Systemy dla Internetu Rzeczy (47). Czujniki temperatury

Systemy dla Internetu Rzeczy (47). Czujniki temperatury

Temperatura jest najczęściej mierzoną zmienną fizyczną. Dostępnych jest wiele różnorodnych typów czujników temperatury, różniących się dokładnością, sposobem współpracy z modułem przetwarzania danych i ceną. Obecnie czujniki cyfrowe są najczęściej układami scalonymi. Jeżeli z powodów mechanicznych umieszczenie układu scalonego w miejscu pomiaru temperatury jest niemożliwe, zamiast czujników scalonych używa się dyskretnych termistorów, termopar lub analogowych czujników półprzewodnikowych, współpracujących z przetwornikami analogowo-cyfrowymi.

Dyskretne czujniki temperatury, w porównaniu z czujnikami scalonymi, mają zwykle nieco szerszy zakres temperatur roboczych, ale wymagają odpowiedniego toru pomiarowego i kalibracji, co podnosi koszty produkcji urządzenia. W zastosowaniach wymagających lepszej precyzji lub pomiaru temperatur spoza zakresu roboczego czujników półprzewodnikowych używa się zwykle termopar współpracujących ze specjalizowanymi układami scalonymi przetworników A/D.

Wśród czujników temperatury wyróżniamy następujące rodzaje:
Termopara TC (Theromcouple) – jest wykonana z dwóch różnych metali połączonych w jako jedno złącze. Dzięki występowaniu efektu Seedbacka generuje napięcie o wartości proporcjonalnej do temperatury. Wyróżnia się bardzo szybkim czasem reakcji, małymi rozmiarami i dokładnością na poziomie ±2°C.
Termistor – jest wykonany z ceramiki lub polimeru. Oddziałująca na czujnik temperatura powoduje zmianę jego rezystancji. Termistor ma duży współczynnik rezystancji temperaturowej (co jest zaletą) oraz wysoce nieliniową, choć gładką, charakterystykę rezystancji w zależności od temperatury (co jest wadą). Termistory dzieli się na dwie grupy:
• NTC (Negative Temperature Coefficient) – termistor o ujemnym współczynniku temperaturowym. Może być używany jako czujnik temperatury lub ogranicznik prądu rozruchowego;
• PTC (PositiveTemperature Coefficient) – termistor dodatnim współczynniku temperaturowym – używany do ochrony przed stanami przeciążenia prądowego, jako resetowalne bezpieczniki.
RTD (Resistance Temperature Detector) – rezystancyjny czujnik temperatury jest wykonany z czystego metalu. Rezystancja elementu zmienia się proporcjonalnie z temperaturą, prawie bez dryfu. Jest bardzo stabilny przez lata i dokładniejszy niż termopara. Może mieć 2, 3 lub 4 wyprowadzenia (przewody). Często stosowaną wersją jest SPRT – standardowy platynowy termometr rezystancyjny. Odznacza się bardzo wysoką dokładnością na poziomie ±0,001°C. Typowo stosowane są czujniki PT100, PT500 oraz PT1000.
IR (Infrared) – czujnik podczerwieni, który wykrywa promieniowanie podczerwone z zakresu 8 do 14 µm (określane jako FIR – Far Infrared) generowane przez obiekt. Na tej podstawie wyznaczana jest temperatura obiektu. Ze względu na sposób pomiaru takie czujniki są określane jako PIR – Passive Infrared. Czujniki są realizowane jako pyroelektryczne, ze stosem termoelektrycznym (thermopile) lub jako tablica czujników.
Scalone czujniki temperatury – czujniki w postaci układów scalonych mają bardzo wiele zalet i coraz lepsze parametry oraz niższe ceny. Ich zasadniczą wadą jest ograniczony zakres pomiaru temperatury. Duża różnorodność produkowanych układów pozwala na ich dobre dopasowanie do zastosowań. Czujniki temperatury są także wbudowane w układy scalone czujników innych parametrów takich, jak: wilgotność, ciśnienie, oświetlenie itd. Dokładny pomiar temperatury czujników umożliwia wykonywanie kompensacji temperaturowej pomiaru tych parametrów.

W tabeli 1 zestawiono cechy i parametry różnych czujników temperatury. Dostępne są także nowe rozwiązania takie, jak układy scalone interfejsów do zdalnego pomiaru temperatury, które znacząco zwiększają funkcjonalność tradycyjnych czujników z użyciem termopary (TC) lub rezystancyjnych czujników temperatury (RTD), oraz cyfrowe czujniki temperatury z pomiarem na podczerwień, które stanowią nowy rodzaj bezdotykowego pomiaru temperatury.

