Бесконтактный датчик температуры поверхности

Бесконтактные датчики температуры созданы для обеспечения контроля температуры удаленных или труднодоступных объектов. Отсутствие необходимости соприкосновения позволяет бесконтактным датчикам измерять очень большие диапазоны температур.

Варианты исполнения бесконтактных датчиков температуры

В качестве датчиков с бесконтактным измерением температуры применяются переносные датчики с инфракрасным излучением. Они отличаются диапазоном измеряемых температур, используемыми материалами и временем отклика.

Для работы с различными материалами и температурами необходимо проводить настройку прибора в зависимости от конкретных условий работы. Точность результатов измерения зависит от характеристик датчика, включая диапазон измеряемой длины волны, и излучательной способности объекта контроля. Эти параметры влияют на коэффициенты настройки датчика.

Современные бесконтактные датчики температуры способны определять температуру на большом удалении. Некоторые модели датчиков могут быть дополнительно снабжены лазерным указателем, позволяющим более точно захватывать объект для измерения.

Датчики температуры на основе термоэлементов позволяют измерять температуру бесконтактным способом, что выгодно отличает их от традиционных термодатчиков контактного типа. Бесконтактные датчики используют инфракрасное (ИК) излучение и обычно их применяют в таких портативных устройствах как инфракрасные термометры. Еще одной привлекательной областью применения датчиков на термоэлементах является мониторинг температуры подвижных объектов. В этом случае применение стандартных контактных датчиков температуры имеет серьезные недостатки. Данная статья является обзором бесконтактных инфракрасных датчиков температуры и должна помочь разработчикам в использовании всех преимуществ этой технологии.

Рис. 1. Структура термоэлемента

Датчик изнутри

Инфракрасный датчик на термоэлементах состоит из ряда последовательно cоединенных термопар, "горячие" спаи которых прикреплены к тонкой, специальным образом обработанной пластине кремния, которая выполняет роль абсорбера – поглотителя инфракрасного излучения (рис. 1). В процессе обмена инфракрасным излучением температура абсорбера растет или падает в зависимости от разницы температур между ним и объектом (рис. 2).

Рис. 2. Устройство кремниевой линзы/фильтра

Чтобы температура объекта была измерена точно, он должен полностью перекрывать сектор обзора датчика. Это гарантирует, что воздействующее на термоэлемент (рис. 3) инфракрасное излучение приходит только от объекта измерения, а не от окружающего фона. Кроме того, использование фильтра и линзы значительно повышает качество работы инфракрасных датчиков.

Рис. 3. Датчики и модули на основе термоэлементов

Обычный кремний является абсолютно непрозрачным материалом для видимого света, но он прозрачен для излучения с длиной волны более 2 мкм, где располагается большинство спектральных выбросов при температурах ниже 500 К (200°C или 450°F). Поэтому кремний может быть использован для фильтрации видимого и ультрафиолетового (УФ) спектра для предотвращения их влияния на датчик. Для того чтобы увеличить чувствительность датчика (или расстояние, на котором датчик может измерять температуру объекта фиксированного размера), широко используются специальным образом обработанные кремниевые линзы, позволяющие сконцентрировать больше инфракрасного излучения на датчике или ограничить его сектор обзора.

Назначение и возможности датчиков

В настоящее время ИК-датчики на основе термоэлементов могут поставляться с различными линзами/ фильтрами, что позволяет использовать их в приборах разного класса и назначения, начиная от промышленных пирометров и до бытовых устройств. В зависимости от датчика, выходной сигнал может быть представлен стандартным выходным сопротивлением или аналоговым/ цифровым выходным сигналом.

Разнообразные датчики (полезные как для любителей, так и для профессиональных разработчиков), включая изделия в герметичных корпусах из нержавеющей стали и модули с выведенными проводами, сегодня продаются по доступным ценам. Все эти термоэлементы предназначены для дистанционного измерения температуры путем детектирования инфракрасной энергии объекта. Чувствительный термоэлемент, составленный из небольших термопар на кремниевом чипе, поглощает энергию и генерирует выходной сигнал. В комплект приборов входит также источник опорного напряжения в качестве эталона для коррекции.

Датчик TPS334

Изготавливаемый компанией Excelitas детектор TPS334 – это стандартный датчик, который использует пластину размером 0,7 x 0,7 мм 2 в качестве абсорбера и термистор на 30 кОм в качестве опорного источника температуры (рис. 4). Круглое окно оснащено инфракрасным фильтром на 5,5 мкм с пропусканием длинноволновой части спектра. TPS334 выпускается в корпусе типа TO-5.

