Разработка прибора для бесконтактного измерения температуры

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

 

Отчет

По исследовательской  работе

 на тему:

“Разработка прибора для  бесконтактного измерения температуры”

 

 

 

 

Выполнил: ст. группы ЭиНЭМ-11

Ведин С.И.

Проверил: Изиков В.Т.

 

 

Выбор элементной базы устройства:

В качестве чувствительного  элемента мной был выбран бесконтактный  инфракрасный датчик фирмы Melexis, MLX90614DCI, его внешний вид представлен на картинке ниже:

К его преимуществам над  аналогами стоит отнести:

1) малый размер;

2) низкая стоимость;

3) широкий диапазон измеряемых  температур (-70…380°С);

4) простота подключения  по шине I2C;

5) высокая точность измерения;

6) оптика с низким углом  обзора (5°);

 

В качестве обрабатывающего  устройства был выбран микропроцессорный  комплект Arduino Mega на базе процессора Atmega 2560, он представлен на рисунке ниже:

К его преимуществам стоит  отнести:

1) низкая стоимость;

2) большое число портов  входа и выхода;

3) доступная среда разработки;

 

В качестве устройства индикации был выбран двухстрочный жк дисплей размерностью 16х2, он представлен на картинке ниже:

 

Принцип работы, устройство инфракрасного пирометра и его  основные характеристики

Пирометром называют прибор, который измеряет температуру по тепловому электромагнитному излучению  и предоставляет информацию в  форме, удобной для пользователя. Инфракрасные пирометры, использующие метод радиационной пирометрии, являются наиболее распространенным классом  среди устройств подобного рода (другие названия — инфракрасный термометр  или инфракрасный радиометр). Конструктивно  такой пирометр представляет собой  пирометрический преобразователь  и устройство отображения информации, аналоговое или цифровое.

Принцип действия инфракрасного  пирометра основан на измерении  абсолютного значения амплитуды  электромагнитного излучения от объекта в инфракрасной части  спектра и последующем преобразовании измеренного значения в температуру. Схема такого пирометра с оптическим видоискателем изображена на рисунке:

 
Устройство пирометра: 1 — объект измерения; 2 — тепловое излучение;  
3 — оптическая система; 4 — зеркало; 5 — видоискатель; 6 — ось видоискателя;  
7 — измерительно-счетное устройство; 8 — корпус; 9 — электронный преобразователь; 10 —  
кнопка; 11 — датчик

Тепловой луч, сфокусированный  оптической системой, падает на датчик (первичный пирометрический преобразователь), в результате на выходе образуется электрический сигнал, пропорциональный значению температуры объекта измерения. Этот сигнал проходит через электронный  преобразователь (вторичный пирометрический  преобразователь), попадает в измерительно-счетное  устройство и обрабатывается в нем. Результат отображается на дисплее (индикация у современных пирометров, как правило, цифровая).

Чтобы получить точное значение температуры объекта, пользователю нужно лишь включить прибор, навести  его на объект измерения и нажать на кнопку. На сегодняшний день этот метод бесконтактного измерения температуры является одним из самых простых и недорогих. Измерения можно проводить практически на любом расстоянии, дальность действия современных пирометров ограничивается только площадью измеряемого пятна и прозрачностью среды.

К основным техническим характеристикам  пирометров относят:

• оптическое разрешение (встречаются модели с разрешением от 2 до 600 : 1);
• диапазон измеряемых температур (max от -50 до 4000° C или меньше);
• измеряемое разрешение — 1 или 0,1° C;
• точность измерения (оптимальная ± 1,5%);
• быстродействие (у современных очень высокое — менее 1 секунды);
• коэффициент излучения — переменный либо фиксированный;
• способ нацеливания — оптический либо лазерный прицел.

Рассмотрим некоторые  из этих характеристик подробнее.

Оптическое разрешение

Оптическим разрешением (другое название — показатель визирования) называют отношение диаметра светового  пятна и расстояния до объекта  измерения. В технической документации к пирометру обычно указывается  конкретное значение показателя визирования  или приводится диаграмма направленности.

 
Пример диаграммы  направленности пирометра

Соответственно, диаметр  измеряемого пятна определяется оптическим разрешением и зависит  от расстояния между пирометром и  объектом измерения (S=k*D, где k — показатель визирования, D — расстояние до объекта). Минимальный диаметр пятна соответствует  наименьшему размеру объекта, который  может быть измерен этим пирометром на заданном расстоянии. Чем больше величина оптического разрешения (S/D, хотя иногда используют обратную величину D/S), тем более мелкие предметы может  различать пирометр. Точность измерения не зависит от расстояния до объекта до тех пор, пока диаметр измеряемого пятна меньше размера объекта. Если же диаметр пятна становится больше, прибор начинает принимать излучение от других объектов, и это оказывает значительное влияние на результаты измерения.

