Rok / Year: 2010
Svazek / Volume: 12
Číslo / Number: 4
Měřič plošného teplotního rozložení Aareal temperature meter Zdeněk Martinásek, Tomáš Mácha {
[email protected],tomas.macha}@feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Abstrakt: Článek popisuje experimentální návrh a realizaci měřiče plošného teplotního rozložení s maticí senzorů. Měřič by měl sloužit pro měření teplot na povrchu lidského těla, kde jiné typy měřičů teploty selhávají. Například, v případech, kdy je snímané místo zastíněno léčebnými prostředky, které brání termokameře v přímém výhledu. Výsledný návrh se podařilo realizovat do podoby dobře fungujícího měřicího přípravku s 256 senzory na ploše (8 x 8)cm s dostatečným rozlišením zobrazené teplotní mapy na displeji počítače.
Abstract: This article describes an experimental proposal and realization of areal temperature meter with a sensors matrix. The meter is able to measure human body temperature of places where other devices fail. For example unapproachable places covered by medical aids make difficult for several meters in direct measuring. The final proposal was successfully realized into a well-functioning device with 256 sensors on the 8 x 8 cm area. The obtained results and pieces of knowledge will be followed by further research.
2010/51 – 31. 8. 2010
VOL.12, NO.4, AUGUST 2010
Měřič plošného teplotního rozložení Zdeněk Martinásek1 , Tomáš Mácha1 1 Fakulta
elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: {martinasek,tomas.macha}@feec.vutbr.cz
Abstrakt – Článek popisuje experimentální návrh a realizaci měřiče plošného teplotního rozložení s maticí senzorů. Měřič by měl sloužit pro měření teplot na povrchu lidského těla, kde jiné typy měřičů teploty selhávají. Například, v případech, kdy je snímané místo zastíněno léčebnými prostředky, které brání termokameře v přímém výhledu. Výsledný návrh se podařilo realizovat do podoby dobře fungujícího měřicího přípravku s 256 senzory na ploše (8 x 8)cm s dostatečným rozlišením zobrazené teplotní mapy na displeji počítače.
1
Úvod
Měřič plošného teplotního rozložení s maticí senzorů by měl sloužit pro měření teplot na povrchu lidského těla. Hlavní výhodou tohoto zařízení je možnost snímat teplotu v místech, kde jiné typy měřičů teploty selhávají. Příkladem může být, snímání místa zastíněného léčebnými prostředky, které brání termokameře v přímém výhledu. Předpokládá se, že snímací část přípravku bude realizována jako velice tenká a pružná plocha, která se umístí například mezi první vrstvy obvazového materiálu. Dále může sloužit pro sledování teploty na povrchu velkých těles, kde měřicí body nemusí být blízko u sebe (řádově jednotky cm). Výsledné zobrazování takto naměřených hodnot by mělo být v podobě teplotní mapy na displeji počítače. Úkolem experimentální realizace měřiče bylo vybrat vhodný senzor teploty, který je možno zapojit do matice a navrhnout vhodnou měřicí metodu, která by zajistila nejefektivnější detekování změn sledované veličiny. Následně tyto naměřené hodnoty převést do digitální formy a odeslat počítači. Nelze předpokládat stejné technické parametry u všech použitých senzorů, a tak je nutné použít vhodnou kalibrační metodu. Při návrhu bylo nutné zvolit vhodný a efektivní algoritmus pro zobrazování teplotní mapy na displeji počítače. Výsledný návrh se podařilo realizovat do podoby fungujícího měřicího přípravku s 256 senzory na ploše (8 x 8) cm [5]. Na výsledky získané při realizaci bude navazovat další výzkum a vývoj měřiče. Článek je rozdělen následovně: následující kapitola popisuje PN senzory, další kapitola se zabývá návrhem a realizací přípravku, popisuje možné řešení dílčích částí měřiče a v neposlední řadě i zvolené finální provedení. Kapitola Ovládací software popisuje implementovaný software a poslední kapitola rozebírá budoucí možnou realizaci.