Рис. 4. TPS334 (слева) и расположение выводов (справа)

Датчик A2TPMI

A2TPMI – еще один термоэлемент производства Excelitas. Это универсальный инфракрасный датчик с интегрированной специализированной микросхемой для обработки сигналов и компенсации температуры окружающей среды. Этот интегрированный инфракрасный модуль воспринимает тепловое излучение объектов и преобразует его в аналоговое напряжение. Благодаря внутренней обработке цифрового сигнала и 8-разрядному разрешению внутренних регистров управления A2TPMI имеет повышенную точность регулировки и улучшенные характеристики. Примененная технология E2PROM обеспечивает неограниченное количество изменений в конфигурации. A2TPMI является удачным выбором и для любительских конструкций благодаря интеграции датчика и электроники в компактном корпусе ТО-39. Функциональная схема A2TPMI показана на рис. 5.

Рис. 5. Функциональная схема A2TPMI

Датчик MLX90614

Очень популярным инфракрасным термометром для бесконтактного измерения температуры является MLX90614 производства компании Melexis (рис. 6). Он представляет собой сочетание в одном 4-контактном корпусе ТО-39 инфракрасного высокочувствительного детектора на термоэлементах и специализированного стандартного формирователя сигналов. Этот термометр включает в себя малошумящий усилитель, 17-разрядный аналого-цифровой преобразователь и мощный процессор цифровых сигналов. Он откалиброван на заводе-изготовителе с возможностью использования на цифровом выходе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и системной шины управления (SMBus).

Рис. 6. Конфигурация выводов MLX90614*

• Bottom view – Видснизу
• Pin name – Вывод
• Function – Функция
• Serial clock … – Вход синхросигнала для 2-проводного коммуникационного протокола. На этом выводе MLX-90614 Axxx установлен стабилитрон на 5,7 В для подключения биполярного транзистора из состава внешнего источника питания напряжением 8…16 В
• Digital input/ … – Цифровой вход/выход. В стандартном режиме измерения температуры объекта на этом выводе представлен сигнал с ШИМ. В режиме, совместимом с шиной SM, этот вывод автоматически конфигурируется как открытый сток NMOS
• Exetnal … Внешний источник питания
• Ground … – Общая шина. Металлические части могут соединяться с этим контактом.

Замечания по проектированию

Подключить к микроконтроллерам термоэлементы с последовательным интерфейсом, такие как A2TPMI, не очень сложно. Тем не менее, для датчиков без встроенного процессора (например, TPS334), может возникнуть необходимость в добавлении внешней схемы обработки сигнала на основе высококачественного операционного усилителя с малым уровнем шума, каким является LTC1050/1051. Еще одним экономичным и хорошим вариантом для любительского конструирования является модуль инфракрасного датчика температуры TMP006 производства Texas Instruments (рис. 7). Оригинальная принципиальная схема модуля показана на рис. 8.

Рис. 7. Плата с датчиком TMP006

Рис. 8. Схема TMP006

Эксплуатация и текущее обслуживание

Поскольку датчики на термоэлементах чувствительны к зарядам статического электричества, запасные неиспользуемые датчики должны храниться в токопроводящей упаковке для защиты от статических разрядов и статических полей. Превышение абсолютных максимальных уровней напряжения и подключенный в обратной полярности источник питания повреждают датчик. Кроме того, датчики на основе термоэлементов не должны подвергаться воздействию прямых солнечных лучей или влаги. Будьте осторожны при обращении с этими датчиками и не прикасайтесь к оптическому окну. Жировые выделения кожи, пыль или грязь могут негативно повлиять на работу датчика. В таких случаях оптическое окно (фильтр и линза) следует очищать с помощью спирта и ватного тампона.

Вместо заключения

Возможность считывать температуру объекта, даже не прикасаясь к нему, открывает удивительные перспективы. Инфракрасные датчики на основе термоэлементов обладают наилучшим сочетанием характеристик, включая малый размер, пониженное энергопотребление и малую стоимость конечного прибора для бесконтактного измерения температуры. Правда, их не так легко реализовать, как традиционные контактные измерители температуры.

Для обеспечения стабильной и качественной работы различных систем и устройств используются разнообразные типы датчиков. Отдельную ступень во всем их многообразии занимают анализаторы уровня температуры.

Принцип их работы состоит в преобразовании уровня тепла окружающей среды в электрические величины, которые быстро передаются на контрольный блок, регулирующий работу системы, основываясь на полученных данных.

