukum Stefan – Boltzmann

Seperti yang dinyatakan oleh hukum Stefan – Boltzmann total pancaran keluar dari benda M_{aku s}(T) sebanding dengan pangkat empat suhunya, seperti yang ditunjukkan pada persamaan berikut

M_{aku s}(T) = εσT⁴

Dalam persamaan ini ε menandakan emisivitas.

σ menunjukkan konstanta Stefan – Boltzmann yang setara dengan besaran 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-2UNTUK^-4, dengan huruf K adalah satuan suhu dalam Kelvin.

Persamaan di atas menunjukkan bahwa ketika suhu suatu benda meningkat, pancaran infra merahnya juga meningkat secara proporsional. Pancaran IR ini dapat diukur dari jarak jauh tanpa memerlukan kontak fisik. Pembacaan tersebut dapat memberi kita tingkat suhu sesaat tubuh.

Sensor mana yang Berlaku

Sensor yang paling cocok dan digunakan dalam termometer nirsentuh adalah a sensor termopile .

Sebuah sensor termopile mengubah peta panas infra merah insiden dari sumber yang jauh menjadi jumlah yang proporsional dari keluaran tegangan listrik kecil.

Ia bekerja berdasarkan prinsip termokopel, di mana logam yang berbeda digabungkan secara seri atau paralel untuk membuat persimpangan 'panas' dan 'dingin'. Ketika fluks pancaran infra merah dari sumber jatuh pada termopile, hal itu menciptakan perbedaan suhu di persimpangan ini, mengembangkan jumlah listrik yang setara di ujung terminal termokopel.

Keluaran listrik yang sebanding dengan sumber panas ini dapat diukur untuk mengetahui tingkat suhu dari sumber tubuh.

Termokopel di dalam sensor termopile tertanam di atas chip silikon yang membuat sistem menjadi sangat sensitif dan akurat.

Menggunakan Sensor Thermopile MLX90247

IC MLX90247 adalah contoh yang sangat baik dari perangkat sensor termopile serbaguna yang idealnya dapat digunakan untuk membuat perangkat pemindai termal atau perangkat termometer nirkontak.

IC MLX90247 terdiri dari jaringan termokopel yang ditumpuk di atas permukaan membran.

Persimpangan reseptif panas dari termokopel secara strategis diposisikan di dekat pusat membran dasar, sedangkan persimpangan dingin diferensial ditempatkan di tepi perangkat yang membentuk area massal silikon unit.

Karena membran dirancang sebagai konduktor panas yang buruk, panas yang terdeteksi dari sumber dapat naik dengan cepat di dekat pusat menbrane daripada tepi curah perangkat.

Karena perbedaan cepat ini panas dapat berkembang di ujung persimpangan termopile menyebabkan potensi listrik yang efektif untuk berkembang di terminal ini melalui prinsip termo-listrik.

Bagian terbaik dari sensor termopile adalah, tidak seperti IC standar, ia tidak memerlukan suplai listrik eksternal untuk bekerja, melainkan menghasilkan potensi listriknya sendiri untuk memungkinkan pengukuran yang diperlukan.

Anda mendapatkan dua varian IC MLX90247 seperti yang ditunjukkan di bawah ini, di mana satu varian menyediakan opsi ground Vss, dan yang lainnya tanpa pin Vss.

Opsi atas memungkinkan pengukuran bipolar pada suhu IR. Artinya keluaran dapat menunjukkan suhu lebih tinggi dari suhu lingkungan dan juga lebih rendah dari suhu lingkungan.

Opsi yang lebih rendah dapat digunakan untuk mengukur suhu baik di atas level ambien atau di bawah level ambien, sehingga memungkinkan fasilitas pengukuran unipolar.

Mengapa Thermistor digunakan di Thermopile

Pada IC MLX90247 di atas, kita dapat melihat a termistor disertakan dalam paket perangkat. Termistor memainkan peran penting dalam menciptakan keluaran tingkat referensi untuk tahap unit pengukuran eksternal.

Termistor digabungkan untuk mendeteksi suhu sekitar atau suhu tubuh perangkat. Level temperatur ambien ini menjadi level referensi untuk level op amp keluaran.

Selama suhu IR dari target di bawah atau sama dengan level referensi ini, tahap penguat op amp eksternal tidak merespons, dan outputnya tetap 0 V.

