비접촉 온도 센서 Digital Thermopile Sensor (TB-I2C-S70) 테스트

 

 

안녕하세요.

 

 이번에 소형 비접촉 온도 측정 제품 개발 때문에 확인한 내용을 공유해보겠습니다.

 테스트한 첫 번째 비접촉 온도 센서는 TB-I2C-S70입니다. 병원 등에 사용하는 인체 측정용으로는 사용할 수 없고   산업용 혹은 가전기기 등에 사용합니다. 인체용 비접촉 센서들은 최근 들어 나오고 있습니다.

Thermopile Sensor

 비접촉으로 물체의 온도를 측정하려면 방사율(Emissivity)을 이해해야 했습니다. 열화상 전문가가 아니라 참고 정도로 생각하시면 좋을 것 같습니다.

 

1. 방사율(Emissivity) 이란?

  - 물체가 외부 적외선 에너지를 흡수(적외선 방사), 투과, 반사하는 비율을 말하는 것입니다.

  외부에너지를 흡수만 하고 반사하지 않는 물체를 흑체(Blackbody)라고 부르며 방사율 값을 1로 규정합니다. (흑체라고 해서 100% 열을 흡수하는 것은 아니라고 합니다)

 

  - 물체는 표면 상태(광택, 거칠기, 산화 등)에 따라 흡수, 반사하는 에너지 양은 변화합니다.

    방사율 범위 값이 0이라 함은 모든 에너지를 반사하는 완벽한 거울과 같은 상태이고 1이라고 함은 모든 에너지를 완벽하게 흡수하고 적외선을 방출하는 상태가 됩니다.

 

  - 방사율이 낮은 물체에서 고려해야 하는 사항은 "반사 온도"(주변 온도 또는 T-반사 값)가 있습니다. 이것은 물체 자체 온도가 아니라 주변이 있는 물체의 온도가 되는 것입니다. 예로 거울에 뜨거운 물컵을 비추면 거울의 표면 온도는 컵의 온도에 영향을 받게 됩니다.

 

  - 조금 쉽게 표현하고자 그림으로 만들어 보았습니다. 어떤 물체(Object)에서 비접촉으로 온도를 검출할 경우입니다.

방사율

 

  - 에너지 총량을 100%로 할 경우, 에너지(100%) = 반사율 + 방사율 + 투과율이 되며 이를 이용해서 방사율을 구하면, 방사율 = 1 – 반사율 – 투과율  로 표현할 수 있습니다.

 

  아래는 그래서 만들어진 방사율 표입니다. 그러나 다른 회사들의 방사율과 동일하지 않았습니다. 그리고 제품의 표면, 주변 환경 등에 따라 달라질 수 있다는 것을 고려해야 합니다.

 

방사율 표

<DIWELL SPECIFICATION 참조>

2. Digital Thermopile Sensor 센서 스펙

  - 정확도 : ±2%(Sensor Temp 0~50℃)

  - 입력 전압 : 3.3V

  - Filter type : LWP cut on 5.5㎛

  - IR refresh rate : 10Hz

  - Digital resolution : 0.01℃

  - Digital Interface : UART, I2C, RS-485

  - Supply voltage : 3.5V

  - Reverse voltage : -0.3V

  - Operating Temperature Range : -20℃ ~ 70℃

  - Storage Temperature Range : -40℃ ~ 85℃ 

 

 

3. 제품 특징

DW-LINK와 TB-I2C-S70 연결

 

  - 방사율 조절이 가능합니다. (default 0.97)

  - 온도데이터는 디지털 통신으로 출력합니다.

  - 윈도우에서 온도 측정이 가능한 DW-LINK(별도 판매) 및 실행 프로그램 제공

  - 아두이노, 라즈베리 파이 코드 제공

4. TB-I2C-S70 제품 성능

 1)  제품 성능

  - TB-I2C-S70 센서는 기본통신이 I2C이고, FOV가 70도, 히트 싱크가 부착되지 않은 모델입니다.

    측정환경으로 실내온도 : 25도, 방사율 : 0.97, 흑체 크기 : 직경 12cm, 100ms 주기 3회 측정 후 평균값

TB-I2C-S70 측정 온도

   2) 측정 범위

  - 조금 더 정확한 온도 값을 측정하기 위해서는 FOV, 거리 등 확인할 사양들이 있는데요. S70 모델 경우 보면 측정 각도(FOV)가 70이라고 했으므로 측정 직경 계산식은  2 ⅹ tan( 70도/ 2) ⅹ 거리(mm) + 1.9 (mm)

 

  - 예를 들면 거리를 10cm = 100mm로 할 경우 2 ⅹ tan( 70도/ 2) ⅹ 100 + 1.9 = 141.94가 됩니다.

 

거리별 측정직경 계산

 

  즉, 측정할 수 있는 면적을 Spot Size보다 작아야 좀 더 정확한 온도를 측정할 수 있습니다.

Spot Size

 

5. 프로그램 동작 확인

DW_LINK_R1.exe

  - TB에 I2C를 선택하고 실행 버튼(재생 버튼)을 눌러주면 온도를 측정하기 시작합니다.

  - 방사율을 설정하기 위해서 "Setting" 선택하면 변경할 수 있습니다. 측정하고자 하는 물체가 어떤 물체인지 확인 방사율을 넣어주고 위에서 본 측정할 수 있는 면적(Spot Size)에 맞게 넣어 주면 100%는 아니지만, 비접촉 상황에서 80%~90% 정도는 온도가 맞는 것을 확인하였습니다.

 

  - 라즈베리 파이로 프로그램해서 동작하는 것은 다음 편에서 확인해보도록 하겠습니다.

 

 

감사합니다.

 

 

 

<참조 자료>

1. FLIR 어떻게 방사율이 열화상에 미치는가?

https://www.flirkorea.com/discover/professional-tools/how-does-emissivity-affect-thermal-imaging/

2. 연화상 카메라 : 방사율

https://m.blog.naver.com/mdstec_flir/221374650092

3. 방사율(Emissivity) 설명 : 적외선 온도계 원리 ③

https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=wwsoptic&logNo=221394128109&categoryNo=12&parentCategoryNo=0

4. DIWELL ThermoBlock Series Specification

 

 

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