Дистанционное измерение температуры тела человека

Designed by tirachardz / Freepik

Designed by senivpetro / Freepik

Температура является важнейшей физической величиной, для измерения которой придуманы многочисленные методы. В данной статье рассмотрен бесконтактный способ измерения температуры при помощи инфракрасного термометра MT4004.
С одной стороны, прибор очень прост в эксплуатации: наведи термометр на объект, нажми на кнопку – получишь результат, и твоя мечта осуществится! Так пела группа “Технология”.
Но что же ты не рад?

Все потому, что владелец термометра должен обладать некоторыми знаниями, чтобы правильно определять (но ещё лучше – сравнивать) температуру и умело использовать прибор. А термометр поможет уменьшить его расходы и даже спасти жизнь.
Об этих знаниях, практическом применении и тонкостях в работе с инфракрасным термометром рассказано в статье. Не обойдется без волнительного разбора прибора с изучением его внутренностей.

Можно ли проверить работоспособность пульта дистанционного управления при помощи термометра?
Считается, что пчелы и бабочки находят цветок по запаху или цвету. А как вам “тепловая” версия?
Как термометр поможет в уменьшении расхода топлива автомобиля?
Дуть или не дуть, чтобы остудить чай или суп (заявка на премию)?
Почему при кормлении ребенка берут кашу с края тарелки?
Как измерить среднюю температуру по больнице?
Измеряет ли пирометр температуру воздуха?
Как найти трубки (кабель) теплого пола?
Почему мы мёрзнем при ветре?

Змеи, кнопки и парадокс чайника

Если не брать в расчет различные виды производства с соблюдением технологических режимов, то абсолютное большинство людей точно знает лишь несколько значений температур: плавления льда, тела здорового человека, кипения воды.
Но даже эти знакомые всем цифры 0, 36,6 и 100 имеют отклонения. Температура тела в разных местах отличается, температура кипения воды зависит от атмосферного давления и т. д.
Температура всего остального нас волнует на уровне “жарко-холодно” и главное, чтобы она не выходила за привычные рамки.

Определить температуру на расстоянии человек может косвенным образом через органы слуха (зашипело), обоняния (сгорело) и зрения (убежало).
Но основной канал, это 16 000 тепловых рецепторов, разбросанных по всему телу, благодаря чему он чувствует тепловое излучение от Солнца, костра и батареи отопления.
Гремучие змеи имеют два рецептора, обладающих более высокой, чем у человека чувствительностью в инфракрасном диапазоне, что позволяет им охотиться в полной темноте.

Чтобы расширить свои возможности по дистанционному измерению температуры, человек изобрел инфракрасный термометр, одним из представителей которого является модель МТ4004, позволяющая производить быстрое измерение температуры поверхности.

Для проведения измерения необходимо нажать на кнопку включения “ON”, расположенную рядом с индикатором.
При кратковременном нажатии, термометр произведёт измерение и зафиксирует результат на 15 секунд – до отключения прибора, что удобно для определения температуры в труднодоступных местах. Перед отключением индикатор демонстрирует надпись “oFF”.
Если кнопку “ON” держать в нажатом состоянии, то термометр переходит в режим непрерывных измерений с частотой два раза в секунду. Выбранная скорость позволяет с легкостью считывать обновляемые показания.
Вообще у прибора две кнопки. Вторая – “C/F”, расположена с обратной стороны корпуса и скрыта в недрах прибора. Доступ к ней производится через отверстие в корпусе при помощи зубочистки или слегка заостренной спички. Кнопка позволяет отображать температуру в градусах Цельсия или Фаренгейта. Для переключения режима отображения включают термометр кратковременным нажатием кнопки “ON”, и затем нажимают кнопку “C/F”. В нашей стране градусы Фаренгейта практически не используются.
Рабочий диапазон термометра -27,4… +428 градусов Фаренгейта (-33… +220 Цельсия), поэтому фильм “451 градус по Фаренгейту” снять не удалось. Для поджигателей бумаги прибор пишет ”Hi”, что означает превышение верхнего предела измерений.
На южном полюсе прибор напишет “Lo”.
В двух испытаниях встречалась надпись “Er2” – когда термометр полоснула струя воздуха температурой 650 градусов Цельсия и когда он слишком близко приблизился к огню газовой комфорки. Возможно, это был перегрев датчика. Логично, что должна существовать и надпись “Er1”, но мне она не показалась (может оно и к лучшему?).

Чайник, это не только характеристика начинающего специалиста. Этим словом также именуют емкость для нагрева воды.
Измерим температуру кипящего чайника. К сожалению, струя свистящего пара на фотографии не наблюдается, но она есть (как тот суслик, которого не видно). Из показаний прибора и зависимости температуры кипения от высоты можно подумать, что измерения производятся на высоте 22,5 км. Но на самом деле, все происходит гораздо ниже, так как виден оператор без скафандра.