Scalone czujniki temperatury

Czujniki temperatury, zintegrowane z płytkami krzemowymi, na których wytworzony został układ scalony, korzystają ze specyfiki półprzewodnikowych złączy P-N. Dla złącza P-N, napięcie, jakie wytworzy się na złączu, będzie miało wartość zależną od przepływającego prądu oraz od temperatury. Przy stałym prądzie, wszelkie zmiany w napięciu będą wynikały ze zmian temperatury samego złącza. Zazwyczaj w półprzewodnikach napięcie na złączu spada wraz z temperaturą. Jednakże, jeśli przez złącze przepuści się dwa różne prądy, jeden po drugim, i zmierzy się napięcia, jakie wytworzą się na złączu, będzie można policzyć niewielką różnicę pomiędzy nimi. Różnica ta jest wprost i niemal liniowo proporcjonalna do bezwzględnej wartości temperatury złącza. Oznacza to, że może stanowić niezawodny sposób tworzenia półprzewodnikowych czujników temperatury.

Praktycznie każdy obecnie produkowany układ scalony posiada wbudowany czujnik temperatury struktury. Dotyczy to zwłaszcza układów procesorowych. Układy specjalnie dedykowane do pomiaru temperatury otoczenia wykonywane są w bardziej zaawansowany sposób. Szczególnie dotyczy to ograniczania efektu samopodgrzewania struktury scalonej oraz dobrego przewodnictwa termicznego obudowy. Układy mogą dostarczać informacji o temperaturze w sposób analogowy (napięcie) lub cyfrowy (typowo poprzez interfejs I2C). Scalone czujniki temperatury dopiero niedawno były w stanie zagwarantować dokładność na poziomie ±0,1°C, ale zapewniają duże korzyści wynikające z kalibracji fabrycznej, niższego zużycia energii i interfejsów cyfrowych w celu uproszczenia integracji systemu.

Cyfrowe czujniki temperatury oferuje wielu producentów m.in.: ST Microelectronics, Texas Instruments, Maxim Integrated, Analog Devices, IDT, Microchip, NXP, ON Semiconductor, Sensirion, Silicon Labs, Panasonic, TE Conectivity czy Melexis.

Układ STTS22H firmy ST Microelectronics

Analogowe czujniki temperatury firmy ST Microelectronics (jak LM335) charakteryzują się niskim zużyciem energii, dobrą liniowość i dokładnością nawet ±0,5°C płasko w całym zakresie temperatur pracy od –55 do + 130°C.

Cyfrowe czujniki temperatury firmy ST Microelectronics (jak STLM75) charakteryzują się niskim zużyciem energii na poziomie 20 µA z rozdzielczością do 12-bitów (0,0625°C), w całym zakresie roboczym od –55 do + 125°C. Seria STTS z wbudowanym konwerterem analogowo-cyfrowym delta-sigma (ADC) jest przeznaczona specjalnie dla modułów DRAM DIMM w serwerach, komputerach stacjonarnych i mobilnych platformach komputerów osobistych, w tym laptopach, a także w różnych zastosowaniach przemysłowych.

Układ STTS22H firmy ST Microelectronics jest cyfrowym (16b) czujnikiem temperatury z interfejsem I2C (SMBus) i obudowie 2×2×0,50 mm UDFN6 [11]. Charakteryzuje się dokładnością (maks.) 1°C w całym zakresie roboczym –40…+125°C i 0,5°C w zakresie temperatur –10…+60°C. Przy zasilaniu 1,5…3,6 V pobór prądu wynosi 1,75 µA (średnio, odczyt co 1 sek.).

Układy STS3x firmy Sensirion

Seria precyzyjnych cyfrowych czujników temperatury STS3x firmy Sensirion wykorzystuje technologie CMOSsens do produkcji małych (DFN 2,5×2,5×0,9 mm) w pełni skalibrowanych, linearyzowanch i skompensowanych układów [12]. Układy pracują w szerokim zakresie napięcia zasilania od 2,15 do 5,5 V z niskim poborem prądu (typowy średni prąd 1,7 µA przy 1 pomiarze na sekundę). Zapewniają rozdzielczość (typ.) 0,01°C (16b).

Dostępne są trzy wersje: wersja standardowa STS31 gwarantuje dokładność ±0,2°C w zakresie temperatur od 0°C do 90°C, natomiast wersja ekonomiczna STS30 ma zakres temperatur 0 do 65°C. Wersja STS35 jest najdokładniejszym dostępnym czujnikiem temperatury o dokładności ±0,1°C w zakresie temperatur od 20 do 60°C.

