Συστήματα μέτρησης θερμοκρασίας βάσει αισθητήρων υπέρυθρης ακτινοβολίας

Άρθρο του κ. Σωτήρη Βούλγαρη*

Με βάση τη θεωρία της Φυσικής, κάθε αντικείμενο με θερμοκρασία άνω των -273,5οC (απόλυτο μηδέν) εκπέμπει θερμική ακτινοβολία και συνεπώς χάνει ενέργεια. Εάν απομονώσουμε ένα σώμα στο κενό, αυτό θα συνέχιζε να ακτινοβολεί και να χάνει ενέργεια, μέχρι να πέσει η θερμοκρασία στο απόλυτο μηδέν. Η τέλεια απομόνωση του σώματος δεν είναι δυνατή, και έτσι το σώμα θερμαίνεται από το περιβάλλον του. Εάν ένα σώμα τοποθετηθεί σε περιβάλλον της ίδιας θερμοκρασίας με τη δική του, η θερμοκρασία του δεν πρόκειται να μεταβληθεί, αφού θα δέχεται από το περιβάλλον του ακριβώς όση ενέργεια ακτινοβολεί (Αρχή ανταλλαγής ενέργειας του Prevost).

Επομένως, αντικείμενα στερεά και υγρά μεταδίδουν ακτινοβολία σε συγκεκριμένα μήκη κύματος, που ορισμένα μπορεί να είναι ορατά και άλλα μη ορατά, σύμφωνα με την εικόνα 1.

Η ταχύτητα διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών διαταραχών είναι η ταχύτητα του φωτός και περιγράφεται με την εξίσωση:

λ=c/v

όπου:

λ: το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής διαταραχής.

c: η ταχύτητα του φωτός(3x108m/sec).

v: η συχνότητα της διαταραχής.

Η ακτινοβολία στην περιοχή «visible light» 750nm – 400nm, όταν πέσει επάνω στο μάτι και συγκεκριμένα στο οπτικό νεύρο, το διεγείρει με αποτέλεσμα να είναι ορατή.

Η ακτινοβολία στην περιοχή «infrared radiation» 1mm -750nm δεν είναι ορατή, λέγεται υπέρυθρη και όταν πέσει επάνω σε ένα σώμα το θερμαίνει· για αυτό και λέγεται θερμική ακτινοβολία. Και αντίστροφα, η θερμική ακτινοβολία αποτελεί ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που αποτελεί την ίδια τη θερμοκρασία του σώματος.

Με βάση τις παραπάνω θεωρίες δημιουργήθηκε ηλεκτρονικό σύστημα που εκμεταλλεύεται τη θερμική ακτινοβολία στο υπέρυθρο για τη μέτρηση θερμοκρασίας αντικειμένων προκειμένου να αναγνωρίζονται αντικείμενα χαμηλής, μέσης και υψηλής θερμοκρασίας από απόσταση.

Πρόκειται για μια τεχνολογική εξέλιξη που προωθείται το τελευταίο διάστημα, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται στην αγορά  ηλεκτρονικά εργαλεία ανίχνευσης θερμοκρασίας αντικειμένων (Temperature_Gun with use Infrared_Radiation).

Ένα τέτοιο παραδειγμα είναι αυτό του ηλεκτρονικού πιστολιού, που με χρήση υπέρυθρης ακτινοβολίας μπορεί να διαγνώσει τη θερμοκρασία σε σχέση με την απόσταση αντικειμένων και να λειτουργήσει συμπληρωματικά με άλλες μεθόδους διάγνωσης, δίνοντας σημαντικές ενδείξεις.

Η σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία, χάρη στην εξειδικευμένη μορφή της Ηλεκτρονικο-Πληροφορικής εφαρμογής των μικροεπεξεργαστών και στο εξειδικευμένο λογισμικό που διαθέτει, μπορεί να βοηθήσει με τη δημιουργία ειδικής συσκευής που μπορεί να μετράει θερμοκρασίες αντικειμένων που εκπέμπουν στο υπέρυθρο, από απόσταση.

Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το ηλεκτρονικό ψηφιακό σύστημα της εικόνας 2, το οποίο φέρει:

  • Αισθητήρα Laser μαλακής ακτινοβολίας μήκους κύματος λ=650nm για στόχευση στόχου.
  • Αισθητήρα Ultrasound (Υπερήχων) για μέτρηση απόστασης ύστερα από στόχευση στόχου του Laser έως 2m.
  • Αισθητήρα παθητικό για ανίχνευση ποσοτικά της υπέρυθρης εκπεμπόμενης ακτινοβολίας
  • Μικροεπεξεργαστή για υπολογισμό όλων των ανωτέρω παραμέτρων.

Το ηλεκτρονικό σύστημα μπορεί να ανιχνεύσει εκπεμπόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία από οποιοδήποτε αντικείμενο.

Μετά από εργαστηριακές μελέτες αποδείχθηκε ότι η μέτρηση θερμοκρασίας είναι συνάρτηση της απόστασης και μπορεί να λαμβάνεται χωρίς επαφή από μικρής – μέσης κλίμακας απόσταση, που κυμαίνεται από 2,5cm έως 2m.

Το παραπάνω σύστημα συνδέεται για προγραμματισμό (Language C++_κλάσεις) σε ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω σειριακού διαύλου USB.

Για να επιτύχουμε τη θερμομέτρηση σωμάτων με βάση τα παραπάνω, κάνουμε τα εξής:

  • Χρησιμοποιούμε τον αισθητήρα Laser για να στοχεύσουμε το σημείο από το οποίο θέλουμε να πάρουμε τη θερμοκρασία. Το Laser χρησιμοποιεί μαλακή ακτίνα μήκους κύματος λ=650nm κοντά στο υπέρυθρο-ορατό για να δείχνει το στοχευόμενο αντικείμενο.
  • Με τον αισθητήρα απόστασης ultrasound (υπερήχων) μετρούμε μέσω ένδειξης οθόνης υγρών κρυστάλλων την απόσταση του στόχου που μας καταδεικνύει το Laser (έως 2 μέτρα). Η συχνότητα αυτή είναι γύρω στα 40KHz και ανήκει στους υπέρηχους και στη μη θερμική ακτινοβολία, χωρίς να επηρεάζει το ανακλώμενο σήμα του αισθητήρα υπερύθρων. Σε αυτή την περίπτωση μπορούμε να κεντράρουμε ακριβώς κάθετα το στόχο ανάβοντας ένα πράσινο LED, αφού η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης του υπέρηχου σήματος.
  • Χρησιμοποιούμε τον παθητικό αισθητήρα υπερύθρων με βάση τα datasheets της εταιρείας, όπου εκμεταλλευόμαστε τις μαθηματικές εξισώσεις λειτουργίας (π.χ. εξισώσεις Steffan – Boltzman).
  • Τέλος, κάνουμε χρήση της γλώσσας προγραμματισμού (C++, Class…) για την εφαρμογή στον μικροεπεξεργαστή και τις τελικές ενδείξεις αξιολογήσεων. 

 

*Ο κ. Σωτήρης Βούλγαρης είναι μηχανικός ηλεκτρονικός, εκπαιδευτής στον τομέα των ηλεκτρονικών, πληροφοριακών εφαρμογών μικροεπεξεργαστών

Ελέγξτε επίσης

Digital Twins: Ο αυτοματισμός στην 4η Βιομηχανική Επανάσταση (Industry 4.0)

Η 4η Βιομηχανική Επανάσταση, με τις τεχνολογίες που εισάγει, έρχεται να προκαλέσει τεράστιες αλλαγές στον …

Τα Περιοδικά μας