Namun, segera setelah pancaran IR dari benda melewati suhu sekitar, op amp mulai merespons untuk menghasilkan keluaran terukur yang valid yang secara linier sesuai dengan keluaran termal yang meningkat dari benda.

Rangkaian Thermometer Contactless menggunakan Sensor Thermopile IC MLX90247

Dalam rangkaian prototipe rangkaian termometer IR nirkontak di atas, kami menemukan sensor termopile IC MLX90247 dalam mode bipolar, dikonfigurasi dengan op amp eksternal yang dirancang untuk memperkuat listrik kecil dari termopile menjadi keluaran yang dapat diukur.

Op amp atas memperkuat keluaran termokopel dari IC MLX90247, sedangkan op amp yang lebih rendah menguatkan suhu sekitar IC.

Diferensial sederhana VU meteran dipasang di output dari dua op amp. Selama tidak ada benda pemancar panas di depan termopile, suhu termokopel internalnya tetap sama dengan suhu termistor yang bersebelahan. Karena itu, dua keluaran op amp menghasilkan jumlah tegangan yang sama. Pengukur VU dengan demikian menunjukkan 0 V di tengah dial-nya.

Dalam hal tubuh manusia yang memiliki suhu lebih tinggi dari sekitarnya dibawa dalam jangkauan penginderaan termopile, keluaran termokopel di pin2 dan pin4 mulai naik secara eksponensial, dan melebihi keluaran termistor di pin3 dan pin1.

Hal ini mengakibatkan op amp bagian atas menghasilkan tegangan yang lebih positif daripada op amp bagian bawah. Pengukur VU merespons ini dan jarumnya mulai bergeser di sisi kanan kalibrasi 0V. Pembacaan secara langsung menunjukkan tingkat suhu target yang terdeteksi oleh termopile.

Op Amp Mana yang Sesuai dengan Aplikasi

Karena keluaran dari thermopile seharusnya dalam mikrovolt, op amp yang akan digunakan untuk memperkuat tegangan yang sangat kecil ini harus sangat sensitif dan canggih, dan dengan spesifikasi offset masukan yang sangat rendah. Untuk memenuhi kondisi tersebut, sebuah op amp instrumentasi tampaknya menjadi pilihan terbaik untuk aplikasi ini.

Meskipun Anda mungkin menemukan banyak amplifier instrumentasi yang bagus secara online, INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier tampaknya menjadi kandidat yang paling tepat.

Ada banyak fitur hebat yang membuat IC ini paling cocok untuk memperkuat tegangan termokopel menjadi besaran yang dapat diukur. Rangkaian penguat instrumentasi IC INA333 dasar dapat dilihat di bawah, dan desain ini dapat digunakan untuk memperkuat rangkaian termopile yang dijelaskan di atas.

Pada rangkaian op amp INA333 ini resistornya R_G menentukan penguatan sirkuit, dan dapat dihitung menggunakan rumus:

Dapatkan = 1 + 100 / R_G

Hasil keluaran akan dalam kilo Ohm.

Melalui rumus ini kita dapat mengatur penguatan keseluruhan rangkaian tergantung pada tingkat mikrovolt yang diterima dari termopile.

Penguatan dapat disesuaikan langsung dari 0 hingga 10.000 yang memberikan op amp dengan tingkat kemampuan penguatan yang luar biasa untuk input mikrovolt.

Untuk dapat menggunakan penguat instrumentasi ini tanpa IC thermopile, kita membutuhkan dua modul op amp ini. Satu akan digunakan untuk memperkuat keluaran sinyal termokopel, dan yang lainnya akan digunakan untuk memperkuat keluaran sinyal termistor, seperti yang ditunjukkan di bawah ini

Pengaturan dapat digunakan untuk membuat termometer IR nirkontak, yang akan menghasilkan keluaran analog yang meningkat secara linier sebagai respons terhadap panas IR yang meningkat secara linier, seperti yang dideteksi oleh termopile.

Output analog dapat dipasang ke meteran VU milivolt atau a mV meter digital untuk mendapatkan interpretasi instan tentang tingkat suhu tubuh.