Czujnik temperatury do noszenia

Spośród czterech parametrów życiowych temperatura jest najbardziej spójna u różnych osób i przez cały czas życia. Temperatura ciała człowieka jest surogatem dla podstawowego tempa metabolizmu, co z kolei jest związane zarówno z długowiecznością (wyższe tempo metabolizmu, krótsza długość życia), jak i wielkością ciała (niższy metabolizm, większa masa ciała).

Niedawne wydarzenia spowodowały wzrost zainteresowania nadającymi się do noszenia czujnikami temperatury, które szybko ostrzegają użytkownika o chorobie lub infekcji, dając mu czas na samoizolację i dalsze ograniczenie rozprzestrzeniania się zakażenia. Po raz pierwszy nadające się do noszenia czujniki temperatury mogą również zapewnić kluczowy wgląd w cykle termiczne użytkownika.

Zakłada się, że normalna, średnia dla całej populacji, temperatura ciała wynosi 37°C. Ważne jest, aby zrozumieć, skąd wziął się punkt odniesienia 37°C. Został po raz pierwszy zaproponowany w 1851 roku. Niemiecki lekarz Carl Reinhold August Wunderlich przeanalizował temperaturę milionów pomiarów dla 25 000 pacjentów. Uwzględniając zmienności, zaproponował normalny zakres dla zdrowej osoby dorosłej na 36,2…37,5°C, który jest standardem. Jednak ostatnie badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Stanforda kwestionuje, czy 37°C jest nadal ważną miarą normalnej temperatury ciała. Analizując zapisy sięgające 1860 roku, badacze ze Stanford wykazali, że średnia temperatura ciała stale spadała o 0,03°C na dekadę urodzenia (skorygowana o takie czynniki, jak płeć, wiek, wzrost i waga) [1]. Ta istotna i ciągła zmiana temperatury ciała (markera tempa metabolizmu) zapewnia ramy dla zrozumienia zmian w zdrowiu i długowieczności człowieka na przestrzeni 157 lat (od czasu rewolucji przemysłowej).

Zapotrzebowanie na precyzyjny pomiar temperatury ma kluczowe znaczenie w badaniach klinicznych oraz w produktach do noszenia na ciele do monitorowania pacjenta.

Rysunek 1. Stos termiczny do pomiaru temperatury z układem TMP117 firmy Texas Instruments [2]

Rysunek 1 pokazuje przykładową ścieżkę cieplną między elementem czujnikowym a skórą użytkownika [2]. W tym przykładzie czujnik ma bardzo cienką obudowę (WSON) o małym rozmiarze. Takie czujniki temperatury mierzą temperaturę matrycy silikonowej. W przypadku takiej paczki najlepiej jest umieścić miedziane wypełnienie pod podkładką termiczną urządzenia po obu stronach płytki. Połączenie tych podkładek za pomocą przelotek zapewnia najlepszą możliwą ścieżkę przewodzenia między matrycą a skórą. Nie można zastosować miedzi do bezpośredniego kontaktu ze skórą ze względu na jej skłonność do korozji. Zamiast tego należy zastosować biokompatybilną powłokę materiałową, taką jak złoto lub pokryć punkt styku polimerem przewodzącym ciepło.

Nadające się do noszenia plastry wyczuwające temperaturę powinny być zawsze wykonane z elastycznej lub półsztywnej płytki drukowanej (PCB) o grubości ok. 6,8 milicali. W przypadku konstrukcji półsztywnych ważne jest, aby umieścić element czujnikowy po elastycznej stronie płytki drukowanej i maksymalnie zminimalizować grubość płytki elastycznej. Zmniejsza to opór cieplny między powierzchnią skóry a czujnikiem, a cieńsza płyta będzie łatwiej się wyginać i zapewniać lepszy kontakt.

Układ TMP117 firmy Texas Instruments

Przykładem układu pomiaru temperatury z interfejsem I2C (SMBus) jest TMP117 firmy Texas Instruments [3]. Charakteryzuje się on bardzo dużą dokładnością ±0,1°C (maks.) w szerokim zakresie temperatur –20°C to 50°C. Pracuje z napięciem od 1,8 do 5,5 V oraz średnim poborem prądu 3,5 µA (cykl pomiaru 1 Hz) i 150 nA w stanie uśpienia. Jego wersja TMP117M jest przeznaczona do zastosowań medycznych i spełnia wymagania stawiane termometrom medycznym.