1.1
Monokrystalické PN senzory teploty
Aplikátor měřiče má být tvořen maticí senzorů, kde by výběr senzoru realizovaly dva n-kanálové multiplexory, a to z důvodu co nejhustějšího osazení senzorů. Prvním úkolem při experimentálním návrhu měřiče, bylo prozkoumat možnost zapojení senzorů do matice. Zapojení odporových senzorů teploty do matice způsobí, že měřicí proud protéká i senzory v okolních větvích, a tím se měření znehodnotí. Při využití diod jako senzorů teploty zapojených do matice protéká proud pouze měřicí diodou, a tak nedochází ke zkreslení výsledků. Tento fakt potvrzuje skutečnost, že maticového zapojení diod buzené proudem se využívá například při zobrazení na LED displejích. Monokrystalické PN senzory teploty jsou založeny na teplotní závislosti napětí PN přechodu v propustném směru [3]. Z Shockleyovy rovnice: U D (1) ID = IS e mUT − 1 , vyplývá vztah: UD = mUT ln
ID +1 , IS
(2)
kde UD je napětí na PN přechodu, IS je saturační proud diody, ID je proud diodou, m je rekombinační koeficient polovodiče (1 ≤ m ≤ 2), UT je teplotní napětí dané vztahem UT = kT /e, kde k je Boltzmanova konstanta, e elementární náboj elektronu a T zastupuje teplotu. Pro teplotní závislost saturačního proudu platí: IS = AT n e
−Ug0 UT
,
(3)
kde A je technologická konstanta, n je koeficient teplotní závislosti pohyblivosti minoritních nosičů (1.5 ≤ n ≤ 3), Ug0 je napětí zakázaného pásma polovodiče extrapolované pro 0 K (pro Si je Ug0 = 1205mV). Jelikož platí ID /IS >> 1, můžeme napsat: UD = mUT ln
ID . ID
(4)
Pro teplotní závislost UD = f (T ) lze odvodit vztah [3]: ∂UD k ID Ug0 ∆UD = − , (5) = m ln ∂T ID e IS0 T0
51 – 1
VOL.12, NO.4, AUGUST 2010
kde T0 je vztažná teplota, IS0 je saturační proud při vztažné teplotě. Např. pro vztažnou teplotu T = 298K je ∆UD = −(1.5, . . . , 2.5) mV/K. Jako čidlo teploty můžeme použit křemíkovou diodu nebo tzv. tranzistorovou diodu, která vznikne z tranzistoru spojením kolektoru s bázi. Připojímeli diodu ke zdroji stálého proudu (dostatečně malému), je napětí na diodě lineární funkci teploty, kterou můžeme vyjádřit ve tvaru: UD = U0 + kt, (6) ∂U kde U0 je napětí při teplotě 273, 15 K (0◦ C) a k = ∂TA = (2, . . . , 2, 5) mV/K.
zahřívána výkonovým odporem. Postupně byly odečítány hodnoty napětí na diodě a teplota při měřicím konstantním proudu 100 µA. Naměřené hodnoty pro diody jsou zobrazeny na obrázku 2. 490
Ud1 (T) Ud2 (T)
480 y = −2.0922x + 537.5600
470 Ud (mV) →
2010/51 – 31. 8. 2010
460 450
2
Návrh přístroje
Základní blokové schéma měřicího přístroje zobrazuje obr.1. Při návrhu měřiče teplotního rozložení byla hardwarová část rozdělena na dvě samostatné části. První částí je měřicí modul obsahující senzorové pole diod a veškerou k tomu potřebnou elektroniku. Druhou částí je komunikační modul [5, 7] obsahující mikroprocesor ATMEL ATmega16, který zajišťuje řízení měřicího modulu, digitalizaci a vyhodnocování signálu z měřicího modulu a odesílání dat do počítače. Počítač s ovládacím a vyhodnocovacím softwarem je připojen k měřicímu přípravku přes sběrnici USB, přes kterou je řešeno celé napájení přípravku. Softwarová část
Hardwarová část Měřič plošného rozložení
USB Komunikační modul
Měřicí modul
Obrázek 1: Základní blokové schéma měřicího přípravku
2.1
Měření vlastností diod
