Come realizzare un termometro infrarosso

Poiché a volte la temperatura del liquido / solido è troppo alta o troppo bassa, e quindi è difficile entrare in contatto con esso e leggere la sua temperatura, allora in tal caso avremo bisogno di un sensore di temperatura che può dirci la temperatura senza nemmeno toccare l’oggetto. Quel tipo di sensore di temperatura / termometro viene chiamato termometro “senza contatto”. Ha un led infrarosso (IR) che può rilevare la temperatura a distanza dall’oggetto, cosa utile in una varietà di situazioni. Ad esempio, questo termometro è utile anche per vedere, in pochi secondi, se una persona ha la febbre.

La maggior parte delle tecniche di misurazione della temperatura in tutto il mondo richiedono una sorta di contatto fisico tra il sensore di temperatura e l’oggetto o l’ambiente la cui temperatura deve essere misurata (vedi il ns. articolo qui), ma con l’avanzare della tecnologia anche questo è cambiato. È nata la necessità di poter misurare la temperatura di un oggetto senza contatto fisico. Questa necessità ha portato alla misurazione a distanza della temperatura utilizzando sensori a infrarossi.

I termometri a infrarossi sono ampiamente utilizzati in molti ambienti di lavoro per determinare la temperatura superficiale di un oggetto. Spesso in una macchina o in un circuito elettronico, l’aumento delle temperature è uno dei primi segnali per indicare che qualcosa non va. Un rapido controllo senza contatto con un termometro a infrarossi può farti sapere cosa sta succedendo con la temperatura di un apparato in modo da poterlo spegnere prima che ciò provochi dei danni permanenti.

Un comune termometro a infrarossi commerciale. Ne puoi trovare diversi qui.

A volte descritto come una “pistola termometro”, il termometro a infrarossi è in grado di misurare rapidamente la temperatura superficiale senza entrare in contatto con la pelle di una persona. Negli ultimi anni, è diventato uno strumento importante per i Paesi che cercano di contenere focolai virali. Fu ampiamente usato per cercare di rallentare la diffusione della sindrome respiratoria acuta grave (SARS) in Cina nel 2003 e per frenare l’epidemia di Ebola nell’Africa occidentale un decennio dopo.

La radiazione infrarossa è solo un altro tipo di radiazione che esiste sullo spettro elettromagnetico. Non possiamo vederla, ma se dovessi mettere la tua mano vicino a qualcosa di caldo come un piano cottura, sentiresti gli effetti delle radiazioni infrarosse. Tutti gli oggetti emettono energia sotto forma di radiazione infrarossa. La maggior parte dei termometri infrarossi portatili utilizza un obiettivo per focalizzare la luce da un oggetto su una termopila (sensore fotoelettrico) che assorbe la radiazione IR.

Schema di un termometro infrarosso a pistola.

Man mano che viene assorbita più energia IR, più calda diventa la termopila e il livello di calore viene convertito in un segnale elettrico che alla fine viene convertito in una lettura della temperatura. Il principio di funzionamento dei termometri a infrarossi, dunque, è semplice. Tutti i corpi a una temperatura superiore a 0 ° Kelvin (zero assoluto), infatti, emettono un’energia a infrarossi che può essere rilevata dal sensore del termometro a infrarossi, che oggi può essere acquistato per pochi euro.

Il design di un sensore IR di temperatura include una lente che focalizza l’energia a infrarossi emessa dall’oggetto di fronte a un rivelatore IR. Il rivelatore converte l’energia in un segnale elettrico che può quindi essere passato a un microcontrollore (ad es. Arduino) per interpretarlo e visualizzarlo in unità di temperatura dopo aver compensato la variazione della temperatura ambiente. In questo articolo vedremo come realizzare questo tipo di progetto con una spesa di pochi euro.

Un utile sensore IR e come si interfaccia a un PC

Un modulo di misurazione della temperatura a infrarossi interfacciabile facilmente a una scheda Arduino di qualsiasi tipo (Nano compresa) è il sensore MLX90614, che è in grado di rilevare temperature da -70,0 °C a +382 °C, con una risoluzione di 0,01 °C. Esso può misurare con accuratezza (+/-0,2 °C) la temperatura senza necessità che l’oggetto da testare e il sensore raggiungano l’equilibrio termico. Ciò significa tempi di risposta brevi e grande precisione grazie alla compensazione della temperatura ambiente.

Il sensore infrarosso di temperatura MLX90614, il modulo per Arduino ed i relativi piedini. Potete trovarne alcuni modelli low-cost online cliccando qui.

Questo modulo misura la temperatura della superficie di un oggetto rilevando l’energia della radiazione infrarossa e la distribuzione della lunghezza d’onda. La sonda di temperatura IR è composta da un sistema ottico, un rilevatore fotoelettrico, un amplificatore, un elaboratore di segnali e un modulo di uscita. Il sistema ottico raccoglie la radiazione IR nel suo campo visivo e l’energia della radiazione infrarossa viene convertita in segnali elettrici corrispondenti quando convergono sul rilevatore fotoelettrico.