Rysunek 2. Schemat blokowy układu TMP117 firmy Texas Instruments [3]

Rysunek 2 pokazuje schemat blokowy czujnika. Podstawowym elementem jest tranzystor bipolarny (BJT – Bipolar Junction Transistor) połączony jako dioda. Jego wyjście jest kondycjonowane i wysyłane do 16-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Rozdzielczość najmniej znaczących bitów (LSB) wynosi 0,0078°C. Układ zawiera 48-bitową pamięć EEPROM do przechowywania parametrów pracy.

Układ może pracować w trzech trybach: uśpienia, pojedynczego pomiaru i powtarzalnej konwersji. Pojedynczy pomiar jest wykonywany w czasie 15,5 ms a następnie układ wchodzi w stan uśpienia. W trybie powtarzalnej konwersji układ wykonuje przetwarzanie i przechodzi do stanu oczekiwania trwającego do następnego przetwarzania. Pobór prądu w stanie przetwarzania wynosi 135 µA, a w stanie oczekiwania 0,125 µA. Układ działa z ustawianym czasem powtarzania cyklu konwersji, typowo jest to 1 Hz. Układ może wykonywać automatycznie sekwencję 8 pomiarów i obliczać ich wartość średnią.

Układy scalone interfejsów do zdalnego pomiaru temperatury

Dokładne pomiary temperatury z użyciem termopary (TC) lub rezystancyjnego czujnika temperatury (RTD) wymagają skomplikowanego analogowego układu elektronicznego. Najlepszym sposobem uzyskania stabilnych parametrów pomiaru przy niskich kosztach jest zastosowanie specjalizowanych układów scalonych. Wiele firm produkuje takie układy z pojedynczym lub wielokrotnym interfejsem.

Układy EMC181x firmy Microchip Technology to rodzina cyfrowych scalonych interfejsów zdalnego czujnika diodowego. Monitorują one temperaturę (dokładność ±1°C, rozdzielczość 0,125°C) jednej diody wewnętrznej i do czterech diod podłączonych zewnętrznie [4]. Układy wykonują korekcję błędu rezystancji, która automatycznie eliminuje błąd temperaturowy spowodowany szeregową rezystancją przewodów.

Układ MAX31855 jest przetwornikiem analogowo-cyfrowym z analogowym torem wejściowym, dedykowanym do pomiaru temperatury we współpracy z dołączaną termoparą [5]. Współpraca z modułem przetwarzania danych następuje poprzez jednokierunkowy interfejs SPI z pojedynczą linią danych MISO. Układ jest wytwarzany w kilku wersjach, przeznaczonych do współpracy z różnymi typami termopar. Przetwornik analogowo-cyfrowy ma rozdzielczość 14 bitów, co umożliwia pomiar temperatury z rozdzielczością 0,25°C. Bezwzględny błąd pomiaru nie przekracza 2°C w całym zakresie roboczym termopary.

Układ MLX90327 firmy Melexis należy do rodziny układów scalonych z interfejsem do obsługi dwóch termopar (TC) lub jednej termopary oraz jednego rezystancyjnego czujnika temperatury (RTD) [6]. Wykonują obsługę linearyzacji termopar K i N oraz kompensację zimnego złącza dla temperatur spoiny gorącej do 1300°C. Dla czujników RTD zakres temperatur wynosi do 950°C. Układy pracują w rozszerzonym zakresie temperatur –40 do +155°C z dokładnością ±2,5°C oraz wysoką częstotliwością aktualizacji do 75 Hz.

Czujniki bezkontaktowego pomiaru temperatury (w podczerwieni)

Wykrywanie temperatury staje się coraz bardziej przydatne w wielu zastosowaniach, w wyniku czego ta funkcja jest dodawana do wielu urządzeń, w tym monitorów zdrowia i urządzeń do noszenia, takich jak inteligentne okulary, inteligentne opaski na rękę i urządzenia noszone w uchu. Jednak termometry tradycyjne często mają słaby kontakt termiczny z miejscem pomiaru. Bezkontaktowe wykrywanie temperatury z wykorzystaniem detekcji podczerwieni jest idealne do tych nowych zastosowań, z których wszystkie mają wspólne zapotrzebowanie na coraz mniejsze czujniki temperatury. Technologia termicznego wykrywania temperatury jest coraz częściej stosowana w medycynie (w tym w domowej opiece zdrowotnej) i zastosowaniach przemysłowych (np. pistolet termiczny na podczerwień), ponieważ jest solidna, dokładna i niezawodna. Termometry na podczerwień wykonują bezkontaktowe pomiary temperatury, w przeciwieństwie do układów scalonych czujników temperatury, które wymagają fizycznego kontaktu.