Pro návrh měřiče plošného teplotního rozložení byly použity diody typu 1N4148 MICRO-MELF. Tyto diody byly vybrány díky pouzdru MICRO-MELF. Rozměry pouzdra: délka 1, 8mm, výška 1, 2 mm a průměr 1, 3 mm. Toto pouzdro bylo nejmenší z nabízených SMD (Surface Mount Device) pouzder a nejvhodnější z hlediska maximálního osazení matice aplikátoru. Parametry této diody jsou uvedeny v technické dokumentaci výrobce [1]. Na dvou náhodně vybraných diodách (D1, D2) bylo provedeno měření některých parametrů za účelem ověření charakteristik udávaných výrobcem. Zejména šlo o lineární závislost napětí na teplotě (převodní charakteristika diody) a o směrnici této závislosti. Změřená převodní charakteristika by měla odpovídat rovnici (6). Vlastní měření probíhalo vložením diody do baňky s olejovou lázní, která byla
440 430
y = −2.0904x + 536.3800 25
30
35 40 T (°C) →
45
50
Obrázek 2: Naměřené hodnoty převodní charakteristiky diod D1 a D2 U obou závislostí byla naměřenými hodnotami proložena lineární přímka, která odpovídá převodní charakteristice. Změřené převodní charakteristiky pro obě diody odpovídaly teoretickému předpokladu (6). Směrnice lineární závislosti pro diodu D1 činila −2.0904 mV/◦ C a pro diodu D2 −2.0922 mV/◦ C. Pro převodní charakteristiku druhé diody byly hodnoty napětí v průměru o 1 mV větší. Tohoto poznatku lze využít u kalibrace všech senzorů přičtením offsetu (stejnosměrné složky). Z porovnání převodních charakteristik tedy vyplývá, že diody se neliší tvarem převodní charakteristiky nebo směrnicí, ale jen jejím posunem ve směru osy y. Tento rozdíl budeme dále v textu nazývat ”diference převodních charakteristik”. 2.2
Měřicí modul
Měřicí modul obsahuje senzorové pole, které je v kontaktu s měřenou plochou. Při příjmu adresy z komunikačního modulu změří modul nízkoúrovňové napětí na konkrétní diodě a následně vhodným způsobem napětí zesílí do podoby vhodné pro digitalizaci. Zesílené napětí odešle zpět komunikačnímu modulu. Při návrhu byl pro adresaci senzorů vyhrazen jeden osmi bitový port na použitém mikroprocesoru. Na tento fakt bylo přihlíženo při hledání vhodného zapojení senzorů, při kterém by bylo možno adresovat jakýkoli senzor maximálně 8 bity. K adresaci senzorů pomocí 8 bitů je nejlepší metodou zapojení diod do čtvercové matice řádu 16. Zde výběr diody realizují dva 16-ti kanálové multiplexory. Blokové schéma na měřicím modulu je názorně vidět na obr. 3. Princip měření teploty pomocí diody zapojené v propustném směru je založen na teplotní závislosti napětí PN přechodu (kapitola 1). Diodou prochází měřicí proud tak malý, aby nedošlo k vlastnímu ohřevu. Snímané napětí
51 – 2
2010/51 – 31. 8. 2010
VOL.12, NO.4, AUGUST 2010
odešle přes sběrnici USB do počítače. Dalším důležitým úkolem je distribuce napájecího napětí ze sběrnice USB. O komunikaci s počítačem se stará modul od firmy Asix UMS2. Upravuje mód UART z mikroprocesoru na datový tok, který je použit v USB.
Měřicí modul
Matice senzorů
Obvod na úpravu senzorového signálu
Měřicí metoda
Komunikační modul Adresace senzorů
Komunikační modul
USB ASIX UMS2 modul
Obrázek 3: Schéma zapojení měřicího modulu je velmi malé a proto musí být vhodným obvodem zesíleno. Rozsah měřených teplot byl stanoven na 24◦ C - 50◦ C. Zvolená měřicí metoda je zapojení diody ve zpětné vazbě operačního zesilovače (obr.4). Na vstup OZ je přivedeno konstantní napětí 5V a měřicí proud protékající diodou je po celou dobu konstantní. Hodnoty odporů v zapojení pro proud 100µA byly zvoleny po provedení několika simulací v programu OrCAD.
