Termometr bezdotykowy

29 XI 2021

Termometr bezdotykowy, bezprzewodowy albo mądrze: pirometr, to bardzo praktyczne urządzenie służące do mierzenia temperatury z pewnej odległości i natychmiastowo. Jest bezdyskusyjnie wygodniejszy od klasycznych termometrów, a często także dokładniejszy. Zwykle ma postać pistoletu, którym celuje się w element, którego temperaturę chce się zmierzyć i zaopatrzony jest w wyświetlacz.

Ma on swoje zalety jak i wady. Wadą jest to, iż mierzy temperaturę powierzchni ciał stałych, ewentualnie cieczy. Żeby zmierzyć nim temperaturę powietrza, należy znaleźć jakiś nieprzezroczysty element, który będzie mieć tę samą temperaturę. Tutaj lepiej sprawdzą się klasyczne czujniki. Ale nie do tego on służy. W domu — pod pewnymi warunkami — można nim badać temperaturę dowolnej powierzchni, łącznie z wnętrzem garnka, a także — w wykonaniu specjalnie kalibrowanym do tego celu — temperaturę ciała. Do czego jeszcze można użyć takiego termometru, niech każdy sobie sam wyobrazi. Z pewnością interesującą kwestią jest to, jak coś takiego działa.

Jak to działa?

Należałoby się tutaj przenieść w czasie do początku wieku XIX. Niejaki William Herschel bawił się w najlepsze pryzmatem, wsadzając w poszczególne kolory poczerniałą końcówkę znanego już wtedy termometru rtęciowego. Zauważył, że im bliżej czerwonego końca tęczy, tym termometr wskazywał wyższą temperaturę. Lecz po przesunięciu termometru jeszcze bardziej w prawo okazało się, że temperatura wciąż rosła, choć nic tu nie świeciło.

Pan Herschel odkrył w ten sposób podczerwień i słusznie założył, że światło słoneczne zawiera jeszcze jakiś rodzaj promieniowania, którego nie widać, ale można je wyczuć jako ciepło. W dużym uproszczeniu — bo nie miejsce tu na szczegóły — okazało się, że każdy rodzaj materii, jeśli tylko jest cieplejszy od zera bezwzględnego, emituje promieniowanie, którego energia, a zatem długość fali, zwiększa się wraz z temperaturą. Przy 600 stopniach wzrasta na tyle, że zaczyna wchodzić w widmo widzialne i człowiek takie przedmioty jest już w stanie dostrzec w ciemności jako ciemnoczerwone. Przy 1300 stopniach widmo widzialne jest wypełnione mniej więcej symetrycznie, a my widzimy to jako światło białe i tak działają żarówki.

Ale mu tu mamy termometr. Jeśliby stworzyć bardzo dokładny detektor częstotliwości promieniowania, można byłoby poznać temperaturę obiektu wysyłającego promieniowanie i to właściwie z dowolnej odległości.

Wiele lat musiało minąć aż powstały tanie i powszechne czujniki pracujące w ten sposób. Nazywa się je pirometrami i zwykle mają formę małego cylindra z okienkiem — rodzajem kamery skanującej. W zależności od potrzeb można dodatkowo tworzyć układy optyczne zawężające pole analizy albo zadowalać się szerszą powierzchnią mierzoną. Układy takie są w zasadzie skomplikowanymi komputerami zawierającymi część detekcyjną, często złożoną z dwóch lub trzech niezależnych torów oraz interpreter danych i układ, który je formuje do wybranego standardu świata cyfrowego. Masowa produkcja sprawiła, że elementy takie trafiły do tanich termometrów i wbrew pozorom są to urządzenia dokładne.

Co jest w środku?

Oto jeden z wielu takich termometrów, bliżej nieznanego producenta i nazwy. Ponieważ należy do typowych przedstawicieli gatunku, postanowiłem go rozebrać i przeanalizować sposób jego pracy.

Po odkręceniu dwóch wkrętów i lekkim siłowaniu się z niebieskimi wypraskami, możemy zajrzeć do środka. Nie jest to aż tak przemyślane jakby mogło być. Mamy tutaj maleńką płytkę obsługującą spust, która w zasadzie nie byłaby potrzebna, jeśli mikroprzełącznik znajdowałby się na płycie głównej. Mamy też osobny buzzer, czyli piszczek, także niepotrzebnie mocowany w ten sposób, zresztą nieśmiertelnym klejem termicznym. Blaszki baterii już raczej winny pozostać jakimi są, natomiast przewody do czujnika temperatury i diody wskaźnikowej są lutowane, zatem ktoś te luty ręcznie musiał wykonać.