Rysunek 3. Zasada bezdotykowego pomiaru temperatury [7]

Bezkontaktowe wykrywanie temperatury polega na wykrywaniu energii emitowanej w obszarze długości fal dalekiej podczerwieni (FIR). Każdy obiekt emituje w ten sposób energię, którą można zmierzyć, aby obliczyć jego temperaturę. Takie układy wykrywają energię emitowaną przez obiekt znajdujący się przed urządzeniem (rysunek 3). Sercem tej techniki pomiarowej jest prawo Stefana-Boltzmanna, według którego energia wypromieniowana na jednostkę powierzchni ciała doskonale czarnego jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury.

Przyjmując rozsądne założenie, że dla materiałów niemetalicznych emisyjność wynosi około 1, temperaturę powierzchni można powiązać z emitowaną mocą.

Stos termoelektryczny to elektroniczny przetwornik, który przekształca energię cieplną w sygnał elektryczny. Stos termoelektryczny składa się z kilku termopar połączonych szeregowo.

Razem generują napięcie, które jest proporcjonalne do różnicy temperatur między dwoma punktami (złączem gorącym – pomiarowym i złączem zimnym – odniesienia). Ta różnica daje względny pomiar temperatury. Pomiar temperatury odniesienia jest wykonywany przez wbudowany w strukturę układu scalony czujnik półprzewodnikowy. Dlatego czujniki dostarczają dwa parametry: temperaturę otoczenia i temperaturę obiektu.

Konstrukcja stosu termoelektrycznego MEMS została pokazana na rysunku tytułowym [7]. Czujnik termoelektryczny MEMS wykorzystuje cienką, izolowaną termicznie membranę. Ponieważ ma on niską masę termiczną, jest szybko podgrzewana przez napływający strumień ciepła, w konsekwencji tworząc różnicę temperatur, którą wykazuje stos termoelektryczny. Poprzez pomiar czujnika temperatury odniesienia systemu MEMS można wygenerować bezwzględny pomiar temperatury. Cyfrowe czujniki temperatury z pomiarem na podczerwień oferuje wielu producentów jak Melexis, Excelitas, Omron, Panasonic, TE Conectivity i Amphenol.

Układ MLX90614 firmy Melexis

Układ MLX90614 firmy Melexis składa się ze stosu termoelektrycznego, niskoszumowego wzmacniacza, układu kondycjonującego sygnał, 17-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowy (ADC), cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) i interfejsu I2C [8]. Całość jest zintegrowana w obudowie TO-39 (fotografia 1).

Fotografia 1. Czujnik MLX90614 firmy Melexis [8]

Układ zapewnia wysoką dokładność (0,5°C w temperaturze pokojowej) oraz rozdzielczość (0,02°C) i jest fabrycznie skalibrowany na zakres temperatur otoczenia od –40 do 85°C i temperatur obiektu –70 do 382,2°C.

Wyzwanie stabilności

Aby czujniki temperatury FIR mogły zostać włączone do urządzeń do noszenia, technologia musi zostać zminiaturyzowana. Chociaż miniaturyzacja ma wiele zalet, wiąże się również z własnymi wyzwaniami. Przy tego typu czujnikach miniaturyzacja może mieć negatywny wpływ na dokładność pomiaru temperatury. Na czujniki temperatury FIR wpływ mają gradienty termiczne (lub szok termiczny) powodowany przez układ scalony czujnika odbierający promieniowanie z wielu źródeł, podczas gdy tylko część tego promieniowania faktycznie pochodzi z mierzonego obiektu. Co oznacza, że część generowanego sygnału jest użyteczna, a część pasożytnicza. W warunkach izotermicznych, gdy temperatura membrany odpowiada temperaturze obudowy, nie ma sygnału pasożytniczego, a różnicowy charakter pomiaru stosu termoelektrycznego niweluje skutki promieniowania obudowy. Jednak w wielu zastosowaniach utrzymanie czujnika w warunkach izotermicznych jest niemożliwe.