Hasil V._atau dapat juga diperkirakan melalui persamaan berikut:

V._atau = G ( V._{di +} - V._di- )

Daftar Bagian

Bagian-bagian berikut akan diperlukan untuk membangun rangkaian termometer conctless yang dijelaskan di atas:

IC Sensor Termopile MLX90247 - 1no
Instrumentasi Op amp INA333 - 2nos
Voltmeter dengan kisaran 0 hingga 1V FSD - 1no
1.2 V AAA Ni-Cd Cells untuk menyalakan INA333 - 2nos

Pembacaan voltmeter perlu dikalibrasi dalam Celcius, yang dapat dilakukan dengan beberapa eksperimen, dan coba-coba.

Menggunakan PIR

Normal Sensor PIR juga berfungsi dengan baik, dan memberikan alternatif murah untuk jenis aplikasi ini.

PIR mencakup sensor berbasis bahan piroelektrik seperti TGS, BaTiO3, dan sebagainya, yang mengalami polarisasi spontan saat merasakan perubahan suhu dalam rentang deteksinya.

Muatan polarisasi dalam perangkat PIR yang dihasilkan karena perubahan suhunya bergantung pada daya iradiasi Phi_{aku s} ditransmisikan oleh tubuh pada sensor PIR. Hal ini menyebabkan keluaran PIR menghasilkan arus saya_d ωpA_d( Δ T) .

Perangkat juga menghasilkan tegangan V._atau yang mungkin sama dengan produk arus saya_d dan impedansi perangkat. Hal tersebut dapat diungkapkan dengan persamaan berikut:

V._atau= Saya_dR_d/ √1 + ω^duaR^dua_dC^dua_d

Persamaan ini selanjutnya dapat disederhanakan menjadi:

V._atau= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^duaR^dua_dC^dua_d

di mana p menunjukkan koefisien piroelektrik, ω menunjukkan frekuensi radian, dan Δ T sama dengan perbedaan suhu detektor T_d
dan suhu lingkungan T_untuk.

Sekarang, dengan menerapkan persamaan kesetimbangan panas kita mendapatkan nilai Δ T dapat diturunkan seperti yang dinyatakan dalam persamaan berikut:

Δ T = R_TPhi_{aku s}/ √ (1 + ω^duaτ^dua_T)

Jika kita mengganti nilai ini Δ T pada persamaan sebelumnya kita mendapatkan hasil yang merepresentasikan Vo dengan karakteristik bandpass, seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

dimana τ_{AKU S} mengacu pada konstanta waktu listrik ( R_dC_d ), τ_T menunjukkan
konstanta waktu termal ( R_TC_T ), dan Phi_{aku s} melambangkan pancaran
daya dari target yang terdeteksi oleh sensor.

Pembahasan dan persamaan di atas membuktikan bahwa tegangan keluaran Vo dari PIR berbanding lurus dengan daya pancaran yang dipancarkan dari sumber, dan karenanya cocok untuk aplikasi pengukuran suhu tanpa kontak.

Namun, kami tahu bahwa PIR tidak dapat merespons sumber IR alat tulis, dan membutuhkan sumber bergerak untuk memungkinkan keluaran yang dapat dibaca.

Karena kecepatan gerakan juga mempengaruhi data keluaran, kita harus memastikan bahwa sumber bergerak dengan kecepatan yang tepat, suatu aspek yang mungkin tidak mungkin diterapkan pada target manusia.

Oleh karena itu, cara mudah untuk mengatasinya dengan membiarkan target manusia menjadi alat tulis, dan meniru gerakannya dengan menghubungkannya dengan buatan helikopter berbasis motor dengan sistem lensa PIR.

Prototipe Termometer Tanpa Kontak menggunakan PIR

Paragraf berikut menjelaskan pengaturan pengujian sistem pemindai termal praktis, yang dapat diterapkan untuk membangun prototipe praktis, setelah pengoptimalan menyeluruh dari berbagai parameter yang terlibat.

Seperti yang dipelajari di bagian sebelumnya, PIR dirancang untuk mendeteksi emisi radiasi dalam bentuk laju perubahan suhu. dT / dt , dan karenanya hanya merespons panas inframerah yang berdenyut dengan frekuensi yang dihitung dengan tepat.

Sesuai percobaan, ditemukan bahwa PIR bekerja paling baik pada frekuensi pulsa sekitar 8 Hz, yang dicapai melalui pemotongan yang stabil dari sinyal yang masuk melalui helikopter servo.

Pada dasarnya, pemotongan sinyal memungkinkan sensor PIR untuk menilai dan mengeluarkan daya pancaran tubuh sebagai lonjakan tegangan. Jika frekuensi pencacah dioptimalkan dengan benar maka nilai rata-rata lonjakan tersebut akan berbanding lurus dengan intensitas suhu radiasi.

