Neste post, aprenderemos o conceito básico de trabalho de scanners térmicos ou termômetros IR sem contato, e também aprenderemos como fazer um protótipo DIY prático da unidade sem Arduino .

Na era pós COVID-19, testemunhar médicos segurando uma pistola de temperatura sem contato e apontando para a testa de um suspeito COVID-19 é uma visão comum.

O aparelho é na verdade um termômetro sem contato, que detecta a temperatura instantânea da superfície corporal do suspeito e permite ao médico saber se a pessoa está normal ou com febre.

Método de Teste Básico

No processo de teste, encontramos a pessoa autorizada apontando um feixe de laser da pistola de temperatura sem contato na testa do suspeito e observando a temperatura no painel LCD traseiro do dispositivo.

O feixe de laser, na verdade, não tem conexão direta com o procedimento de medição de temperatura. É empregado apenas para auxiliar o médico a garantir que o termômetro infravermelho esteja direcionado corretamente para o local ideal do corpo para a determinação da temperatura corporal principalmente com precisão.

Lei Stefan-Boltzmann

Conforme declarado pela lei de Stefan-Boltzmann, a saída radiante total de um corpo M_é(T) é proporcional à quarta potência de sua temperatura, conforme mostrado na seguinte equação

M_é(T) = εσT⁴

Nesta equação, ε significa emissividade.

σ denota a constante de Stefan-Boltzmann, que é equivalente à quantidade 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-2PARA^-4, onde a letra K é a unidade de temperatura em Kelvin.

A equação acima sugere que quando a temperatura de um corpo aumenta, seu brilho infravermelho também aumenta proporcionalmente. Este brilho infravermelho pode ser medido à distância, sem a necessidade de qualquer contato físico. A leitura pode nos fornecer o nível instantâneo de temperatura do corpo.

Qual sensor é aplicável

O sensor mais adequado e utilizado em termômetros sem contato é um sensor termopilha .

Um sensor de termopilha converte um mapa de calor infravermelho incidente de uma fonte distante em uma quantidade proporcional de saída de tensão elétrica minúscula.

Ele funciona com base no princípio do termopar, no qual metais diferentes são unidos em série ou em paralelo para criar junções 'quentes' e 'frias'. Quando o fluxo infravermelho radiante de uma fonte cai na termopilha, ele cria uma diferença de temperatura entre essas junções, desenvolvendo uma quantidade equivalente de eletricidade nos terminais finais do termopar.

Essa saída elétrica proporcional à fonte de calor pode ser medida para identificar o nível de temperatura da fonte do corpo.

O termopar dentro de um sensor de termopilha é embutido em um chip de silício, o que torna o sistema extremamente sensível e preciso.

Usando o sensor termopilha MLX90247

O IC MLX90247 é um excelente exemplo de um dispositivo sensor de termopilha versátil que pode ser idealmente usado para fazer um dispositivo de scanner térmico ou um dispositivo de termômetro sem contato.

O IC MLX90247 é feito de uma rede de termopares empilhados sobre a superfície de uma membrana.

As junções receptivas ao calor do termopar estão estrategicamente posicionadas perto do centro da membrana base, enquanto as junções frias diferenciais são colocadas na borda do dispositivo, que formam a área de silício da unidade.

Uma vez que a membrana é projetada para ser um mau condutor de calor, o calor detectado da fonte é capaz de subir rapidamente perto do centro da menbrana do que a borda do dispositivo.

Devido a isso, uma rápida diferença de calor é capaz de se desenvolver através das extremidades da junção da termopilha, fazendo com que um potencial elétrico efetivo se desenvolva através desses terminais através do princípio termoelétrico.

A melhor parte do sensor de termopilha é que, ao contrário dos CIs padrão, ele não requer uma fonte elétrica externa para funcionar, ao invés disso, ele gera seu próprio potencial elétrico para permitir a medição necessária.

Você obtém duas variantes do IC MLX90247 conforme mostrado abaixo, em que uma variante fornece uma opção Vss de aterramento e a outra não tem um pino Vss.

A opção superior permite uma medição bipolar da temperatura IV. Significa que a saída pode mostrar temperaturas mais altas do que a temperatura ambiente e também mais baixas do que a temperatura ambiente.