Fotografia 2. Czujnik temperatury na podczerwień firmy Melexis w obudowie TO-39 oraz QFN w technologii montażu powierzchniowego [7]

Jeśli mały czujnik FIR jest zamontowany na płytce drukowanej, może być wystawiony na działanie energii cieplnej z pobliskich elementów wytwarzających ciepło, takich jak mikroprocesor lub tranzystor mocy. Producenci czujników FIR próbowali rozwiązać ten problem, umieszczając element czujnikowy w dużej metalowej puszce, takiej jak obudowa TO (fotografia 2). Znaczna masa termiczna i wysoka przewodność cieplna metalu w pewnym stopniu rozwiązują wpływ szybkich gradientów termicznych i wstrząsów termicznych, ale okazuje się, że są to rozwiązania mniej niż wystarczające w dynamicznym termicznie środowisku. Oczywiście innym wyzwaniem jest to, że obudowy TO są stosunkowo duże i nie nadają się do małych urządzeń, takich jak urządzenia do noszenia.

Układ MLX90632 firmy Melexis

Pomiar temperatury staje się bardzo popularny, zwłaszcza w urządzeniach przenośnych, takich jak smartfony i urządzenia do noszenia, które mierzą temperaturę ciała w ramach domowej opieki zdrowotnej. Jednak do niedawna pomiar temperatury borykał się z dwoma sprzecznymi celami. Po pierwsze, element czujnika musi być dostatecznie mały, aby pasował do zastosowania, a po drugie, musi być umieszczony w dużej metalowej obudowie, aby zapewnić wystarczającą pojemność cieplną, aby złagodzić skutki gwałtownych szoków termicznych.

Układ MLX90632 firmy Melexis, bazuje na technologii stosu termoelektrycznego, jest odpowiedzią na to pozornie niemożliwe wyzwanie [9]. Dzięki zastosowaniu wbudowanej aktywnej kompensacji i wyrafinowanych algorytmów, MLX90632 może zapewnić dokładny pomiar temperatury w najbardziej wymagających sytuacjach, będąc jednocześnie umieszczonym w bardzo małej obudowie SMD. Jest to czujnik FIR, który zawiera element czujnika, przetwarzanie sygnału, interfejs cyfrowy i optykę [9]. W czujniku zintegrowany jest filtr optyczny (przepuszcza pasmo długofalowe od 2 µm do 14 µm), który odcina strumień promieniowania widzialnego i bliskiej podczerwieni (fotografia 3).

Fotografia 3. Czujnik MLX90632 firmy Melexis [9]

Zmierzona wartość temperatury jest średnią ze wszystkiego, co znajduje się w polu widzenia 50° (FOV) czujnika, a korzystając z tej zmierzonej wartości wraz ze stałymi kalibracji i zaawansowanymi algorytmami kompensacji układu, można określić temperaturę otoczenia i obiektu. Czujnik jest fabrycznie skalibrowany.

Rysunek 4. Schemat blokowy czujnika MLX90632 [9]

Czujnik zawiera stos termoelektryczny, który przechwytuje energię emitowaną przez obiekt, a także element do pomiaru temperatury samego czujnika (rysunek 4). Sygnał elektryczny elementu czujnikowego jest wzmacniany, przetwarzany na postać cyfrową i cyfrowo filtrowany przed zapisaniem we wbudowanej pamięci RAM. Odczyt z pokładowego referencyjnego czujnika temperatury jest przetwarzany i zapisywany w ten sam sposób. Maszyna stanu kontroluje taktowanie i funkcjonalność czujnika, a wynik każdego pomiaru jest dostępny za pośrednictwem interfejsu komunikacyjnego I2C. Temperatury bezwzględne (obiektu i czujnika wewnętrznego) można obliczyć z surowych danych za pomocą mikrokontrolera.

Dostępne są dwie wersje:

  • medyczna – temperatura obiektu od –20°C do 100°C z dokładnością ±0,2°C (rozdzielczość 0,01°C) w zakresie temperatur ludzkiego ciała 35...42°C;
  • komercyjna – temperatury obiektu od –20...200°C z typową dokładnością ±1°C (rozdzielczość 0,02°C).

Układ pracuje z napięciem zasilania 3,3 V (prąd 1 mA, uśpienie <2,5 µA). Dostarczany jest w bardzo małej obudowie QFN 3×3×1 mm i pracuje w zakresie temperatur od –20 do 85°C. Pomiar wykonywany jest typowo co 0,5 s (z regulacją od 16 ms do 2 s).

Aktywna kompensacja gradientów temperatury

Modelując i charakteryzując kilka scenariuszy oraz stosując te dane za pomocą wyrafinowanych algorytmów kompensacji, możliwe jest modyfikowanie danych wyjściowych nowoczesnych małych czujników FIR tak, aby skutecznie stawały się niewrażliwe na szok termiczny.