Dopo essere stato elaborato dall’amplificatore e dal circuito di elaborazione del segnale, il segnale viene convertito in un valore di temperatura. L’MLX90614 è auto-calibrante e ha un amplificatore a basso rumore integrato nel chip di elaborazione del segnale. Il chip stesso è un dispositivo ADC e DSP a 17 bit, che fornisce risultati accurati e affidabili. Insomma, ottimo per esperimenti in cui siano coinvolte alte temperature o per una varietà di applicazioni, come ad es. la creazione di una semplice termocamera.

Il sensore termometro MLX 90614 è un dispositivo plug & play, quindi possiamo collegarvi direttamente un dispositivo di allarme e creare facilmente un dispositivo di allarme termico. I microcontrollori hanno il modo di comunicazione I2C per interfacciarsi con periferiche esterne. Anche il termometro MLX 90614 ha linee di comunicazione I2C in modo da poter interfacciare questo sensore con un microcontrollore – come ad esempio il classico Arduino – senza alcun circuito aggiuntivo.

Esempio di collegamento diretto del sensore IR a un dispositivo di allarme.

Il sensore funziona con alimentazione a 3,3 V DC (ma esistono anche versioni a 5 V), perciò se funziona a 3,3 V DC abbiamo bisogno di resistenze tra le linee SDA e SCL (v. figura). Le schede Arduino hanno linee di comunicazione I²C e sono quindi facili da interfacciare con il sensore IR. Basta collegare il sensore come illustrato in figura e fornire una fonte di alimentazione + 3,3 V DC dalla scheda Arduino al sensore. Qui le resistenze da 4,7 KΩ vengono utilizzati per fornire pull-up sulle linee I²C.

Schema di collegamento del sensore MLX90614 a una scheda Arduino Uno.

Per acquisire i dati dal sensore e mostrarli nel “monitor seriale” di Arduino occorre caricare sull’IDE di Arduino (l’ambiente software che ne permette la gestione) un breve programma (chiamato “sketch”), che in questo caso trovate cliccando sul presente link. Assicurati però di aver installato le librerie Arduino per il sensore IR in questione prima di caricare lo sketch! Ecco un esempio di ciò che mostrerà a questo punto il monitor seriale una volta che il tutto sia in funzione:

Test del sensore di temperatura contactless e cosa apparirà sul monitor seriale.

Prima di utilizzare il modulo di misurazione della temperatura a infrarossi è importante comprendere il concetto di “campo visivo” (FOV, o Field Of View). Il FOV viene determinato quando il sensore termico riceve il 50% della radiazione che costituisce il segnale, e anche in relazione all’asse principale del sensore. Come mostrato nella figura seguente, la dimensione del FOV è indicata sull’asse orizzontale.

Questa temperatura misurata è in realtà la temperatura media ponderata dell’oggetto nel FOV e l’accuratezza della misurazione può essere garantita solo quando l’oggetto di prova copre totalmente il FOV del sensore a infrarossi. Ciò significa che deve essere assicurata la distanza tra il punto terminale di misura e la barra del bus per soddisfare le richieste di garantire l’accuratezza della misurazione della temperatura.

I punti di cui vogliamo misurare la temperatura devono essere nel campo di vista (FOV).

Come realizzare un termometro IR portatile

In questa sezione vedremo come costruire un termometro a infrarossi fai-da-te usando una scheda Arduino Uno, il sensore di temperatura IR MLX90614 e uno schermo LCD Nokia 5110 per visualizzare la temperatura misurata senza necessità di avere dietro un computer, rendendo quindi il termometro portatile. Il dispositivo è in grado di misurare la temperatura di un oggetto da -70 °C a 380 °C (e 0,5 °C di accuratezza) con il semplice orientamento del sensore verso di esso da una piccola distanza.

Per realizzare questo progetto, useremo lo schermo LCD utilizzato nei telefoni cellulari Nokia 5110 e 3310 nella versione shield. Il display è monocromatico con 84 × 48 pixel di risoluzione e una retroilluminazione bianca. La shield viene fornita con un pulsante e un joystick che ha quattro direzioni più un’azione clic per consentire la navigazione nei menu (con un valore analogico diverso per ogni azione). La sua piedinatura è compatibile con Arduino Uno e con la maggior parte delle altre schede Arduino.

La shield Nokia 5110 usata in questo progetto. La puoi trovare ad es. qui.

Ecco, in pratica, ciò che serve per realizzare questo progetto:

  • Sensore IR MLX90614
  • Shield NOKIA 5110
  • Arduino Uno.

Gli schemi di questo progetto sono molto semplici perché il display viene fornito come uno shield che elimina la necessità di collegarlo via cavo (viene sovrapposto alla scheda Arduino Uno) e tutto ciò che dobbiamo fare, quindi, è collegare il display sull’Arduino. Il collegamento tra Arduino e il sensore di temperatura è invece mostrato nello schema sottostante. Per rendere le connessioni più facili da eseguire, la connessione del sensore IR è stata ulteriormente dettagliata.

Schema del progetto di termometro IR portatile.