Matice senzorů
ATMEL ATmega16
Analogový zesílený signál
Napájení
Obrázek 5: Blokové schéma komunikačního modulu Výsledný návrh se podařilo realizovat do podoby měřicího přípravku s 256 senzory na ploše 8 x 8 cm . Kompletní obvodové návrhy opřené o simulace a schéma realizovaného řešení přípravku je uvedeno [5].
Úprava signálu
Měřicí metoda
Obrázek 4: Blokové schéma měřicího modulu Obvod na úpravu senzorového signálu dokáže zesílit nízkoúrovňové napětí ze senzoru na napětí vhodné pro digitalizaci. Napěťové úrovně vhodné pro digitalizaci jsou v rozmezí 0 - 5 V. S těmito úrovněmi pracuje celá řada A/D převodníků obsažených například také v použitém mikroprocesoru ATMEL. Víme také, že snímané napětí na námi vybrané diodě se pohybuje v rozmezí asi 500 - 430 mV pro rozsah teplot 24◦ C - 50◦ C. Z předpokladů A/D převodníku pracující s těmito vstupními hodnotami napětí a s výstupním 10-ti bitovým slovem byly vypočítány hodnoty zbývajících odporů [5]. 2.3
Komunikační modul
Návrh a realizace komunikačního modulu byly inspirovány z literatury [6, 8]. Základní blokové schéma komunikačního modulu ukazuje obr. 5. Hlavní úkol komunikačního modulu je postupné měření všech senzorů. Nejprve vyšle měřicímu modulu adresu senzoru a po vyslání adresy očekává na vstupu A/D převodníku od měřicího modulu upravenou analogovou veličinu. Výstupní data z A/D převodníku
Obrázek 6: Finální realizace přípravku
2.4
Ovládací software
Při zobrazení teplotní mapy se předpokládá spojitost zobrazené mapy s plynulými přechody. Toho lze teoreticky dosáhnout s nekonečným počtem senzorů na snímané ploše. Takové řešení není reálné, a proto je nutné měřit teplotu omezeným množstvím senzorů. Pro ovládací software, který neměřená data ze senzorů zobrazuje ve formě teplotní mapy na displeji počítače, jsou použity algoritmy pro výpočet interpolovaných hodnot. Tyto výpočty jsou nutné pro zvýšení rozlišovací schopnosti teplotní mapy. Program pro vyhodnocení a zobrazení naměřených hodnot je vytvořen v prostředí Matlab. Dříve, než jsou přijatá data zobrazena v podobě teplotní mapy na displeji počítače, je nutné je vhodným způsobem upravit. Zpracování dat lze rozdělit na tři základní etapy a to na kalibraci, interpolaci a zobrazení (obr.7).
51 – 3
2010/51 – 31. 8. 2010
Měřená data
Kalibrace
VOL.12, NO.4, AUGUST 2010
Interpolace
Zobrazení teplotní mapy
Obrázek 7: Blokové schéma zpracování měřených dat 2.4.1
Kalibrace senzorů
V tomto případě je kalibrací myšlena adjustace výstupních hodnot měřicího systému. Kalibrací senzorů se stanoví chyba, se kterou senzory měří (diference převodních charakteristik) a adjustací např. pomocí kalibračních konstant se senzory nastaví, tak aby indikovaly skutečnou hodnotu teploty. Při této metodě kalibrace se po ustálení teploty měřiče na okolní teplotu (např. 25◦ C) provede několikanásobné proměření všech senzorů z důvodu větší přesnosti. Následně se z takto získaných dat vypočítají průměrné hodnoty UD 24◦ C pro každý senzor. Tyto hodnoty jsou uloženy do čtvercové matice řádu 16 (256 senzorů). V matici je nalezena UD MIN 24◦ C a odečtena od matice. Výsledkem rozdílu je kalibrační matice obsahující číselné vyjádření diferencí převodních charakteristik pro jednotlivé senzory. Tato kalibrační matice se odečítá od nově změřených dat. Výpočet kalibrační matice by měla v ideálním případě probíhat v teplotní komoře s přesností 0.1◦ C. Použitá kalibrace je detailněji popsána v [4]. 2.4.2
pružnou fólii. Výhoda je velmi husté natištění, tedy měřené rozložení teploty by bylo přesné a nebyla by potřebná interpolace. Hustota natištění např. u OLED displeje o úhlopříčce 3, 8cm je 128 x 128 bodů, kde každý bod představuje tři OLED diody (RGB). Aplikátor by byl lehký, tenký a pružný. U tohoto řešení by se musel zajistit kvalitní přenos signálu ze senzorového pole do oblasti vyhodnocující signál.