Aby zademonstrować, jak skuteczna jest aktywna kompensacja, Melexis przeprowadził eksperyment, w którym czujnik MLX90632 i najnowocześniejszy czujnik w obudowie TO zostały ustawione do pomiaru stabilnego źródła ciepła o temperaturze około 40°C. W trakcie pomiarów w bliskim sąsiedztwie czujników umieszczono silne źródło ciepła. Wyniki eksperymentu można zobaczyć na rysunku 5.

Rysunek 5. Wpływ szoku termicznego na pomiary czujnika MLX90632 [7]

Na wykresie widać, że zmierzona temperatura obiektu rzeczywiście wynosiła 40,05°C (góra), a temperatura czujnika (odniesienia) około 2°C (dół) na początku doświadczenia. Gdy doprowadzono ciepło, czujniki zostały poddawane szokowi termicznemu (około 60°C/min). Podczas całego testu odczyt temperatury MLX90632 nie odchylał się o więcej niż 0,25°C, wykazując bardzo dużą stabilność. Udało się to osiągnąć dzięki zaawansowanemu algorytmowi kompensacji. Czujnik w obudowie TO wykazuje znaczny błąd, co pokazuje, że urządzenia te nie działają dobrze w tak trudnych warunkach.

Matryce wielopunktowe

Ostatnio bezkontaktowe czujniki jednopunktowe rozwinęły się do postaci matrycy wielopunktowej. Układ MLX90640 firmy Melexis to matryca o rozdzielczości 32×24 pikseli z dokładnością pomiaru temperatury obiektu docelowego wynoszącą ±1°C w zakresie od –40 do 300°C [10]. Układ zawiera matrycę termoelektryczną zawierającą piksel 100 µm oparty na technologii sosu termoelektrycznego oraz silikonową soczewkę, co zapewnia bardzo kompaktową konstrukcję (fotografia 4). Układ ma małą obudowę TO-39, interfejs cyfrowy I²C i nie wymaga kalibracji.

Fotografia 4. Układ MLX900640 firmy Melexis z otwartą obudową [10]

Stanowi niedrogą alternatywę dla droższych, wysokiej klasy kamer termowizyjnych. Układ nadaje się do zastosowań związanych z bezpieczeństwem, które obejmują systemy przeciwpożarowe, inteligentne budynki, inteligentne oświetlenie, kamery IP, systemy monitorujące i wykrywanie zajętość siedzeń samochodowych.

Podsumowanie

Czujniki temperatury są obowiązkowym elementem scalonych układów czujników różnych parametrów jak czujniki: koloru [S45], wilgotności [S32], ciśnienia [S46], pyłów [S41], gazu [S35], dwutlenku węgla [S39] i jakości powietrza [S36]. Dopiero uwzględnienie wpływu temperatury na surowe dane tych czujników pozwala na uzyskanie dokładnych wyników.

Obecnie olbrzymiego znaczenia nabrał pomiar bezdotykowy temperatury. Może być on wykonywany przez drogie kamery termowizyjne lub tanie bezkontaktowe termometry na podczerwień (NCIT – Non-contact Infrared Thermometers). Bezkontaktowe urządzenia mogą szybko mierzyć i wyświetlać odczyt temperatury, dzięki czemu duża liczba osób może być oceniana indywidualnie. Wymagają minimalnego czyszczenia pomiędzy użyciem. Korzystanie z urządzeń NCIT może pomóc zmniejszyć ryzyko rozprzestrzeniania się zakażeń COVID-19.

Według zaleceń Amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA), zwykle 37,0°C jest uważane za normalną temperaturę [13]. Niektóre badania wykazały, że normalna temperatura ciała może mieścić się w szerokim zakresie, od 36,1°C do 37,2°C. Jednak niewłaściwe użycie NCIT może prowadzić do niedokładnych pomiarów temperatury. Środowisko użytkowania może mieć wpływ na wydajność NCIT. Dlatego należy używać ich w miejscu wolnym od przeciągów, poza bezpośrednim słońcem lub w pobliżu promieniujących źródeł ciepła. Zwykle temperatura otoczenia powinna mieścić się w przedziale 16...40°C, a wilgotność względna poniżej 85%. Należy też umieść NCIT w środowisku testowym lub pokoju na 10...30 minut przed użyciem, aby umożliwić NCIT dostosowanie się do środowiska.

