Jste zde

Thermopile sensors = radiační pyrometry

Antonín Vojáček, 14. Říjen 2005 - 11:03

Někdy není možné měřit teplotu objektu konvenční dotykovou metodou. Pak se tedy hodí bezkontaktní měření, tedy pyrometrie. Jednou volbou mohou být thermopile senzory, česky infratermočlánky. O tom co to je a jak to pracuje je následující článek...

Thermopile sensors, v češtině obecně označované jako radiační pyrometry nebo též infratermočlánky, jsou senzory pro bezdotykové měření povrchové teploty předmětů a objektů. Jak napovídá vcelku výstižný název infratermočlánky, jde o zahřívání termočlánků infračerveným zářením, které vysílá každý objekt o určité teplotě. Nezaměňovat však s pyroelektrickými senzory, které pracují na podobné principu, ale využívají pyroelektrikum místo termočlánků.

Dnes se pravděpodobně každý nejdříve setká s konečnými výrobky v podobě ručních bezdotykových měřičů teploty s vestavěným laserem pro zaměření objektu. Základ však tvoří senzor (viz. obrázek), dnes již vyráběný integrovanou technologií. Tento článek jsem věnoval obecnému popisu funkce, principu a struktuře tzv. thermopile senzorů, které lze jako součástky najít v nabídce několika firem. V závěru pak uvádím příklad reálných senzorů z nabídky firmy PerkinElmer optoelectronics.

Výhody a nevýhody bezdotykového měření teploty

Výhody používání bezdotykových teploměrů:

  • Je rychlé (v milisekundovém rozsahu).
  • Umožňuje měření teploty pohybujících se objektů (rotujících součástí, výrobků na dopravnících apod.).
  • Bezpečné měření na nebezpečných nebo nesnadno dostupných objektech (součásti pod elektrickým napětím, pohyblivé součásti, vzdálené objekty).
  • Lze bez problémů měřit i velmi vysoké teploty (nad 1300 °C).
  • Není zde žádné ovlivnění měřeného objektu - není z něho při měření odebírána žádná energie.
  • Není zde riziko kontaminace a nejsou zde žádné mechanické účinky na povrch měřeného objektu. Nedojde tedy k např. k poškrábání lakovaných povrchů a je možno měřit i měkké povrchy. Měření v potravinářství je naprosto hygienické.

Nevýhody:

  • Měřený objekt musí být pro infračervený teploměr opticky (infračerveně) viditelný. Vysoké úrovně kouře nebo prachu snižují přesnost měření.
  • Pevné překážky, jako jsou uzavřené kovové reakční nádoby, dovolují pouze povrchová měření - vnitřní teplota v nádobě nemůže být takto měřena.
  • Optika čidla musí být chráněna před prachem a kondenzujícími kapalinami.
  • Je možno měřit pouze povrchovou teplotu, přičemž je nutno brát v úvahu různou emisivitu jednotlivých materiálů.

Porovnani různých detektorů radiační pyrometrie

Typ teplotního detektoru Spektrální citlivost Převodní konstanta (dle zprac. vystupu) NEP - Noise Equivalent Power Frekvenční odezva
Thermopile 0.2 až 35 µm cca až 100 V/W 0.1 až 10 nW/√Hz až 100 Hz
Bolometr Si 1.6 až 5000 µm až 100 kV/W 1 pW/√Hz až 1 fW/√Hz až 1 kHz
Pyroelektrický (LiTaO3) 0.01 až 1000 µm až 3.0 µA/W 10 nW/√Hz až 10 µW/√Hz až 100 kHz (1MHz)
Kalorimetr 0.25 až 35 µm 0.1 V/W 10 µW/√Hz až 10 mW/√Hz 0.001 až 0.2 Hz

Poznámka: Uvedené hodnoty jsou jen orientační - hodně závisí na provedení senzoru. Hlavně převodní konstanta často závisí na vnitřním zpracování signálu a provedení výstupu senzoru.