A opção inferior pode ser usada para medir temperatura ou acima do nível ambiente ou abaixo do nível ambiente e, portanto, permite uma facilidade de medição unipolar.

Por que o termistor é usado na termopilha

No IC MLX90247 acima, podemos ver um termistor sendo incluído no pacote do dispositivo. O termistor desempenha um papel importante na criação de uma saída de nível de referência para o estágio da unidade de medição externa.

O termistor é incorporado para detectar a temperatura ambiente ou a temperatura corporal do dispositivo. Este nível de temperatura ambiente torna-se o nível de referência para o estágio do amplificador operacional de saída.

Enquanto a temperatura IV do alvo estiver abaixo ou igual a este nível de referência, o estágio do amplificador do amplificador operacional externo não responde e sua saída permanece 0 V.

No entanto, assim que a radiação IR do corpo ultrapassa a temperatura ambiente, o amplificador operacional começa a responder para produzir uma saída mensurável válida que corresponde linearmente com a saída térmica crescente do corpo.

Circuito de termômetro sem contato usando sensor de termopilha IC MLX90247

No circuito protótipo acima de um circuito de termômetro infravermelho sem contato, encontramos o sensor de termopilha IC MLX90247 no modo bipolar, configurado com um amplificador operacional externo projetado para amplificar minúsculos elétricos da termopilha em uma saída mensurável.

O amplificador operacional superior amplifica a saída do termopar do IC MLX90247, enquanto o amplificador operacional inferior amplifica a temperatura ambiente do IC.

Um diferencial simples Medidor VU está conectado às saídas dos dois amplificadores operacionais. Enquanto não houver corpo emissor de calor na frente da termopilha, a temperatura do termopar interno permanece igual à temperatura do termistor adjacente. Devido a isso, as duas saídas do amplificador operacional geram a mesma quantidade de voltagens. O medidor VU, portanto, indica um 0 V no centro de seu mostrador.

No caso de um corpo humano com uma temperatura mais alta do que o ambiente ao redor ser colocado dentro da faixa de detecção da termopilha, sua saída de termopar no pino 2 e pino 4 começa a aumentar exponencialmente e excede a saída do termistor no pino 3 e pino 1.

Isso resulta no amplificador operacional superior gerando mais voltagem positiva do que o amplificador operacional inferior. O medidor VU responde a isso e sua agulha começa a se mover no lado direito da calibração 0V. A leitura mostra diretamente o nível de temperatura do alvo detectado pela termopilha.

Qual amplificador operacional é adequado para a aplicação

Visto que a saída da termopilha deve ser em microvolts, o amplificador operacional a ser usado para amplificar essa tensão extremamente pequena deve ser altamente sensível e sofisticado, e com especificação de deslocamento de entrada muito baixa. Para satisfazer as condições, um amplificador operacional de instrumentação parece ser a melhor escolha para esta aplicação.

Embora você possa encontrar muitos amplificadores de instrumentação bons online, o INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, amplificador de instrumentação Rail-to-Rail Out parece ser o candidato mais apropriado.

Existem muitos recursos excelentes que tornam este IC mais adequado para amplificar tensões de termopares em magnitudes mensuráveis. Um circuito amplificador de instrumentação IC INA333 básico pode ser visto abaixo, e este projeto pode ser usado para amplificar o circuito de termopilha explicado acima.

Neste circuito INA333 op amp, o resistor R_G determina o ganho do circuito e pode ser calculado usando a fórmula:

Ganho = 1 + 100 / R_G

O resultado da saída será em quilo Ohms.

Por meio dessa fórmula, podemos definir o ganho geral do circuito dependendo do nível de microvolt recebido da termopilha.

O ganho pode ser ajustado de 0 a 10.000, o que fornece ao amplificador operacional um nível excepcional de capacidade de amplificação para entradas de microvolt.

Para poder usar este amplificador de instrumentação sem termopilha IC, precisaremos de dois desses módulos op amp. Um será usado para amplificar a saída do sinal do termopar e o outro será usado para amplificar a saída do sinal do termistor, conforme mostrado abaixo

A configuração pode ser usada para fazer um termômetro infravermelho sem contato, que produzirá uma saída analógica linear crescente em resposta a um aumento linear do calor infravermelho, conforme detectado pela termopilha.