Если этот же чайник использовать в походах, то в зависимости от степени его закопчености, при кипении воды температура корпуса возрастет до 95…98 градусов.
Что изменилось кроме сажи, появившейся на стенках сосуда?
Парадоксальное на первый взгляд явление объясняется просто. При одной и той же температуре различные поверхности излучают по-разному: одни сильнее, другие – слабее.

Изучение инфракрасного излучения и сложности его измерения

Радиация, это излучение, которое может быть ионизирующим, тогда для его измерения применяются дозиметры, которые будут рассмотрены позже. В сегодняшнем рассказе под радиацией понимается тепловое (инфракрасное) излучение, которое измеряется радиационным пирометром.

Хотя человечество использовало тепловое излучение гораздо раньше его открытия в 1800 году, интенсивное изучение инфракрасного диапазона электромагнитных волн началось именно с этого момента благодаря английскому астроному Уильяму Гершелю.

В диапазоне температур от абсолютного нуля (не включительно) до планковской, все тела испускают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн.
По закону Стефана – Больцмана, полная объёмная плотность равновесного излучения и полная испускательная способность абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени температуры.
Значит, измерив мощность излучения можно определить температуру поверхности.
Но кроме того, что чувствительный элемент радиационного термометра не работает во всём диапазоне излучения, имеется ряд других но…
1. В законе Стефана – Больцмана имеется ввиду общее количество излучаемой энергии. Распределение энергии по спектру излучения описывается в формуле Планка, сформулированной в 1900 году. Даже при одной температуре, излучение состоит из множества излучений, имеющих разную длину волн, но при этом в спектре имеется единственный максимум.
2. Положение максимума в спектре зависит от температуры объекта и определяется законом смещения Вина. Пример: в видимом диапазоне при нагреве металла он становится красным, а при повышении температуры область излучения “уходит” в область высоких частот, изменяя цвет до синего, что используют в своей работе кузнецы и термисты.
Выражение “довести до белого каления” означает – очень сильно разогреть. И нежелательно это делать с людьми.
Для нас важно то, что с изменением температуры объекта, мощность теплового излучения на рабочей частоте датчика (приемника) термометра изменяется, и это необходимо учитывать при измерениях, особенно для приборов с широким диапазоном измерения.
3. По закону излучения Кирхгофа, отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.
Обратите внимание на слова “при данной температуре”. Для разных температур этот коэффициент различен – даже у одного тела.
Черное тело поглощает все падающее на него излучение, следовательно, его коэффициент излучения также равен единице.
С точки зрения термодинамики все остальные реальные тела являются не черными, а серыми (даже в том случае, если для нас они кажутся черными или невидимыми) – они имеют способность к поглощению меньше единицы, а следовательно, коэффициент их излучения также меньше единицы.
На начальном изучении теплового излучения различных материалов, данный факт был продемонстрирован в 1804 году при помощи заполненного горячей водой полого куба Лесли, у которого вертикальные стенки покрыты слоем различных материалов: золота, серебра, меди и сажи. Сторона сажи (близка к черному телу) имеет мощность излучения намного больше, чем трех других.
В чайнике, который был показан выше, нет золота и серебра, но суть процессов аналогичная.

Питер ван Мушенбрук (автор первого конденсатора под названием “лейденская банка”) в 1731 году изобрел оптический пирометр, в котором температура объекта определялась по цвету и яркости.

В данном обзоре рассматривается радиационный термометр, в котором измеряется мощность (интенсивность) теплового излучения в одной полосе спектра излучения, на основании чего вычисляется значение температуры.
Также существуют пирометры спектрального отношения (цветовые), имеющие несколько приемников, работающих в разных частях спектра. Их принцип работы основан на зависимости энергетической яркости от температуры сразу в нескольких областях спектра.

Первый переносной пирометр появился в 1967 году. С тех пор происходит улучшение массогабаритных характеристик, точности измерений и возможностей.

Прибор и его разбор

40 грамм – таков результат взвешивания термометра, габаритные размеры которого 86,5х19,4х14,8 мм сравнимы с моим безымянным пальцем и лишь немного превышают размер элемента питания формата АА.

С одной стороны, для такой малютки масса достаточно большая, но металлический корпус, кроме красоты, солидности и крепости имеет другую важную функцию – позволяет прибору максимально быстро набрать температуру окружающей среды, что улучшает точность измерения.
Миниатюрный размер корпуса позволяет производить измерения в таких местах, куда доступ другим пирометрам затруднён или невозможен.