Spójrzmy na pirometr. Stanowi cylinder i jest pozbawiony optyki. Brak oznaczeń nie pozwala go jednoznacznie zidentyfikować.

Jednak jest to element typowy, a cztery wyprowadzenia świadczą o tym, iż oprócz zasilania wychodzą z niego dane w którymś ze standardowych formatów, zapewne I²C. Tak na marginesie, to jedna z najpopularniejszych szeregowych magistral, stworzonych w latach osiemdziesiątych, do łączenia elementów peryferyjnych z mikrokontrolerami, na niewielkich odległościach i przy relatywnie niewielkich szybkościach.

Obok znajduje się dioda świecąca, która puszczonym „zajączkiem” ma pokazywać miejsce pomiaru. „Makaronik” stamtąd idący zdąża do płytki, z którą się łączy za pomocą typowych dla takich urządzeń złącz. A skoro o nich, znajdziemy tam jeszcze mikroprzełącznik spustu, buzzer i wejście z baterii.

Płyta główna wykonana jest poprawnie i bardzo tu ubogo. A do tego jeszcze, niestety nie udało mi się zidentyfikować mikroprocesora.

Internet milczy, więc można domniemywać, że to któryś z klonów typowych układów z interfejsem ekranów LCD i dodatkowymi peryferiami. Tych akurat niewiele tutaj mamy: pięć przełączników, trzy diody świecące, buzzer, magistrala dla pirometru, detektor niskiego poziomu baterii i to wszystko. Może to być równie dobrze klon jakiegoś ośmiobitowca jak i współczesny ARM, choć z pewnością marnowałby się tutaj.

A oto już sam wyświetlacz, który z drugą stroną płytki łączy się klasyczną gumką przewodzącą, znaną z zegarków czy kalkulatorów.

Tutaj widać, że wyprowadzeń — to te niebieskie, wykonane z tlenku cynowo-indowego — jest dużo mniej niż segmentów przewodzących w gumce. Jest ich także mniej od segmentów wyświetlacza, więc ten zapewne jest multipleksowany, czyli jednocześnie pracuje prawdopodobnie tylko ⅓ segmentów, a dzięki szybkiemu przełączaniu widzimy całość. Ciekawostką jest zmieniające się podświetlenie: zielone bądź czerwone. Zasada jest prosta: z boku tła z grawerowanej pleksi znajdują się dwie diody świecące w wymienionych barwach.

Przyciski to typowa wypraska dociskająca mikrostyki. Giętkie połączenia pomiędzy nimi umożliwiają niezależne dociskanie każdego z osobna. Mają one swoje miejsce w otworach, podobnie jak ekran LCD. Całość jest następnie przykryta płytą główną i skręcona siedmioma wkrętami.

Jak tego używać?

Zasada jest prosta: po skierowaniu pirometru w wybrane miejsce, analizowane jest promieniowanie podczerwone i zgodnie z zaszytymi danymi, zamieniane na informację binarną. Tę odczytuje procesor i zamienia ją na cyferki zrozumiałe dla człowieka.

Mamy tu jeszcze trochę dodatków. Po pierwsze, termometr pracuje w dwóch trybach: gdy wyświetla się domek, mierzy temperaturę w zakresie od zera do 80 stopni, z dokładnością do jednego stopnia. Gdy przytrzymamy dłużej przycisk zmiany trybu pracy, zamiast domku pojawi się głowa. Teraz termometr będzie mierzył tylko dziesięciostopniowy przedział temperatur w okolicach 36 stopni, ale z dokładnością ⅕ stopnia. Ten tryb służy do mierzenia temperatury ludzi.

Ponadto można tutaj zmieniać jednostki, wygaszać podświetlenie, zarządzać dwudziestoma pamięciami pomiarów i kalibrować termometr z dokładnością do jednej dziesiątej stopnia. Większość tych funkcji jest mało praktyczna, lecz niczemu nie przeszkadzają i można ich nie używać.

Jak to zwykle bywa, urządzenie takie z idei jest bardzo dokładne i niezawodne. Niestety z wykonaniem jest już różnie i o ile ten egzemplarz trzyma ramy przyzwoitości, można znaleźć wiele takich, w których kosmiczna wręcz technologia przegrywa z krzywą wypraską albo niecelnie nakapanym klejem. Ważne jest to, że takie awarie zwykle można naprawić we własnym zakresie, zupełnie nie przejmując się jak to wszystko działa.