A saída analógica pode ser conectada a um medidor VU milivolt ou um medidor mV digital para obter uma interpretação instantânea do nível de temperatura do corpo.

A saída V_ou também pode ser estimado através da seguinte equação:

V_ou = G ( V_{em +} - V_no- )

Lista de Peças

As seguintes peças serão necessárias para construir o circuito de termômetro sem conctless explicado acima:

Sensor termopilha IC MLX90247 - 1no
Instrumentação Op amp INA333 - 2nos
Voltímetro com faixa de 0 a 1V FSD - 1no
Células 1,2 V AAA Ni-Cd para alimentar o INA333 - 2nos

A leitura do voltímetro precisará ser calibrada em Celsius, o que pode ser feito com alguma experimentação e tentativa e erro.

Usando um PIR

Ao normal Sensor PIR também funciona bem e oferece uma alternativa barata para esses tipos de aplicativos.

Um PIR inclui um sensor baseado em material piroelétrico, como TGS, BaTiO3 e assim por diante, que passa por uma polarização espontânea quando detecta uma mudança na temperatura dentro de sua faixa de detecção.

A carga de polarização em um dispositivo PIR gerada devido à mudança em sua temperatura é dependente da potência de irradiação Phi_é transmitido pelo corpo no sensor PIR. Isso faz com que a saída PIR gere uma corrente eu_d ωpA_d( Δ T) .

O dispositivo também gera uma tensão V_ou que pode ser igual ao produto da corrente eu_d e a impedância do dispositivo. Isso pode ser expresso com a seguinte equação:

V_ou= Eu_dR_d/ √1 + ω^doisR^dois_dC^dois_d

Esta equação pode ser ainda mais simplificada em:

V_ou= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^doisR^dois_dC^dois_d

onde p indica o coeficiente piroelétrico, ω denota a frequência radiana, e Δ T é igual à diferença na temperatura do detector T_d
e temperatura ambiente T_para.

Agora, aplicando a equação de equilíbrio de calor, descobrimos que o valor de Δ T pode ser derivado conforme expresso na seguinte equação:

Δ T = R_TPhi_é/ √ (1 + ω^doisτ^dois_T)

Se substituirmos este valor de Δ T na equação anterior, obtemos um resultado que representa o Vo com características de passagem de banda, conforme mostrado abaixo:

Onde τ_É refere-se à constante de tempo elétrica ( R_dC_d ), τ_T indica o
constante de tempo térmica ( R_TC_T ), e Phi_é simboliza o radiante
potência do alvo detectado pelo sensor.

As discussões e equações acima provam que a tensão de saída Vo de um PIR é diretamente proporcional à energia radiante emitida pela fonte e, portanto, torna-se idealmente adequada para aplicações de medição de temperatura sem contato.

No entanto, sabemos que um PIR não pode responder a uma fonte IR estacionária e requer que a fonte esteja em movimento para permitir uma saída legível.

Uma vez que a velocidade do movimento também afeta os dados de saída, temos que nos certificar de que a fonte se move com uma velocidade precisa, um aspecto que pode ser impossível de implementar em um alvo humano.

Portanto, uma maneira fácil de se opor a isso é deixar o alvo humano parado e replicar seu movimento por meio de uma interface artificial helicóptero baseado em motor com o sistema de lentes PIR.

Protótipo de termômetro sem contato usando PIR

Os parágrafos a seguir explicam a configuração do teste de um sistema de scanner térmico prático, que pode ser aplicado para construir um protótipo prático, após uma otimização completa dos vários parâmetros envolvidos.

Conforme aprendido na seção anterior, um PIR é projetado para detectar a emissão radiante na forma de uma taxa de mudança de temperatura dT / dt e, portanto, responde apenas a um calor infravermelho que é pulsado com uma frequência calculada apropriadamente.

De acordo com os experimentos, verificou-se que o PIR funciona melhor em uma frequência de pulso de cerca de 8 Hz, que é obtida por meio de um corte constante do sinal de entrada através de um servomotor.