Gambar berikut menunjukkan tes umum yang disiapkan untuk membuat unit pengukuran yang dioptimalkan atau MU.

Untuk memastikan kerja sistem yang efisien, jarak antara sumber IR dan bidang pandang sensor (FOV) harus sekitar 40 cm. Dengan kata lain benda yang memancar dan lensa PIR harus berada pada jarak 40 cm satu sama lain.

Kita juga bisa melihat sistem perajang yang terdiri dari motor stepper kecil dengan baling-baling dipasang di antara lensa fresnel dan sensor piroelektrik PIR.

Bagaimana itu bekerja

Radiasi IR dari tubuh melewati lensa fresnel, kemudian dipotong pada frekuensi 8 Hz oleh motor chopper, dan radiasi IR yang dihasilkan dideteksi oleh sensor PIR.

Output AC yang setara dengan IR yang terdeteksi ini kemudian diterapkan ke tahap 'pengkondisi sinyal' yang dibuat dengan banyak tahap op amp.

Output terakhir yang diperkuat dan dikondisikan dari pengkondisi sinyal dianalisis pada osiloskop untuk memeriksa respons rangkaian terhadap keluarnya radiasi dari suatu benda.

Mengoptimalkan PIR dan Chopper

Untuk mendapatkan hasil terbaik, kriteria berikut harus dipastikan untuk PIR dan asosiasi perajang.

Cakram perajang atau bilah harus diposisikan untuk berputar antara lensa fresnel dan sensor internal PIR.

Diameter lensa fresnel tidak boleh lebih dari 10 mm.

Panjang fokus lensa harus sekitar 20 mm.

Mengingat fakta bahwa daerah penginderaan khas UNTUK_d 1,6 mm Phi dan dipasang dekat dengan panjang fokus lensa, bidang pandang atau FOV ditemukan menjadi 4,58^ataumenggunakan rumus berikut:

FOV_{(setengah sudut)}≈ | jadi^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2.29^atau

Dalam persamaan ini d_s menunjukkan diameter sensor yang dapat dideteksi, dan f adalah panjang fokus lensa.

Spesifikasi Chopper Blade

Efisiensi kerja termometer nirkontak sangat tergantung pada bagaimana infra merah yang datang berdenyut melalui sistem perajang dan

Dalam perajang ini dimensi berikut harus digunakan:

Pencacah harus memiliki 4 bilah dan diameter Dc harus sekitar 80 mm. Ini harus digerakkan melalui motor stepper atau sirkuit terkontrol PWM.

Perkiraan frekuensi rotasi harus eb sekitar 5 Hz hingga 8 Hz untuk kinerja yang optimal.

Lensa fresnel PIR harus diposisikan 16 mm di belakang sensor piroelektrik, sehingga diameter sinyal IR masuk yang jatuh pada lensa adalah sekitar 4 mm, dan diameter ini seharusnya jauh lebih kecil daripada TW 'lebar gigi' dari pencacah. disk.

Kesimpulan

Pemindai termal nirkontak atau termometer IR adalah perangkat yang sangat berguna yang memungkinkan pengukuran suhu tubuh manusia dari jarak jauh tanpa kontak fisik.

Jantung dari perangkat ini adalah sensor infra merah yang mendeteksi tingkat panas dalam bentuk fluks pancaran suatu benda dan mengubahnya menjadi tingkat potensial listrik yang setara.

Dua jenis sensor yang dapat digunakan untuk tujuan ini adalah sensor termopile, dan sensor piroelektrik.

Meski secara fisik keduanya tampak serupa, namun ada perbedaan besar dalam prinsip kerjanya.

Sebuah termopile bekerja dengan prinsip dasar termokopel dan menghasilkan potensial listrik yang sebanding dengan perbedaan suhu di persimpangan termokopelnya.

Sensor piroelektrik yang biasanya digunakan pada sensor PIR, beroperasi dengan mendeteksi perubahan suhu suatu benda ketika benda dengan suhu lebih tinggi dari suhu lingkungan melintasi bidang pandang sensor. Perubahan tingkat suhu ini mengubah jumlah potensial listrik yang proporsional pada keluarannya

Thermopile menjadi perangkat linier jauh lebih mudah untuk dikonfigurasi dan diterapkan ke dalam semua bentuk aplikasi pemindaian termal.