 
Различные варианты положения пятна визирования

На рисунке выше приведены  различные варианты расположения пятна  визирования:

1. правильное — в этом случае точность определяется исключительно характеристиками прибора и не зависит от расстояния;
2. критическое — диаметр пятна равен размеру поверхности объекта, возможно увеличение погрешности измерения;
3. закритическое — точность измерения значительно падает, измерения проводить не рекомендуется.

Фокусное расстояние

Для многих пирометров диаграмму  направленности пирометра можно  считать конической только на достаточно больших расстояниях, вблизи она  имеет гораздо более сложную  форму. Очень часто зона чувствительности пирометра сначала сужается до своего минимального диаметра, а затем начинает расширяться в виде конуса. Расстояние, на котором достигается минимальный  диаметр, называется фокусным расстоянием F, для пирометров с подобной диаграммой направленности этот параметр должен указываться в технической документации. Существует класс специальных короткофокусных  пирометров с фокусом в районе 30…60 см и диаметром пятна 5…8 мм.

Диапазон температур и рабочая длина волны

Диапазон измеряемых температур для конкретной модели пирометра  определяется рабочей длиной волны. Пирометры, предназначенные для  измерения высоких температур, работают на более коротких волнах, поскольку  с ростом температуры спектр излучения  смещается в сторону коротких частот. Как правило, для пользователя рабочая частота не так важна, поэтому в технических характеристиках  данный параметр часто не указывается, но обязательно указывается диапазон рабочих температур (более подробно о соответствии рабочих длин волн и рабочего температурного диапазона  можно прочитать в статье "Сферы применения пирометров").

Быстродействие

Сам принцип работы пирометра  предполагает достаточно быстрое измерение  температуры, поэтому к этим приборам предъявляются определенные требования по быстродействию. Временем установления показаний считается промежуток, который отсчитывается с момента  скачкообразного изменения на входе  датчика пирометра до того момента, когда выходной сигнал достигает  установленного значения с отклонением  до 2%. В среднем быстродействие современных  пирометров не превышает 1 секунды.

Коэффициент излучения  или излучательная способность

Самые простые модели пирометров имеют фиксированный коэффициент  излучения (как правило, он равен 0,95, поскольку на производстве и в  быту чаще всего требуется измерение  температуры объектов с подобным коэффициентом). Однако при измерении  температуры светлых, блестящих, полированных поверхностей и т.п. такие пирометры  могут давать значительную погрешность. Чтобы этого избежать, специалисты  нашего сайта www.teplomer.biz рекомендуют  использовать более сложные пирометры  с возможностью настройки коэффициента излучения. Используя специальные таблицы (пример подобной таблицы приведен в статье "Методы пирометрии, их достоинства и недостатки. Классификация пирометров.") можно вручную отрегулировать прибор для каждого конкретного случая и снизить погрешность до минимума. Кроме того, самые современные модели инфракрасных пирометров обладают встроенными таблицами с данными излучательной способности для разных материалов, что избавляет от необходимости копаться в справочниках.

 

Код для Arduino для обработки информации с ИК датчика

#include <i2cmaster.h>

#include <LiquidCrystal.h>

 

LiquidCrystal lcd(12, 11,10, 5, 4, 3, 2);

void setup(){

  lcd.begin(16, 2);

    Serial.begin(9600);

    Serial.println("Setup...");

   

    i2c_init(); //Initialise the i2c bus

    PORTC = (1 << PORTC4) | (1 << PORTC5);//enable pullups

}

 

void loop(){

  int dev = 0x5A<<1;

  int data_low = 0;

  int data_high = 0;

  int pec = 0;

 

  i2c_start_wait(dev+I2C_WRITE);

  i2c_write(0x07);

 

  // read

  i2c_rep_start(dev+I2C_READ);

  data_low = i2c_readAck(); //Read 1 byte and then send ack

  data_high = i2c_readAck(); //Read 1 byte and then send ack

  pec = i2c_readNak();

  i2c_stop();

 

  //This converts high and low bytes together and processes temperature, MSB is a error bit and is ignored for temps

  double tempFactor = 0.02; // 0.02 degrees per LSB (measurement resolution of the MLX90614)

  double tempData = 0x0000; // zero out the data

  int frac; // data past the decimal point

 

  // This masks off the error bit of the high byte, then moves it left 8 bits and adds the low byte.

  tempData = (double)(((data_high & 0x007F) << 8) + data_low);

  tempData = (tempData * tempFactor)-0.01;

 

  float celcius = tempData - 273.15;

  float fahrenheit = (celcius*1.8) + 32;

 

  Serial.print("TeMnepamypa: ");

  Serial.println(celcius);

  lcd.setCursor(0,0);

  lcd.print("TeMnepamypa: ");

  lcd.setCursor(0, 1);

  lcd.print(celcius);

 

 

  delay(1000); // wait a second before printing again

}