Самодельный тепловизор на базе Arduino менее чем за 100$ / Хабр

Не секрет что каждый из нас хоть раз но мечтал получить в свои руки настоящий тепловизор. Ведь это уникальный шанс взглянуть на мир вокруг совершенно «другими глазами», увидеть скрытое и возможно даже глубже познать суть некоторых явлений. И единственной преградой к этой мечте служит цена подобных устройств. Несмотря на весь прогресс, она остается непомерно высокой для простого смертного.
Однако подобно лучу света в непроглядном мраке безысходности на свет появилась разработка двух студентов из Германии. Их устройство на базе микроконтроллера Arduino является довольно простым в изготовлении и существует аж с 2010 года.

Создателями данного чуда являются Макс Риттер и Марк Коул из города Миндельхейм, что в Германии. Их проект принес им награду на научно-техническом молодежном форуме в 2010 году, и с тех самых пор в сети имеются исходники с подробным описанием конструкции.

Низкая стоимость устройства достигается благодаря использованию одного-единственного температурного датчика MLX90614, подобного тому, что используются в пирометрах и системы механической развертки изображения, состоящей из двух сервоприводов. Таким образом, датчик по сути обходит будущую картину, точка за точкой сканируя температуру. Само-собой, это выливается в долгое время получения изображения, что и является главным недостатком самодельного тепловизора. Но ведь если вспомнить о том, сколько мы сэкономили на цене, на это глаза сами-собой закрываются.

Итак, из компонентов для создания устройства, понадобится:

• Старая веб-камера, разумеется, рабочая;
• Микроконтроллер Arduino;
• Сервоприводы, 2 штуки;
• Датчик температуры MLX90614-BCI;
• Китайская лазерная указка;
• Корпуса для сервоприводов;
• Любой штатив (оптимально).
• Два резистора на 4.7кОм.

Веб-камера

Камера здесь будет являться источником исходной картинки а также своеобразным видоискателем для области сканирования. Подойдет практически любая дешевая вебка. Я нашел у себя в бардаке старую-добрую Logitech. Если же подходить к вопросу практично, чем меньше веб-камера по размерам, тем лучше. Поэтому огромный корпус моей старушки пришлось снять.

Сервоприводы и крепления
К этому моменту тоже можно подступиться с широким размахом. Нам понадобятся 2 сервопривода — один будет отвечать за движение по вертикали, второй по горизонтали соответственно. Учитывая, что на горизонтальном приводе держится и вертикальный и сама веб-камера, стоит взять более мощный. Хотя многие, уже сделавшие устройство спокойно пользуются одинаковыми маломощными.
Крепления для сервоприводов в оригинале называются «поворотно-наклонным механизмом» а у нас «Серво-кронштейном»

Я покупал все эти компоненты тут.
В сборе данный элемент конструкции выглядит примерно так:

Нижний привод крепится к штативу или другому корпусу/подставке туда же надо вставить и лазерную указку, к вертикальному сервоприводу приделывается веб-камера и датчик MLX90614 путем хитрых манипуляций с клеем или деталями от конструктора или например запчастями от старых электросчетчиков (как у меня).

Датчик температуры MLX90614-BCI
Самая сложная часть данной конструкции. Сложная в плане добычи. Найти его непросто (по крайней мере на отечественных сайтах) и он является самой дорогой частью конструкции. Сам я ждал его около двух месяцев, везли видимо из Китая. Подсказать где взять не смогу, ибо ту лавочку уже прикрыли. Автор проекта ссылается на Futureelectronics.
При выборе необходимо обратить особое внимание на последние буквы «BCI» в названии, что означает наличие у датчика насадки для обеспечения узкого поля зрения.

Выглядит он так:

Arduino и схема подключения
Схема подключения датчика и сервоприводов к микроконтроллеру простейшая:

Скетч для Arduino и программное обеспечение для работы с тепловизором можно скачать здесь.

Также хочу обратить внимание, что авторы указывают на необходимость дополнительной настройки датчика при помощи специального скетча, что вроде как должно ускорить работу устройства. Однако в моем случае, датчик после конфигурации стал выдавать ложные значения температуры и я сделал откат.
После сборки всей схемы, ее можно поместить в корпус, и закрепить на штативе:

Небольшие пояснения:
В качестве корпуса для микроконтроллера взял пластиковую упаковку из-под автомобильного освежителя (на фото слева), он в свою очередь держится на штативе при помощи крепежа от учебного оптического прицела. В общем, строго выдержан принцип дешевизны и использования того, что было под рукой. Светится на фото фонарик, который был бонусом к лазерной указке и оказался весьма полезным при сканировании темных областей.