Použití thermopile senzorů

 

  • Detekce ohně a plamenů
  • Analýza plynů v průmyslu a Lékařské aplikace
  • Detekce výbuchu
  • Bezdotykové měření teploty
  • Ruční a průmyslové pyrometry
  • Spektrometrie
  • Monitorování teploty procesů
  • Radiometers
  • Moduly teplotních senzorů v mikrovlnných troubách, sporácích, klimatizacích apod.
  • Měření teploty pohyblivých předmětů

Stručný princip pyrometrie

Celý princip bezdotykového měření teploty je obecně založen na fyzikálním principu vyzařování infračerveného záření zahřátého objektu. Toto záření je pak zachycováno senzorem (pyrometrem), který ho převede na elektricky měřitelnou veličinu, kterou další zařízení již zpracují (viz. obrázek 1.).

Obr. 1. Princip bezdotykového měření teploty objektu prostřednictvím infračerveného záření

Vlnová délka záření je určována teplotou tělesa. Jeho příčinou je vnitřní mechanický pohyb molekul, jehož intenzita závisí právě na teplotě objektu. Protože pohyb molekul představuje přemísťování náboje, je vyzařováno elektromagnetické záření (fotonové částice). Ideální vyzařování pak má tzv. úplně černé těleso (black body). Obrázek 1. ukazuje vyzařování takového tělesa při různých teplotách. Mnoho těles však emituje při stejné teplotě méně energie. Vztah mezi skutečnou vyzařovanou energií a energií vyzařovanou černým tělesem stejné teploty je znám jako emisivita (epsilon). Emisivita je tedy mírou schopnosti daného předmětu vyzařovat infračervenou energii a může nabývat hodnot od 0 (lesklé zrcadlo) do 1,0 (černé těleso). Většina organických, nabarvených nebo zoxidovaných povrchů má emisivitu blízkou hodnotě 0,95.

Obr. 2. Vyzařovací charakteristika absolutné černého tělesa (závislost vyzářené energie na vlnové délce)

Maximum vyzařování se posunuje směrem ke stále kratším vlnovým délkám při rostoucí teplotě měřeného objektu. Vyzařovaná energie v celém vlnovém rozsahu (plocha pod každou křivkou) roste se 4. mocninou teploty. To vyjadřuje Stefan-Boltzmanův zákon pro celkovou intenzitu záření vyzařovanou jednotkou plochy do poloprostoru. Z grafu je také patrné, že pro měření určitého rozsahu teplot je nutné mít před samotným senzorem různé optické filtry. Ty pak propouští jen vlnové délky odpovídající potřebnému rozsahu měření teplot. Pro různé aplikace jsou pak vhodné různě široká propustná pásma optických filtrů - například pro optickou detekci plynů.

Bezdotykové měření teploty tak z principu umožňuje měřit jen povrchovou teplotu objektu. Zde je však nutné počítat s tím, že celkové množství vyzařované energie složeno ze záření emitovaného (E), odraženého (R) a procházejícího (T) - viz. obrázek 3. Nelze tedy jednoznačně určit teplotu uvnitř měřeného objektu.

Obr. 3. Přehled složek záření obsažené při měření prostřednictvím pyrometrie

Stručně princip thermopile senzoru

Thermopile senzory přímo reagují na tepelné vyzařování části objektu ve směru, na který jsou namířeny. Dnes se již vyrábějí integrované na bázi křemíku poskytující dlouhou stabilitu, velmi nízký teplotní koeficient v citlivosti a opakovatelnosti měření. Thermopile senzory, infratermočlánky, umožňují vzdálené měření teploty i v levných systémech. Senzor nepotřebuje chlazení, dosahuje běžně rozlišení 1°C v širokém měřícím rozsahu a až 0.1°C v rozsahu úzkém.

Obr. 4. Porovnání principu měření teploty termočlánkem dotykově (horní) a bezdotykově (spodní)

Základ tedy tvoří skupina termočlánků jejichž aktivní konce jsou umístěné do jednoho místa a jsou pokryty pro infračervené světlo pohlcujícím černě zbarveným materiálem. Ten převádí dopadající záření na teplo měřené termočlánky (viz. obrázek 4.). Toto záření je navíc prochází okénkem v pouzdru senzoru, které zároveň pracuje jako optický filtr a vymezuje i snímanou oblast - view angle (viz. obrázek 5.). Výstupem senzoru je pak napětí UTP úměrné dopadající intenzitě záření a tím i teplotě Tobj měřeného objektu.