Basicamente, o corte dos sinais permite que o sensor PIR avalie e envie a energia radiante do corpo como picos de tensão. Se a frequência do chopper for otimizada corretamente, o valor médio desses picos será diretamente proporcional à intensidade da temperatura radiante.

A imagem a seguir mostra um teste típico configurado para a criação de uma unidade de medição otimizada ou MU.

Para garantir um funcionamento eficiente do sistema, a distância entre a fonte de infravermelho e o campo de visão do sensor (FOV) deve ser em torno de 40 cm. Em outras palavras, o corpo radiante e a lente PIR devem estar a uma distância de 40 cm um do outro.

Também podemos ver um sistema chopper que consiste em um pequeno motor de passo com uma hélice instalada entre a lente de fresnel e o sensor piroelétrico PIR.

Como funciona

A radiação IV do corpo passa pelas lentes de fresnel, então é cortada na frequência de 8 Hz pelo motor do chopper e a radiação IV pulsada resultante é detectada pelo sensor PIR.

A saída AC equivalente a este IR detectado é então aplicada ao estágio do 'condicionador de sinal' feito com muitos estágios do amplificador operacional.

A saída final amplificada e condicionada do condicionador de sinal é analisada em um osciloscópio para verificar a resposta do circuito a uma saída radiante variável de um corpo.

Otimizando o PIR e o Chopper

Para obter os melhores resultados possíveis, os seguintes critérios devem ser garantidos para o PIR e a associação do chopper.

O disco picador ou as lâminas devem ser posicionados para girar entre a lente de fresnel e o sensor interno PIR.

O diâmetro da lente de fresnel não deve ser superior a 10 mm.

A distância focal da lente deve ser de cerca de 20 mm.

Considerando o fato de que a área de detecção típica de PARA_d 1,6 mm Phi e é instalado próximo ao comprimento focal da lente, o campo de visão ou FOV é encontrado para ser 4,58^ouusando a seguinte fórmula:

FOV_{(meio ângulo)}≈ | então^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^ou

Nesta equação d_s denota o diâmetro detectável do sensor, e f é a distância focal da lente.

Especificações da lâmina picadora

A eficiência de trabalho do termômetro sem contato depende em grande parte de como o infravermelho incidente é pulsado através do sistema chopper e

Neste picador, as seguintes dimensões devem ser empregadas:

O picador deve ter 4 lâminas e um diâmetro Dc deve ter cerca de 80 mm. Deve ser acionado por um motor de passo ou um circuito controlado por PWM.

A frequência rotacional aproximada deve diminuir em torno de 5 Hz a 8 Hz para um desempenho ideal.

A lente de fresnel PIR deve ser posicionada 16 mm atrás do sensor piroelétrico, de modo que o diâmetro do sinal IR de entrada caindo na lente seja de cerca de 4 mm, e esse diâmetro é suposto ser muito menor do que a 'largura do dente' TW do chopper disco.

Conclusão

Um scanner térmico sem contato ou um termômetro infravermelho é um dispositivo muito útil que permite medir a temperatura do corpo humano à distância sem nenhum contato físico.

O coração deste dispositivo é um sensor infravermelho que detecta o nível de calor na forma de fluxo radiante de um corpo e o converte em um nível equivalente de potencial elétrico.

Os dois tipos de sensores que podem ser usados para esse fim são o sensor termopilha e o sensor piroelétrico.

Embora fisicamente ambos pareçam semelhantes, há uma grande diferença no princípio de funcionamento.

Uma termopilha funciona com o princípio básico de um termopar e gera um potencial elétrico proporcional à diferença de temperatura em suas junções de termopar.

Um sensor piroelétrico que normalmente é usado em sensores PIR, opera detectando a mudança na temperatura de um corpo quando o corpo com uma temperatura superior à temperatura ambiente cruza o campo de visão do sensor. Esta mudança de nível de temperatura é convertida em uma quantidade proporcional de potencial elétrico em sua saída

A termopilha sendo um dispositivo linear é muito mais fácil de configurar e implementar em todas as formas de aplicativos de digitalização térmica.