Процесс съемки
Зачем здесь нужен китайский лазер и как же происходит процесс сканирования легко понять на примере моего шикарного ковра:

Не удивляйтесь, что ПО на русском, просто я уже некоторое время занимаюсь его доработкой под свои нужды, попутно изучая язык Java. К несчастью, пока моих знаний недостаточно для окончательного оформления готового продукта.

Итак, на картинке с веб-камеры есть две желтые точки и точка нашего лазера (снизу по центру). Вся калибровка состоит в том, чтобы выбрать координаты центра и левого нижнего угла будущей термограммы. В этом собственно и поможет лазерная указка:

Сегодняшнее ПО поддерживает всего два типа разрешения будущей картинки, в то время, как прошлая версия была богата на это дело, насчитывая шесть разных разрешений. Особенно было забавно получать сильно «пиксельные» картинки за 15 секунд. Думаю, разработчики осознали ненужность остальных режимов и убрали их, хотя программно они остались и могут быть активированы.

Результаты на десерт
Приведенные термограммы в различном разрешении.

Как греется нетбук:

Мой Кот:

Старый счетчик:

Новый щит:

Окно:

Мой друг в темной комнате перед компьютером

Применение
Из-за большого времени сканирования, данный прибор не подходит для проведения энергетического аудита (по крайней мере, для профессионального применения), этот вопрос рассмотрен в этой Статье (Англ.

).
Тем не менее, как мне кажется он мог бы стать отличным подспорьем для проверки на нагрев электрических соединений и силовых сборок. В моей практике (а я подрабатываю электриком) иногда использую этот тепловизор для оценки надежности соединений. Пирометр в данном случае проигрывает в наглядности.

Неудобства в работе связаны с жесткой привязкой прибора к компьютеру и необходимости всегда таскать нетбук. Какое-то время авторы вели разработку второй версии своего тепловизора, которая позиционировалась как обособленное устройство с другим датчиком температуры (который кстати использован в этом проекте) с собственным дисплеем и возможностью записи на карту памяти. Но к сожалению, как признался Макс Риттер, у него нет времени на завершение проекта.
В общем, дальнейшее развитие идеи лежит на плечах любителей и умельцев. Буду рад любым предложениям по доработке/усовершенствованию конструкции.

Спасибо за внимание!
Официальная страница проекта (Англ.)

Пирометры, бесконтактные термометры

Сравнение товаров (0)

Сортировка: По умолчаниюНазвание (А — Я)Название (Я — А)Цена (низкая > высокая)Цена (высокая > низкая)Рейтинг (начиная с высокого)Рейтинг (начиная с низкого)Код Товара (А — Я)Код Товара (Я — А)

Показать: 15255075100

Инфракрасный пирометр (бесконтактный термометр, ИК-термометр) — это измерительный прибор обеспечивающий измерение температуры поверхности любого объекта без физического контакта с ним.

Иногда пиромет назывывают лазерным термометром, что ошибочно, так как в процессе измерения лезерный целеуказатель выполняет второстепенную роль, а именно служит для юолее точного наведения пирометра на объектт исследования.

 

Основные преимущества пирометра:

— Безопасность измерений. Отсутствие физического контакта обеспечивает безопасность измерения температуры движущихся объектов или объектов под высоким напряжением.
— Очень высокое быстродействие. Вы можете получить результат практически мгновенно (время измерения порядка 150-250 мсек).
— Простота применения.

Конструктивные особенности инфракрасного бесконтактного пирометра:
Как правило цифровой бесконтактный термометр выполнен в форме пистолета,  с кнопкой измерения на месте спускового крючка, возле инфракрасного сенсора расположен один или несколько лазерных целеуказателей, тут же может быль расположена и цифровая камера. Самые распостранённые модели пирометров  обычно запитываются от 9В типа 6F22 КРОНА, или стандартніми батарейками ААА 1,5В но более дорогие модели имеют встроенные аккумуляторные батареи.

Панель управления обычно представляет несколько кнопок  расположенных под ЖК-дисплеем. Как правило они отвечают за основные настройки как выбор единиц измерения, установку коэффициента теплового излучения, выбор и активацию функций тревоги и статистики MAX/MIN/AVG/DIF. 

 

Принцип действия инфракрасного термометра – пирометра:
Основой пирометра является инфракрасный датчик, который детектирует поток теплового излучения нагретой поверхности объекта, определяет его спектр и на основании его указывает значение температуры. 

 

Области применения бесконтактного термометра:

производство — анализ энергонагруженных элементов, технологических процессов.
сервис —  автосервис, электроника, электротехника.
разработка — контроль температур в исследованиях или настройке изделий.
кулинария — контроль температуры при приготовлении сыров, шиколада, кисломолочных продуктов.

строительтво —  анализ работы систем отопления и кондиционирования.
медицина —  контроль температуры хранения и перевозки медикаментов.

Стоимость пирометров зависит от диапазона и функциональности, но обычно находится в пределах:
Температура         Цена, грн.
— от 50 до 330°C     200 – 300 грн.
— от 50 до 550°C     300 – 530 грн.
— от 50 до 900°C     500 – 830 грн.

Рекомендации по применению бесконтактного пирометра
Одним из важных характеристик пирометра является оптическое разрешение. Это пропорция, к примеру: 12:1,  определяющая соотношение диаметра области измерения температуры к растоянию до объекта. Для пирометра со стандартным оптическим разрешением 12:1 для измерения температуры, скажем токопроводящей шины шириной в 5 см, рабочее расстояние будет определятся именно разрешением, 12х5см = 60 см. При превышении данного расстояния измерить достоверно температуру объекта невозможно, поэтому важно не превышать данное расстояние.

Так же важным параметром является коэффициет излучательной способности (EMS), значение по умолчанию 0,95 соответствует большинству окружающих нас предметов/материалов (кирпич, дерево, бетон, гипс, вода, пластик, резина….). При измерении температур чистых металлов нужно использовать коэффициент соответствующий выбранного материала.

 

Градация  пирометров по температурным диапазонам:
до 330°C (Benetech GM333A, Wh420)
до 550°С (ST490+, ST390+, AT600)
до 900°C (PM6530D, WH900)

Как купить бесконтактный пирометр по недорогой цене?
Если вы желаете найти инфракрасный термометр (пирометр, бесконтактный термометр), то в нашем интернет-магазине вы найдёте отличный выбор качественных пирометров по невысокой цене, наши специалисты помогут Вам с выбором подходящего для вас пирометра, окажут бесплатную консультацию по особенностям измерения температуры расплавов и металлов. Перед отправкой все пирометры проверяются на функциональность, качественно упаковываются что бы гарантировать сохранность при транспортировке. Делая заказ бесконтактного пирометра у нас вы ничем не рискуете, мы предоставляем гарантию 12 месяцев на все пирометры. ВЫполняем отправку в любой город Украины: Киев, Харьков, Одесса, Львов, Днепр, Николаев, Херсон, и инфракрасный термометр будет доставлен в течении 1-2 дней.  Детально.>>

Микроконтроллер

— Устройство пирометра, совместимое с Arduino

Я инженер-механик и в настоящее время использую лазер, который нагревает и расплавляет поверхность любого материала (пластика, металла и т. д.), который формируется в виде порошка. Хотя мне удалось расплавить немного порошка пластика, я хочу внести большую точность в систему управления лазером температурой нагреваемой поверхности. Чтобы быть более конкретным, я хочу относительно точно измерить температуру нагретого материала, и когда температура достигает точки плавления, я хочу, чтобы лазер выключался. Погуглил про эффект теплового излучения и нашел про пирометр. Я хотел бы спросить, есть ли пирометр, совместимый с микропроцессором Arduino/Tiva с нормальным диапазоном температур. Я нашел несколько пирометров/бесконтактных термометров, которые могут измерять до 380 градусов Цельсия, что недостаточно, так как температура плавления алюминия составляет 660 градусов (я хочу использовать алюминий позже). Какие-либо предложения?

Спасибо за ваше время и за ваш ответ заранее,

Крис

РЕДАКТИРОВАТЬ (после предложения Джонка):

Камера:

В настоящее время камера находится в комнатных условиях (20-25 градусов Цельсия) как Я только что закончил его сборку, но думал позже ввести инертный газ, чтобы предотвратить окисление продукта (при комнатной температуре).

Лазер:

Лазер представляет собой YLIA M20 с длиной волны 1064 нм и диаметром луча около 1 мм. Использую на максимальной мощности 20Вт. Я хочу измерить температуру области, которую нагревает луч (местное измерение). Расстояние лазера между лазером и поверхностью не фиксировано, но после некоторых экспериментов, которые я провел, я подсчитал, что лучше всего будет около 100 мм.

Бюджет:

Бюджет около 500-1000 евро. Если моя идея с пирометром сработает и будет хорошим решением, цена может быть выше (1500-2000 евро).

Материал:

Материалы изготавливаются из тонкого порошка и должны быть любого типа (пластик, металл, керамика, стекло). Я пока не могу с уверенностью сказать вам точные типы, потому что я не знаю, в каком диапазоне я буду использовать машину, которую собираюсь построить, но для начала я хочу иметь возможность измерять 700 градусов Цельсия. Минимальный коэффициент излучения может быть 0,5, так как я не использую полированные материалы.

Микроконтроллер:

Позиция лазера управляется двумя двигателями (оси X и Y) через платы Arduino. Ось Z лазера управляется движением основания, удерживающего порошок (высота лазера относительно земли фиксирована). Двигатель оси Z также управляется платой Arduino. Затем платы Arduino через электронную систему подключаются к плате pmac, которую я использую для написания G-кода для управления движениями лазера. Вся эта установка реализована и работает. Итак, что мне нужно, так это система управления, которая также может получать обратную связь от нагретых точек (так, например, если плавление правильное, лазер может перемещаться от точки к точке). Совместимость платы микропроцессора с бесконтактным термометром обязательна, поэтому я могу использовать ее в системе, которую я уже создал.

Если я снова что-то упустил, пожалуйста, скажите мне, чтобы я включил это в свой вопрос.

Как можно измерять высокие температуры с помощью Arduino uno и термопары типа k, не превышая 500 градусов Цельсия?

Обобщенное решение:

• Два резистора увеличат измеряемую максимальную температуру …

  Входной делитель, состоящий из двух резисторов, увеличит максимальную температуру, которую можно измерить с помощью АЦП Arduino 5V max, пропорционально коэффициенту деления.

  Используйте (например) 2 резистора по 10 кОм последовательно от выхода AD595 до земли.
  Питание АЦП Arduino от центрального ответвления резистора. Чувствительность
  для Arduino тогда будет 5 мВ/Кл.
  Это ТОЛЬКО достигает 1000 C.
  Для более высоких температур используйте больший коэффициент деления (см. ниже)

… но …

• AD595 IC, первоначально предложенный спрашивающим, является хорошим решением.

  AD594/AD595 упоминается здесь, это было в исходном вопросе (теперь изменено). Это одна из многих микросхем, подходящих для этой задачи, но это хороший выбор. Он имеет фиксированный выходной сигнал 10 мВ/Кл при использовании материала термопары, для которого он предназначен. AD595 имеет фиксированное усиление. Некоторые другие ИС могут позволять масштабировать выходной сигнал на градус Цельсия, но, поскольку резистивный делитель, обсуждаемый ниже, можно отрегулировать по желанию, это не является существенной проблемой.

• Требуемое напряжение питания AD595 увеличивается с температурой на входе

  Это справедливо для ЛЮБОЙ ИС, обеспечивающей выход 10 мВ/Кл. Очевидно, что увеличение на каждые 100 °C требует 100 x 10 мВ = 1 Вольт, и может существовать разница между Vout max и Vsupply.
  В случае AD595 Vout max на 2 В ниже положительного напряжения питания.

  Vsupply >= 12 В при 1000 C.
  Vsupply >= 17 В при 1500 C.

  Минимальное требуемое напряжение Vsupply = (Tmax/100 + 2) Вольт (см. техническое описание и ниже)
  Таким образом, для 500 C вам необходимо Vsupply >= 500/100 + 2 = 7 Вольт.
  Для 1000 С нужно 1000/100 + 2 = 12В.

  Используйте как минимум немного большее напряжение питания, чем указано в этой формуле, исходя из максимальной измеряемой температуры.

• Будьте в курсе изменений при переходе температуры через точку Кюри.

  Термопара типа K имеет ступенчатое изменение при 350°C из-за изменения точки Кюри.
  Вместо нее можно использовать термопару типа J до <= 750°C без ступенчатого изменения.
  AD594 предназначен для получения 10 мВ/Кл с термопарой типа J.

• Термопары типа N (макс. 1200 °C) или платиновые термопары типа B, R или S (1600 °C+) лучше подходят для вашего применения, чем термопары типа K.

  Термопару типа K можно использовать при температуре примерно до 1350 C, но она имеет скачок точки Кюри при температуре около 350 C. Если позволяет бюджет, следует рассмотреть возможность использования термопары типа B, R или S. Они основаны на платине и дороги, но рассчитаны на температуру более 1000 C и не имеют проблем с точкой Кюри.