У людей большая масса определяется качественным питанием. А что питает инфракрасный термометр?
Батарея питания состоит из двух щелочных (марганцево-цинковых) элементов типа LR44, аналоги: L1154, A76, G13, (типоразмер 357) с напряжением 1,5 вольт и ёмкостью 150 мА·час.
С серебряно-цинковыми элементами типа V357, SR44, имеющими рабочее напряжение 1,55 вольт и ёмкость до 200 мА·час работа инфракрасного термометра не проверялась.
В качестве эксперимента, были испытаны воздушно-цинковые элементы питания ZA675 (PR44) с напряжением 1,4 вольта и ёмкостью 650 мА·час! При проверке напряжения обнаружилось, что только что приобретенный элемент, годный до июля 2017 года, вырабатывает всего лишь 1,01 вольта. Первая мысль была вернуть их продавцу, но пришла вторая, которая помогла найти интересный фильм. Про низкое напряжения в нём явно не сказано, но после отклейки защитной пленки, препятствующей поступлению воздуха, напряжение стало увеличиваться и через пару-тройку минут возросло до 1,4 вольта, что является нормой для данного типа элементов питания — интересный факт, малоизвестный широкой публике.

Элементы устанавливаются в отсек, доступ к которому открывается после откручивания хромированной крышки.
Маркировка элементов питания и правильная установка показаны на картинке внутри отсека.

На внутренней стороне крышки имеется серийный номер изделия. Номерная часть наклеена не на основную деталь прибора, но её наличие придает изделию солидность.

На корпусе прибора имеется обозначение “CE”, что подтверждает соответствие продукции европейским стандартам безопасности для человека, имущества и окружающей среды.

Изучение внутренностей корпуса приводит к мысли, что плату прибора можно извлечь только через батарейный отсек.
Попытка зацепить пластмассовую обойму, окружающую элемент питания Г-образной проволокой, не увенчалась успехом. Причина в том, что защитное стекло, закрывающее ЖК-индикатор прибора, установлено вровень с металлическим корпусом и препятствует началу движения.

На этом пластмассовом “стеклышке” видны боковые фиксаторы, поэтому возникла идея, что для разборки необходимо сковырнуть его наверх. Попытка реализовывалась при помощи тонкого канцелярского лезвия, затем (при появлении щели) обычного ножа, и в конце использовалась тонкая отвертка.
Результат операции: повреждено два лезвия канцелярского ножа (не жалко), сломан один фиксатор на стекле (жалко), на стекле появились царапинки (сильно жалко), термометр немножко потерял свой товарный вид (огорчительно). Именно поэтому разбор устройства желательно делать по окончанию всех экспериментов с фотографированием.
После того, как отвертка проникла между защитным стеклом и индикатором, противоположная стенка защитного стекла “провалилась” внутрь металлического корпуса… Стало понятно, что конструктором данного изделия использовано решение, которое заставляет им восхищаться (конструктором).
Разборка производится не просто, а гениально просто! Никаких приспособление не нужно, фиксация происходит за счёт пружинящих свойств пластмассовой гильзы и токосъёмника, приподнимающих защитное стекло в вырез смотрового окна.

Чтобы разобрать термометр МТ4004 необходимо:
1. извлечь элементы питания;
2. опустить резиновый толкатель кнопки ниже корпуса для облегчения последующего выталкивания;
3. надавить пальцем на защитное стекло индикатора так, чтобы оно опустилось ниже корпуса и вытолкнуть внутреннюю часть прибора через батарейный отсек.

После извлечения пластмассовой гильзы имеем следующую картинку, где в том числе видны воздушно-цинковые элементы питания с отверстиями для поступления воздуха, а также стеклышко с отломанным ушком.

Обратная сторона гильзы.
Контроллер выполнен в безвыводном исполнении и залит компаундом.
Плата покрыта лаком, нанесена бумажная маркировка на контроллер, а также обозначение маркером на плате.
Помимо мелочевки, из опознаваемых деталей имеются:
93C46V1 – микросхема последовательного EEPROM с организацией 64 регистра по 16 бит или 128 регистров по 8 бит, общая ёмкость 1 024 бит. Напряжение питания от 1,8 до 5,5 вольт. Программа в такой объём поместиться не может. Скорее всего, в ней записаны константы для калибровки конкретного датчика.
Прямоугольный конденсатор сравнительно большого размера с обозначением 104J63, что расшифровывается как 0,1мкФх63В.
Кнопка включения “ON”.
Один винт отсутствует, так как в обойме не предусмотрено место для его крепления.

Судя по внешнему виду, в качестве чувствительного элемента, в термометре использован аналоговый датчик, похожий на TPS333, работающий в диапазоне от 5 до 14 мкм (µm).

На другой стороне платы расположены: ЖК-индикатор, кварц на 32 768 Гц и кнопка “C/F” (её корпус выше. чем у кнопки “ON”).

К качеству пайки, сборке и монтажу претензий не имеется, всё выполнено на высоком уровне.

Во второй части ожидаются интересные эксперименты с использованием данного термометра.
Фотоальбом “Инфракрасный термометр” с многочисленными фотографиями, в том числе, и не вошедшими в обзор инфракрасного термометра.
Ссылка на страницу, где можно познакомиться с техническими характеристиками, различными способами применения и приобрести инфракрасный термометр МТ4004.

Продолжение статьи: “Дуть или не дуть, и другие опыты с инфракрасным термометром”.