Il nostro obiettivo per questo progetto è misurare la temperatura, elaborarla e visualizzarla sul display LCD. Per consentirci di comunicare facilmente con il sensore di temperatura MLX90614, utilizziamo la libreria di sensori di temperatura MLX90614 di Adafruit e la libreria di grafici LCD Nokia 5110 per una facile visualizzazione del testo sullo schermo. Le librerie possono essere scaricate tramite i seguenti link a ciascuna delle librerie nella frase sopra: libreria sensore e libreria LCD.

Puoi invece scaricare da qui il codice (sketch) per il progetto da copiare e caricare su Arduino. Esso inizia determinando l’unità di misura in cui la temperatura deve essere visualizzata in gradi Celsius o Fahrenheit, poi legge la temperatura dal sensore di temperatura e la visualizza sul display. Infine, punta il sensore di temperatura su un oggetto di cui desideri misurare la temperatura. Dopo un po’, la temperatura di quell’oggetto verrà mostrata sullo schermo LCD del tuo termometro.

Il termometro infrarosso una volta realizzato. 

Come l’emissività influenza la temperatura

Innanzitutto, cos’è l’emissività? L’emissività è una misura di quanto efficacemente un oggetto irradia calore, ovvero quanto bene la superficie di un oggetto “dice la verità” sulla sua temperatura. I valori di emissività vanno da 0 (uno specchio teoricamente perfetto che riflette tutta l’energia) a 1 (un oggetto teorico chiamato “corpo nero” che assorbe e irradia perfettamente tutta l’energia). Si noti che i valori di emissività di 0 e 1 possono essere raggiunti solo in teoria: in realtà, gli oggetti fisici possono essere meglio descritti come compresi tra 0,01 e 0,99 sulla scala dell’emissività.

Le superfici metalliche altamente lucidate, come rame o alluminio, hanno solitamente un’emissività inferiore a 0,10. Le superfici metalliche ruvide o ossidate avranno un’emissività molto più elevata (0,6 o maggiore a seconda delle condizioni della superficie e della quantità di ossidazione). La maggior parte delle vernici a finitura piatta sono circa 0,90, mentre la pelle umana e l’acqua sono circa 0,98.

In questa immagine termica ottenuta con una termocamera IR ogni blocco ha la stessa temperatura, quindi perché appaiono tutti diversi?

Se stai visualizzando un oggetto di metallo lucidato a bassa emissività, quella superficie si comporterà come uno specchio. Invece di misurare la temperatura dell’oggetto stesso, il termometro a infrarossi o la termocamera a infrarossi rileveranno invece la temperatura da essi riflessa. La temperatura riflessa (nota anche come temperatura di sfondo o T-riflessa) è qualsiasi radiazione termica proveniente da altri oggetti che si riflettono sul bersaglio che si sta misurando.

La temperatura riflessa può influire sulla temperatura misurata da una termocamera.

Un oggetto potrebbe essere freddo al tatto ma mostrare una temperatura molto più elevata a un termometro o termocamera IR  se una fonte di calore vicina si riflette sulla superficie oppure un oggetto potrebbe avere la stessa temperatura di un oggetto adiacente ma apparire molto più fredda. Per oggetti con emissività più elevata, la temperatura riflessa ha meno influenza. Ma per gli oggetti a bassa emissività è un fattore critico che deve essere compreso attentamente.

Man mano che l’emissività diminuisce, ciò che stai misurando (e vedendo termicamente) proviene più dalle superfici degli oggetti circostanti, non dal bersaglio che stai ispezionando. Se l’oggetto che stai cercando di misurare ha un’emissività elevata, nelle termocamere puoi regolare l’emissività e la temperatura riflessa nelle impostazioni dell’apparecchio. Ad es., se desideri misurare la temperatura corporea di una persona, imposta l’emissività su 0,98 (emissività della pelle umana) e la temperatura riflessa sulla temperatura ambientale (probabilmente intorno a 20 °C se sei in casa), e la tua termocamera compenserà.

L’interruttore della luce in metallo è più caldo rispetto al resto del muro o riflette una fonte di calore calda? E l’anello ha probabilmente la stessa temperatura della pelle della persona, ma appare molto più freddo.

Per altri tipi di superficie e se l’accuratezza della misurazione della temperatura è importante per te, probabilmente avrai bisogno di un addestramento sulla termografia per compensare correttamente l’emissività quando esegui le misurazioni. L’emissività può essere infatti influenzata da molti fattori diversi e si consiglia di fare esperienza prima di tentare di eseguire misurazioni su superfici difficili. L’emissività è uno dei fattori più difficili da tenere presenti quando si misura la temperatura.

In generale, tieni presente che se l’emissività del target che stai cercando di misurare (con un sensore IR) è inferiore a 0,5, è improbabile che tu sia in grado di ottenere una misurazione della temperatura accurata. In questi casi, potrebbe essere necessario prendere in considerazione la possibilità di trovare modi per aumentare l’emissività del target. Ad esempio, puoi porvi sopra un materiale con emissività elevata e aspettare che termalizzi con il target di cui si vuole misurare la temperatura.

Le superfici ad alta emissività come il nastro isolante elettrico nero possono essere utilizzate per misurare accuratamente la temperatura delle superfici a bassa emissività come il metallo lucido.