Interpolace
Do ovládacího programu byly implementovány tři nejznámější interpolační metody: metoda nejbližší soused, bilineární interpolace, bikubická interpolace. Dále byla implementována vlastní interpolace, která by spojila výhody předchozích metod. Vlastní interpolační metoda byla porovnána s ostatními metodami, detailní analýza je popsána v [4]. Na obrázku (obr.8) je zobrazena teplotní mapa s použitím vlastní interpolace s indexem 3. Při ověřování teplotní mapy byla na aplikátor položena ohřátá kovová mince (φ23 mm). Dále obrázek ukazuje jednoduché uživatelské grafické rozhraní, které bylo vytvořeno v Matlabu.
3
Obrázek 8: GUI v prostředí matlab
Budoucí realizace
Ideální řešení podoby diodového snímače spočívá v použití OLED (Organic Light Emitting Diode) [2]. Největším rozdílem s porovnání s klasickou diodu je to, že OLED dioda je vyrobena z organického materiálu. Díky tomu lze vyrobit skutečně miniaturní diody, které lze doslova tisknout na základní materiál. Můžeme tak natisknout dostatečný počet takovýchto diod vedle sebe, propojit je pomocí aktivní či pasivní matice a získat tak např. OLED displej. Výhodou OLED displeje je možnost vyrobit jej průhledný, zrcadlový, pružný apod. Tloušťka samotného výrobku je limitována fyzickými vlastnostmi fólie, na které je tato vrstva nanesena. Ideální řešení podoby diodového snímače lze považovat natisknutí OLED diod zapojených do matice přímo na
4
Závěr
Cílem práce byl návrh teplotního měřicího přístroje, který by byl použitelný v případech, kdy jiné metody selhávají. Například, když je snímané místo zastíněno překážkou bránící termokameře v přímém výhledu. Výsledný návrh se podařilo realizovat do podoby měřicího přípravku se 256 senzory na ploše 8 x 8 cm. Při návrhu a realizaci byla provedena kontrolní měření na dvou náhodně vybraných senzorech za účelem ověření převodní charakteristiky. Tohoto poznatku se využilo u kalibrace všech senzorů. Do ovládacího softwareu umožňující zobrazení naměřených dat ve formě teplotní mapy na displeji počítače, byly implementovány algoritmy interpolace a kalibrace naměřených hodnot. Tato realizace umožnila dostatečné zobrazení teplotní mapy jak z pohledu geometrické přesnosti, tak teplotní přesnosti. Při Další možné pokračování spočívá v realizaci aplikátoru na pružný plošný spoj nebo využití OLED technologie.
Literatura [1] MCL4148 GRANDE.LTD,Datasheet. 2004. URL http://www.alldataseet.ocm [2] Kovac, P.: Technologie OLED. Prosinec 2008. URL http://www.svethardware.cz/
51 – 4
2010/51 – 31. 8. 2010
VOL.12, NO.4, AUGUST 2010
[3] Kreidl, M.: Měření teploty: senzory a meřicí obvody. BEN-Praha, 2005. [4] Martinásek, Z.: Interpolace obrazu pro experimentální měřič teplotního rozložení. Elektrorevue, Květen 2005. URL http://www.elektrorevue.cz [5] Martinásek, Z.: Tenký měřič plošného teplotního rozdělení s maticí negastorů. Diplomová práce, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2008. [6] Minář, J.: Tenký měřič plošného teplotního rozdělení s maticí negastorů. Diplomová práce, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2007. [7] Serasidis, V.: Avr isp. Březen 2008. URL http://www.serasidis.gr/circuits/avr_ isp.htm [8] Studený, J.: Automatický měřič vf. impedancí. Diplomová práce, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2006.
51 – 5