Obr. 5. Měření teploty objektu thermopile senzorem

Obvykle je součástí thermopile senzoru i klasický referenční termistor (typu NTC) pro měření teploty pouzdra senzoru. Je totiž nutné, stejně jako u klasických termočlánků, i zde provádět kompenzaci vlivu okolní teploty Ta (teploty studených konců termočlánků) na měřenou teplotu Tobj. Tato kompenzace již může být implementovaná na Si substrátu společně s termočlánky uvnitř pouzdra senzoru nebo je ji nutno provést vně. Příklady analogové a číslicové kompenzace jsou na obrázcích 6. a 7.

Obr. 6. Analogová kompenzace vlivu okolní teploty (detail)

Obr. 7. Číslicová kompenzace vlivu okolní teploty (detail)

 

Z pohledu konstrukce thermopile senzoru jako součástky, jde obvykle o sériově řazené termočlánky, které jsou konstruovány jako tenké kovové pásky, nebo dnes častěji jako pásky zhotovené technologií tenkých vrstev nebo technologií Si (viz. obrázek 10). Často bývají umístěné v pouzdrech typu TO s jedním nebo více okénky (dle počtu umístěných senzorů v pouzdru). Monolitické senzory se kvůli dobré tepelné vodivosti křemíku realizují na velmi tenké membráně (membrane) 5 až 10 mikro m, aby se zabránilo tepelnému toku mezi měřícími a srovnávacími (studenými) spoji termočlánků. Měřící spoje jsou umístěné tak ve středu membrány pod absorbujícím materiálem (absorber) a ty srovnávací (studené) pak na okraji na podložce. Pro termočlánky (vodiče - thermoelectric conductor) se využívá spojení materiálů Bi-Sb,Si (typ P)-Al, Si (typ N) - Au, Si (typ P)-Au.

Obr. 8. 4kanálový thermopile senzor

Obr. 9. Blokové schéma jednoduchého senzoru

Obr. 10. Příklad struktury části chipu thermopile senzoru

Charakteristické parametry senzoru

  • Sensitivity (Citlivost, Převodní konstanta) - udává velikost výstupního napětí na intenzitě dopadajícího záření.
  • Noise equivalent power (NEP) - udává minimální intenzitu záření, kterou je schopen senzor detekovat.
  • Detectivity (D) = 1/NEP.
  • Specific detectivity (D*) = √ AD / NEP - rozšířený parametr detektivity D o vliv plochy detektoru AD
  • Response time (Časová konstanta, Rychlost odezvy, Frekvenční odezva) - minimální doba, kterou potřebuje senzor na změření změny teploty (maximální frekvence, se kterou se může měnit teplota měřeného objektu, aby ještě byli všechny změny senzorem zaznamenány).

Thermopile detektory od PerkinElmer optoelectronics

Kanadská firma PerkinElmer patří mezi hlavní výrobce senzorů a součástek pro optoelektroniku. Ve výrobním sortimentu najdeme i celou paletu senzoru pro účely bezdrátového měření libovolné teploty a různé aplikace. Nabídku thermopile senzorů lze rozdělit podle počtu thermopile snímačů v jednom pouzdru senzoru do dvou kategorií:

Single Element Thermopile Detectors (Senzory s jedním snímačem)

Dual and Quad Thermopile Detectors (Senzory s dvěma nebo s třemi snímači)

 

Dále jsou v nabídce kompletní moduly s optikou i obvody rozhraní a kompenzace vlivu okolní teploty.

Závěr

Pro bezdotykové měření teploty prostřednictvím pyrometrie existuje více typů senzorů a fyzikálních principů. Thermopile senzory (infratermočlánky) jsou však spolu s pyroelektrickými senzory nejčastěji se vyskytujícím principem používaným v běžných zařízeních. Proto se častěji setkáme s thermopile senzory již zabudovanými do větších celků (odolných "trubiček" - modulů teploměrů) obsahující již optiku a obvody pro zpracování signálu, kompenzaci, kalibraci a nějaký standardní výstup. O tom však již v nějakém dalším článku na serveru automatizace.hw.cz.

 

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: