Spis treści:
Zdalny (bezkontaktowy) pomiar temperatury to niezwykle przydatna technologia, sprawnie wykorzystująca fundamentalne prawa fizyki. Warto więc wiedzieć, jak działa pirometr.
Termometr na podczerwień, często nazywany także pirometrem lub termometrem bezkontaktowym, pozwala na pomiar temperatury obiektu bez jakiegokolwiek kontaktu fizycznego czujnika z badaną powierzchnią. Technologia ta znalazła szereg zastosowań w rozmaitych gałęziach techniki i życia codziennego, stając się jedną z najczęściej stosowanych metod pomiaru temperatury. W naszym dzisiejszym wpisie poznasz szczegóły budowy tego typu termometrów, zasadę ich działania, a także przykładowe czujniki, gotowe do zastosowania w Twoich projektach. Zaczynajmy!
Trochę fizyki na dobry początek
Sercem każdego termometru na podczerwień jest czujnik pirometryczny, który – starając się zbliżyć do anglojęzycznej nazwy – moglibyśmy określić mianem sensora termostosowego. Element ten działa w oparciu o efekt Seebecka. Aby zrozumieć działanie naszego urządzenia, najpierw musimy więc przyjrzeć się samemu efektowi Seebecka oraz termoparze, będącej najbardziej podstawowym czujnikiem wykorzystującym to ciekawe zjawisko fizyczne.
Wyobraź sobie, że dwa druty, wykonane z różnego rodzaju metali lub półprzewodników, połączymy trwale w jednym punkcie (np. poprzez zgrzanie). Tak powstały element nazywamy termoparą. Jeżeli temperatura w miejscu złącza jest inna, niż temperatura „wolnych końców” naszej termopary, to pomiędzy obydwiema jej częściami powstaje różnica napięcia. Co ważne, wartość tej różnicy potencjałów zależy od zastosowanych materiałów oraz od różnicy temperatur. Opisany rodzaj efektu termoelektrycznego nazywamy właśnie zjawiskiem Seebecka i wykorzystujemy do pomiaru temperatury za pomocą czujników termoparowych.
Budowa czujnika pirometrycznego
Termostos – jak sama nazwa wskazuje – jest po prostu szeregowym połączeniem wielu termopar, co pozwala zwiększyć (zwielokrotnić) generowane napięcie – a to w prosty sposób przekłada się na wzrost czułości sensora. Rzecz jasna, praktyczne realizacje czujników termostosowych opierają się obecnie na mikroskopijnych strukturach półprzewodnikowych, które na powierzchni rzędu kilku milimetrów kwadratowych integrują nie tylko miniaturowy termostos, ale także analogowy lub – częściej – cyfrowy układ scalony, odpowiedzialny za przetwarzanie sygnału z termostosu.
Musisz bowiem wiedzieć, że napięcia wyjściowe uzyskiwane z tego elementu są na poziomie mikrowoltów, konieczne jest zatem ich wzmocnienie, a dopiero potem digitalizacja (przetwarzanie analogowo-cyfrowe), linearyzacja, kompensacja temperatury otoczenia, kalibracja… cały, złożony proces, którego celem jest dostarczenie zewnętrznemu układowi (np. mikrokontrolerowi) dokładnej wartości zmierzonej temperatury.
Brakujący element układanki – promieniowanie termiczne
Zaraz, zaraz… na początku powiedzieliśmy, że termopara jest wykorzystywana do pomiarów kontaktowych, zaś czujnik termostosowy (zbudowany z szeregu termopar) pozwala „obserwować” badaną powierzchnię bez jej dotykania. Czy to błąd? W żadnym razie!
Brakującym elementem naszej fizycznej układanki jest bowiem promieniowanie termiczne, czyli pewien podzakres widma podczerwieni (fal elektromagnetycznych, przypominających właściwościami światło, ale leżących – pod względem długości fali – powyżej widzialnego dla nas przedziału spektrum). Każde ciało, którego temperatura wynosi więcej, niż zero stopni Kelvina (tak zwane zero bezwzględne), emituje bowiem pewną ilość promieniowania w zakresie średniej lub dalekiej podczerwieni. Jest to jedna z form przekazu ciepła, a zatem… wystawiając termostos na działanie nagrzanej powierzchni, jesteśmy w stanie delikatnie zwiększyć jego temperaturę, na tyle, aby móc zmierzyć powstałą różnicę napięcia i przetworzyć ją na wartość temperatury badanej powierzchni. Tylko tyle i aż tyle.
Ale czy każda powierzchnia, np. o temperaturze 50 oC, generuje taką samą ilość promieniowania, w tej samej części widma podczerwieni? Niestety nie – poszczególne materiały różnią się tzw. emisyjnością, która odnosi ich właściwości do modelu tzw. ciała doskonale czarnego. Nie wdając się w szczegóły zapamiętaj jedynie, że dokładność pomiaru temperatury pirometrem zależy od poprawnego ustawienia emisyjności, dlatego dobre termometry na podczerwień dają użytkownikowi możliwość przestawienia tego parametru stosownie do potrzeb.
Pirometry w praktyce
Na rynku dostępne są różne modele czujników pirometrycznych. Najprostsze z nich wymagają rozbudowanych wzmacniaczy i wysokiej jakości przetworników analogowo-cyfrowych, co rzecz jasna znacznie komplikuje budowę współpracujących z czujnikami torów pomiarowych. Na szczęście, wiele pirometrów scalonych zawiera wszystko, co niezbędne do łatwego podłączenia i skomunikowania sensora z zewnętrznym procesorem.
Do najpopularniejszych czujników, umożliwiających zdalny pomiar temperatury obiektów z naprawdę dobrą rozdzielczością i dokładnością, należy seria układów MLX90614 marki Melexis. Układy te zasłużyły na miano kultowych, ponieważ jako pierwsze podbiły rynek dzięki relatywnie przystępnej cenie i doskonałym parametrom. Co więcej, czujniki te świetnie współpracują z Arduino – mogą być zasilane napięciem od 3 do 5 V, a wymiana danych odbywa się za pośrednictwem interfejsu I2C. Mało tego – czujniki można przestawić na tryb PWM, co pozwala na odczyt temperatury za pomocą pojedynczej linii mikrokontrolera (w trybie pomiaru współczynnika wypełnienia, np. z użyciem timera sprzętowego), a także umożliwia realizację prostych termostatów, nie wymagających do prawidłowego działania żadnych dodatkowych kontrolerów programowalnych.
Ten sam producent wprowadził na rynek także znacznie nowocześniejsze czujniki, a właściwie – kamery termowizyjne. Przykładowo – układ MLX90640 oferuje możliwość mapowania rozkładu temperatury na badanych powierzchniach z rozdzielczością 32 x 24 px i kątem widzenia 55 x 35 o. Zakres pomiarowy czujnika to aż -40…+300 oC – idealny dla większości typowych aplikacji.