Wyniki kompetentnych badań porównawczych są niepokojące. Rynek został zalany produktami chroniącymi przed gorączką w podczerwieni, ale prawie żaden nie przeszedł niezależnych testów [14]. Niektóre firmy, pod presją dostaw, poddały się praktyce uśredniania pomiaru przy normalnej temperaturze 37°C. W najgorszych przypadkach zignorowali niedokładne pomiary i zgłosili normalne temperatury – co jest równie nieetyczne, jak wyprodukowanie zestawu testowego na COVID-19, który zawsze daje wynik negatywny bez względu na wszystko. Niektóre urządzenia NCIT, w tym te, które uzyskały aprobatę FDA, mają trudności z odróżnieniem osób z hipotermią (35°C) od osób z ostrą gorączką (40°C), nawet przy prawidłowym działaniu w kontrolowanym środowisku. Chociaż czujniki NCIT są dokładne, nie uwzględniają wpływu temperatury powietrza na ich pomiary. Niektóre urządzenia zgłaszają absurdalne odczyty, podczas gdy inne wydają się przez większość czasu zgłaszać temperatury zbliżone do normalnych.

Henryk A. Kowalski
Politechnika Warszawska
Instytut Informatyki

Wybrane pozostałe artykuły kursu „Systemy dla Internetu Rzeczy”
[S32] Scalone czujniki cyfrowe wilgotności i temperatury, EP 12/2019
[S35] Cyfrowe czujniki gazu, EP 3/2020
[S36] Pomiar jakości powietrza, ciśnienia, wilgotności i temperatury czujnikiem BME680 dołączonym do zestawu startowego CC1352R1 LaunchPad z transmisją protokołem I2C, EP 4/2020
[S39] Pomiary czujnikami jakości gazu SGP30, SPGPC3 oraz dwutlenku węgla SCD30 firmy Sensirion, EP 7/2020
[S41] Czujnik pomiaru pyłów SPS30 firmy Sensirion, EP 9/2020
[S45] Czujniki koloru, 2/2021
[S46] Cyfrowe czujniki ciśnienia, EP 3/2021

Literatura
[1] Decreasing human body temperature in the United States since the Industrial Revolution, Myroslava Protsiv, Catherine Ley, Joanna Lankester, Trevor Hastie, Julie Parsonnet, Stanford University, School of Medicine, Jan 7, 2020, eLife 2020;9:e49555 DOI: 10.7554/eLife.49555, http://bit.ly/3eVAo5t
[2] Design considerations for a wearable temperature monitoring system, Brandon Fisher, Dec 28, 2018, http://bit.ly/3eQ7eVg
[3] TMP117 ±0.1°C accurate digital temperature sensor with integrated NV memory, Texas Instruments, http://bit.ly/3vEZtaC
[4] EMC1814 is a 4 channel 1.8V temperature sensor with 1C accuracy, rate of change, alert, therm, beta comp, REC and I2C, Microchip, http://bit.ly/2OJSZH1
[5] MAX31855, Cold-Junction Compensated Thermocouple-to-Digital Converter, Maxim Integrated, https://bit.ly/3bWzrYM
[6] Temperature sensor ics, Melexis, http://bit.ly/3qS1OLW
[7] An intelligent approach to eliminating thermal disturbances in non-contact temperature measurement By Joris Roels, Marketing Manager Temperature Sensors, Melexis, http://bit.ly/317gLQ1
[8] MLX90614 Digital plug & play infrared thermometer in a TO-can, Melexis, http://bit.ly/3vF1js4
[9] MLX90632 Miniature digital infrared thermometer IC in surface mount technology, http://bit.ly/3lq217S
[10] Melexis Far Infrared Thermal Sensor MLX90640, 26.06.2019, System Plus Consulting, https://bit.ly/3vEIo0P
[11] STTS22H Low-voltage, ultra-low-power, 0.5°C accuracy I2C/SMBus 3.0 temperature sensor, ST Microlekectronics, http://bit.ly/2OIR4CC
[12] Temperature Sensor STS3x, Sensirion, http://bit.ly/2EXF7TU
[13] Non-contact Temperature Assessment Devices During the COVID-19 Pandemic, 06/19/2020, FDA, http://bit.ly/3cPrjsu
[14] Infrared Fever Detectors Used for COVID-19 Aren’t As Accurate As You Think, Erik B. Beall, IEEE Spectrum, 11 Dec 2020, http://bit.ly/3s4HkkI
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
kwiecień 2021

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik listopad 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio listopad - grudzień 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje listopad 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna listopad 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich listopad 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów