חיישן טמפרטורה אינפרא אדום: עיקרון, מאפיינים ויישום

מבוא לחיישן טמפרטורה אינפרא אדום
חיישן טמפרטורה אינפרא אדום הוא חיישן ללא מגע המשתמש באנרגיית קרינה אינפרא אדום הנפלטת על ידי עצם כדי למדוד את טמפרטורת פני השטח. העיקרון המרכזי שלו מבוסס על חוק סטפן-בולצמן: כל העצמים עם טמפרטורה מעל האפס המוחלט יקרינו קרני אינפרא אדום, ועוצמת הקרינה פרופורציונלית לחזקה הרביעית של טמפרטורת פני השטח של העצם. החיישן ממיר את קרינת האינפרא אדום המתקבלת לאות חשמלי באמצעות גלאי תרמו-פיל או גלאי פירואלקטרי מובנה, ולאחר מכן מחשב את ערך הטמפרטורה באמצעות אלגוריתם.

מאפיינים טכניים:
מדידה ללא מגע: אין צורך במגע עם האובייקט הנמדד, תוך הימנעות מזיהום או הפרעה לטמפרטורה גבוהה ומטרות נעות.

מהירות תגובה מהירה: תגובת אלפיות השנייה, מתאימה לניטור טמפרטורה דינמי.

טווח רחב: כיסוי טיפוסי -50℃ עד 3000℃ (דגמים שונים משתנים מאוד).

יכולת הסתגלות חזקה: ניתן להשתמש בוואקום, בסביבה קורוזיבית או בתרחישי הפרעות אלקטרומגנטיות.

אינדיקטורים טכניים מרכזיים
דיוק מדידה: ±1% או ±1.5℃ (דיוק תעשייתי יוקרתי יכול להגיע ל-±0.3℃)

כוונון פליטה: תומך ב-0.1~1.0 מתכוונן (מכויל עבור משטחי חומר שונים)

רזולוציה אופטית: לדוגמה, יחס 1:30 פירושו שניתן למדוד שטח בקוטר של 1 ס"מ במרחק של 30 ס"מ.

אורך גל תגובה: 8~14 מיקרומטר נפוץ (מתאים לאובייקטים בטמפרטורה רגילה), סוג גל קצר משמש לגילוי בטמפרטורה גבוהה

מקרי יישום אופייניים
1. תחזוקה חזויה של ציוד תעשייתי
יצרן רכב מסוים התקין חיישני אינפרא אדום מדגם MLX90614 במיסבי המנוע, וחיזה תקלות על ידי ניטור רציף של שינויי טמפרטורת המיסב ושילוב אלגוריתמים של בינה מלאכותית. נתונים מעשיים מראים כי התרעה על תקלות התחממות יתר של המיסב 72 שעות מראש יכולה להפחית הפסדים מזמן השבתה ב-230,000 דולר אמריקאי בשנה.

2. מערכת סינון חום רפואית
במהלך מגפת הקורונה בשנת 2020, צילומי תרמיים מסדרת FLIR T נפרסו בכניסות החירום של בתי חולים, והשיגו סינון טמפרטורה חריג של 20 אנשים בשנייה, עם שגיאת מדידת טמפרטורה של ≤0.3 ℃, ובשילוב עם טכנולוגיית זיהוי פנים השיג מעקב אחר מסלולי תנועה של אנשים בטמפרטורה חריגה.

3. בקרת טמפרטורה של מכשירי חשמל ביתיים חכמים
כיריים אינדוקציה יוקרתיות משלבות את חיישן האינפרא אדום Melexis MLX90621 כדי לנטר את פיזור הטמפרטורה בתחתית הסיר בזמן אמת. כאשר מתגלה התחממות יתר מקומית (כגון שריפה ריקה), ההספק מופחת אוטומטית. בהשוואה לפתרון התרמו-צמד המסורתי, מהירות תגובת בקרת הטמפרטורה גדלה פי 5.

4. מערכת השקיה מדויקת לחקלאות
חווה בישראל משתמשת במצלמת תרמית אינפרא אדום מדגם Heimann HTPA32x32 כדי לנטר את טמפרטורת חופת היבול ולבנות מודל דיות המבוסס על פרמטרים סביבתיים. המערכת מתאימה אוטומטית את נפח ההשקיה בטפטוף, חוסכת 38% מהמים בכרם תוך הגדלת התפוקה ב-15%.

5. ניטור מקוון של מערכות חשמל
חברת החשמל המדינתית פורסת מדי חום אינפרא אדום מקוונים מסדרת Optris PI בתחנות משנה במתח גבוה כדי לנטר את הטמפרטורה של חלקים מרכזיים כגון חיבורי פסים ומבודדים 24 שעות ביממה. בשנת 2022, תחנת משנה התריעה בהצלחה על מגע לקוי של ניתוקי חשמל של 110 קילו-וולט, ובכך נמנעה הפסקת חשמל אזורית.

מגמות פיתוח חדשניות
טכנולוגיית היתוך רב-ספקטרלית: שילוב מדידת טמפרטורה באינפרא אדום עם תמונות אור נראה כדי לשפר את יכולות זיהוי המטרה בתרחישים מורכבים

ניתוח שדה טמפרטורה באמצעות בינה מלאכותית: ניתוח מאפייני התפלגות טמפרטורה המבוססים על למידה עמוקה, כגון תיוג אוטומטי של אזורים דלקתיים בתחום הרפואי

מזעור MEMS: חיישן AS6221 שהושק על ידי AMS הוא בגודל 1.5×1.5 מ"מ בלבד וניתן לשלבו בשעונים חכמים כדי לנטר את טמפרטורת העור.

שילוב אינטרנט אלחוטי של הדברים: צמתי מדידת טמפרטורה אינפרא אדום בפרוטוקול LoRaWAN משיגים ניטור מרחוק ברמת קילומטר, מתאים לניטור צינורות נפט

הצעות לבחירה
קו עיבוד מזון: עדיפות לדגמים עם רמת הגנה IP67 וזמן תגובה <100ms

מחקר מעבדה: שימו לב לרזולוציית טמפרטורה של 0.01℃ ולממשק פלט נתונים (כגון USB/I2C)

יישומי כיבוי אש: בחרו חיישנים עמידים בפני פיצוץ עם טווח של יותר מ-600 מעלות צלזיוס, המצוידים במסנני חדירת עשן

עם הפופולריות של טכנולוגיות 5G ומחשוב קצה, חיישני טמפרטורה אינפרא אדום מתפתחים מכלי מדידה בודדים לצמתי חישה חכמים, ומראים פוטנציאל יישום גדול יותר בתחומים כמו Industry 4.0 וערים חכמות.