Виды термодатчиков

Существует множество видов измерителей тепла, разделяемые по разным признакам. Рассмотрим основные их виды:

• Термопреобразователь сопротивления, он же термистор. Принцип работы заключается в разном уровне показателей сопротивления проводников под действием различной температуры. Обладает высокой скоростью обнаружения и фиксирования изменения тепловых данных, большими числами сопротивления, а также высокой чувствительностью;
• Термопара или термоэлектрический преобразователь. В замкнутой системе, состоящей из двух проводников проходит ток только в том случае, если каждый из них имеет различный температурный показатель. Высокоточные приборы, благодаря чему пользуются немалой популярностью;
• Кварцевый термопреобразователь. Фиксирует и измеряет частоту встроенного элемента, зависящую от температурных показателей измеряемой среды;
• Шумовой термометр. Обладает широким диапазоном измеряемого параметра. Замер производится путем сравнения показателей шума с двух одинаковых чувствительных элементов, один из которых находится в изучаемой среде, а второй имеет известный уровень тепла;
• Дилатометрический преобразователь распознает изменение уровня температуры, основываясь на сжатии определенного тела или вещества (либо его расширении);
• Акустический анализатор. Измеряет скорость распространения звука в газовой среде и анализирует ее зависимость от уровня тепла;
• Пирометр. Бесконтактный измеритель, о котором будет подробнее расписано ниже.

Бесконтактный датчик температуры

Такие приборы отличаются тем, что для выяснения термического уровня необходимого объекта или среды, нет необходимости в соприкосновении датчика с объектом измерения. Благодаря этому, устройства такого типа могут работать с очень большими температурными показателями, а также с различными агрессивными и жесткими средами.

Для сравнения — модель TW 7000 имеет максимальны порог в 500 градусов Цельсия, а NW 2002 запросто справляется с показаниями в 2500 градусов.

Пирометры, как правило, применяются в промышленных областях, так как в быту обычно нет таких температур и жестких условий, при которых мог бы понадобиться бесконтактный датчик температуры.

Подобные измерители отлично выполняют свою работу в энергетике, металлургии, машиностроении, пищевой промышленности и так далее.

Какие задачи поможет решить пирометр? Он проводит отслеживание и контроль уровня тепла там, где другие термодатчики окажутся бесполезными:

1. объекты, изготовленные из материалов с низкой теплопроводностью (к примеру, при измерении температуры контактным прибором, зонд должен пробиться через защиту оболочки, что по причине низкой ее теплопроводности либо затруднено, либо невозможно);
2. высокотемпературные процессы;
3. движущиеся элементы какой-то системы;
4. поверхности, в силу особенностей которых, на них могут быть установлены другие датчики;
5. объекты под напряжением;
6. труднодоступные места;
7. агрессивные среды.

Благодаря тому, что пирометр напрямую не соприкасается с измеряемым предметом или средой, он всегда остается чистым и отсутствует вероятность его повреждений от воздействий этой среды.

Помимо всех вышеперечисленных его достоинств, включающих любую поверхность, температуру и среду, в которых данный прибор способен сохранять работоспособность, он еще может работать с абсолютно любым материалом.

Недостатки

Во-первых, он довольно сложен в настройке, откалибровать его довольно непросто, но необходимо, иначе получаемые данные будут некорректными, что скажется на качестве работы изучаемой системы. Лучше будет доверить этот процесс сертифицированному специалисту. Это поможет избежать ошибок в настройке и негативных последствий, причиной которым она может стать.

Во-вторых, необходимость очень ответственного и внимательного подхода к выбору датчика. Не каждый пирометр может работать в разных условиях и с разными типами измерений. Для конкретных объектов нужно подобрать модель, которая может показать максимально точные результаты при работе с ней.

Принцип работы пирометра

По сути данный прибор является излучателем инфракрасного света, который узнает температурный уровень объекта путем измерения величины электромагнитной энергии, который тот выделяет в ИК диапазоне.

Современные пирометры способны работать на большом удалении от объекта, а для точности наведения могут быть снабжены указателем — лазерный луч, который выглядит как точка на измеряемой поверхности.

Как и каждый измерительный прибор, рассматриваемый в данной статье также не застрахован от возможных ошибок и погрешностей в измерении. Почему это может произойти?

1. Помехи на пути сигнала (пыль, дым, осадки);
2. Загрязненная поверхность изучаемого объекта;
3. Расстояние до объекта больше, чем указано в рекомендациях;
4. Пирометр не адаптировался к среде (в таком случае, нужно либо дать ему чуть больше времени, либо перенастроить);
5. Выход из строя каких-либо составляющих прибора.

Calex

В качестве примера рассмотри несколько бесконтактных приборов от компании Calex, которая уже более сорока лет производит приборы для измерения температур, применяемые в производстве и промышленности.