---

Спецификация AD594/AD595 здесь

AD594 = тип J.
AD595 = тип K.
Если возможно, используйте тип J + AD594, если Tmax <= 750 C.

Чрезвычайно полезная страница термопары Википедии здесь

Выход «усилителя термопары» 10 мВ / C может быть уменьшен на произвольную долю с помощью делителя напряжения с двумя резисторами. См. схему и примечания ниже.

ИС интерфейса термопары AD595 имеет выходной усилитель с низким импедансом, способный питать нагрузку до 5 мА. Это соответствует 5 В на 1 кОм, поэтому загрузка его, скажем, делителем напряжения 2: 1, скажем, из 2 последовательно соединенных резисторов по 10 кОм (выход на землю, выход из средней точки) обеспечит выходной сигнал 5 мВ / C. Это позволит Arduino с максимальным входным напряжением АЦП 5 В измерять до 1000 градусов C = близко к верхнему пределу термопары типа K.

На приведенной ниже диаграмме Vi представляет собой выходное напряжение AD595, а Vout от центрального ответвления между двумя резисторами подключен к АЦП Arduino.

Импеданс 2 x 10 кОм последовательно, как видно из центрального отвода между двумя резисторами, составляет 10 кОм при параллельном соединении с 10 кОм = 5 кОм. Это значительно ниже максимального рекомендуемого безопасного значения входного импеданса для большинства АЦП, с которыми вы столкнетесь. Проверьте спецификацию Arduino, но она должна быть очень безопасной.

Здесь, если R1 = R2 = 10k и RL очень высокое, то Vout ~= Vin/2.
Входное сопротивление АЦП обычно составляет от сотен кОм до мегаом и им можно пренебречь при условии, что кто-то не сделал глупостей в конструкции. Проверьте ADC Rin в спецификации Arduino и посмотрите, что там написано. При необходимости используйте калькулятор на странице учебника и калькулятора делителя напряжения
, где приведенная ниже диаграмма взята из

Используйте резисторы с низким температурным коэффициентом.
Точность резистора влияет на точность масштабирования результата — выберите при тестировании или используйте допуск, скажем, 0,1%. Рекомендуется калибровка всей системы из-за влияния точности резистивного делителя.
Чрезмерно восторженные откалибровали бы систему даже без резистивного делителя, чтобы убедиться, что Мерфи не проделывал каких-либо серьезных трюков.

В отсутствие лучшего эталона измерение температуры кипящей дистиллированной воды на уровне моря является хорошим началом.

---

Предупреждение:

В то время как выход AD595 составляет 10 мВ/Кл, что дает 5,0 В при 500°C,
ИС на самом деле способна работать только до 300°C при питании 5В.
При использовании одного источника питания выход имеет максимальное напряжение Vs-2В или 3В при питании 5В. Таким образом, для входа 500C требуется питание не менее 7 В. Питание 10 В позволит работать при температуре 800°С. Для сведения к минимуму внутреннего самонагрева ИС рекомендуется минимально возможное напряжение питания. (например, 10 В или 12 В здесь допустимо, но старайтесь не использовать, скажем, +24 В, если в этом нет необходимости.)

На странице 3 технических данных указано:

• AD594/AD595 — это полностью автономная термопара. кондиционер. Использование одного источника питания +5 В для межсоединений показанный на рисунке 1, обеспечит прямой выход из типа J термопара (AD594) или термопара типа К (AD595) для измерения от 0°C до +300°C

Поскольку микросхема может работать от источников питания до +30 В, напряжение питания может быть отрегулировано в соответствии с потребностями.

Предупреждение: Обратите внимание, что в техническом описании в таблице на стр. 2 есть ошибка, которая показывает диапазон выходного напряжения. Vout <= Vsupply -2, а НЕ Vsupply+2, как показано в данном случае. Это очень хорошо видно из окружающих записей! Даже составители технических паспортов получают опечатки!!! :-(.

---

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Ступенчатое изменение температуры точки Кюри в характеристике термопары.

Термопары, в которых в качестве одной половины (или обеих половин) пары используется магнитный материал, претерпевают ступенчатое изменение характеристики в точке Кюри магнитного материала(ов). Точка Кюри — это температура, выше которой материал становится «немагнитным». В некоторых случаях изменения могут быть значительными, но ими можно управлять. В других она близка к катастрофической.

Термопара типа K Кюри имеет температуру 350 C. При измерении как выше, так и ниже этой температуры вы можете рассмотреть другой материал.

Тип N можно использовать при температурах выше 1200 C без точки Кюри. Выход несколько выше, чем у типа К.