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Hall 5, Booth 414
30.05. - 01.06.2017

 

MLX90621 Artikel

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Wärmebildsensor MLX90621

 

Mit dem MLX90621 steht ein preiswerter Wärmebildsensor mit integrierter Optik zur Verfügung. Durch die thermische Strahlung lassen sich Wärmebilder aufzeichnen und Temperaturverteilungen des zu beobachtenden Objekts messen.

Link MLX90621

Bildsensoren sind heute ein wichtiges Hilfsmittel zur Überwachung und Steuerung vieler industrieller Prozesse. Zum Beispiel wurden bisher Leiterplatten nach der Bestückung mittels Lupe auf Lötfehler untersucht. Heute setzen sich dafür  spezielle Kameras immer mehr durch. Kameras im sichtbaren Bereich sind bei bestimmten Anwendungen nicht immer die optimale Lösung zur Kontrolle. Spezielle Sensoren ermöglichen eine berührungslose Temperaturüberwachung von Prozessen über die Wärmestrahlung. Prinzipiell kann die Temperatur des zu prüfenden Objekts über ein Punkt-Pyrometers berührungsfrei gemessen werden. Dazu wird der zu messende Punkt mit dem Laserstrahl angepeilt. Muss bei einem größeren Objekt die Temperaturverteilung  gemessen werden, ist der Aufwand hoch. Jede zu messende Stelle muss angepeilt werden. Über das Pyrometer wird  die Wärmestrahlung dieses einzelnen Punktes gemessen. Für die Überwachung größerer Anlagen sind somit viele Messungen durchzuführen. Gleichzeitig können Fehler auftreten, weil bestimmte Bereiche des Objekts übersehen oder nicht exakt angepeilt werden.
Ein Wärmebildsensor reduziert den Aufwand. Er ist ähnlich einem Bildsensor mit vielen Pixeln aufgebaut. Er arbeitet jedoch auf Basis des gleichen physikalischen Prinzips wie ein Pyrometer. Aufgrund der höheren Pixelzahl kann die Temperaturverteilung eines größeren Objekts bereits in einen einzigen Messvorgang gemessen werden. Die matrixförmige Anordnung der Pixel führt zu einem Wärmebild des zu überwachenden Objekts. Ähnlich einer herkömmlichen Kamera wird das Foto des Objekts im Infrarotbereich aufgenommen. Durch spezielle  Algorithmen verbessert sich die Bilderkennung. Gleichzeitig werden der jeweiligen Strahlungsstärke bestimmte Farben zugeordnet. Das Hauptziel besteht dabei nicht in einer exakten Messung der Temperatur. Es muss erkannt werden, dass die Temperatur von Teilobjekten in einem bestimmten Bereich liegt. Ebenso sollen  Temperaturunterschiede zu benachbarten Teilen des zu überwachenden Objekts erkannt werden. Mit einer solchen Wärmebildkamera können auch Videos aufgenommen werden. So können Temperaturänderungen bei fehlerhaften Prozessen erkannt werden.

 

Anwendungsbeispiele

Wärmebildkameras auf Basis dieses Prinzips haben seit einigen Jahren eine große Verbreitung in vielen Anwendungsbereichen gefunden. Einige Beispiele sollen die Vielfalt der Anwendungsbereiche verdeutlichen: 

Bauwesen, Wohnungen:

  • Kontrolle der Wärmedämmung von Gebäuden
  • frühzeitige Erkennung von Schimmelpilzen in Räumen

Polizei, Feuerwehr:

  • Erkennung von Einbrechern auf leeren Gebieten aus größerer Entfernung
  • Erkennung von Glutnestern und Personen in stark verrauchten Gebäuden

Medizin:

  • Erkennung von Durchblutungsstörungen und Entzündungen
  • Erkennung von durch Schwerelosigkeit verursachte Durchblutungsstörungen in der Raumfahrt- und Flugmedizin

Automobiltechnik:

  • Fahrerassistenzsysteme zur Erkennung von Tieren und Menschen, die nachts oder bei Nebel die Straße überqueren
  • Kontrolle des Antriebssystems auf Fehler
  • Brandüberwachung

Landwirtschaft:

  • Erkennung von Entzündungen bei Tieren, z.B. Euter von Kühen
  • Entdeckung von Tieren in Feldern bei der Ernte

Industrie:

  • rechtzeitige Erkennung von Störungen in Antriebssystemen von Industrieanlagen
  • Überwachung von Stromverteilern und Trafostationen  auf sichere Anschlüsse; insbesondere bei Hochspannungsanlagen ist die Prüfung durch den größeren Abstand sicher
  • Kontrolle der Temperaturverteilung bei Produktionsverfahren im höheren Temperaturbereich (z.B. Halbleiterproduktion, Lötprozesse und Spritzgussmaschinen)
  • Überwachung von Rohrleitungen auf Ausstoß von Flüssigkeiten oder Gasen durch Risse
  • Qualitätskontrolle von Leiterkarten nach Abschluss der Herstellung 
  • Kontrolle von elektronischen Geräten, die sich schnell erwärmen können, auf Risse in bleifreien Lötstellen  

Logistikbereich, Müllentsorgung:

  • frühzeitige Erkennung von Bränden, wenn sich in Paketen gefährliche Stoffe befinden(z.B. Lithium-Akkus)
  • Erkennung von Schwelbränden auf Müllhaufen

 

MLX90621

Wärmebildsensoren mit hoher Pixelzahl sind recht teuer. Ein Teil der Kosten wird durch eine Optik aus speziellen Materialien verursacht. Hier bietet der Infrarot-Sensor MLX90621 des Herstellers Melexis die optimale Lösung.

Pixelzahl Matrix 16 x 4
Optik Objektiv mit Linse bereits integriert
Sichtfeld 0° x 15°, 40° x 10°, 120° x 30°
Bauform TO30
Kalibirierung Objekttemperatur -20° bis 300°C
Messgenauigkeit +/- 1°C im Bereich 0° bis 50°C
Stromverbrauch 7mA
Interface I²C-Bus
Bildrade programmierbar 0.5 bis 512Hz
Synchronisation durch externe Steuerung
Betriebsspannung 2.5 bis 3.3V

 

 Bild 1

 

Der MLX90621 liefert ein Bild mit 64 Pixeln, welche auf eine Matrix von 16 x 4 Pixeln verteilt sind. Beim MLX90621 ist eine zusätzliche Optik nicht erforderlich. Die Optik ist bereits in den Sensor integriert. Der Sensor steht in drei Versionen mit unterschiedlichen Sichtwinkeln zur Verfügung. Abhängig vom Abstand und vom Sichtwinkel können somit  Bereiche unterschiedlicher Größe überwacht werden.
Jedes Pixel misst die Wärmestrahlung des jeweiligen Bereiches. Die Werte werden über eine rauscharme Verstärkerschaltung einem schnellen AD-Wandler mit einer Auflösung von 18 Bit zugeführt. Die so ermittelten Daten werden im internen RAM-Speicher abgespeichert. Gleichzeitig wird die Umgebungstemperatur des MLX90621 über einen zusätzlichen PTAT-Sensor gemessen und ebenfalls im RAM abgespeichert. Der MLX90621 ist bereits durch den Hersteller Melexis vorkalibriert. Die entsprechenden Daten sind im EEPROM abgespeichert. Der MLX90621 ist mit dem Controller über den I2C-Bus verbunden. Aus den Messwerten der Wärmestrahlung, der Umgebungstemperatur und den Kalibrierungswerten, kann für jedes Pixel die exakte Temperatur des beobachteten Objekts berechnet werden. Die Berechnungsverfahren sind im Datenblatt des Herstellers ausführlich erläutert.

 

Der erste Versuch

Um eine effektive Anwendung zu entwickeln, können mit ersten Experimenten Erfahrungen gesammelt werden. Dazu kann das Evaluationboard EVB90621 eingesetzt werden. Mit der kostenlosen Software können die Wärmebilddaten ohne großen Aufwand dargestellt werden. Das Evalutionboard wird über das USB-Interface mit dem PC verbunden. Anschließend wird die Software gestartet. Das Evaluationboard wird auf das zu beobachtende Objekt ausgerichtet. Im nächsten Schritt sind Einstellungen der gewünschten Funktionen vorzunehmen. Die Software ermöglicht die Darstellung des aktuellen Wärmebildes bzw. Videos. Dazu kann die Zahl der auf einem Bild darzustellenden Pixel von 4 x 16 bis 32 x 128 gewählt werden. Der Sensor selbst hat nur 4 x 16 Pixel. Trotzdem schafft die Software eine realitätsnahe Darstellung mit 32 x 128 Pixel. Mit dem mathematischen Algorithmus der bilinearen Interpolation ist das machbar. Um das Prinzip schnell zu verstehen, nehmen wir als Beispiel eine Metallplatte. An einer Stelle heizen wir sie auf. Im Brennpunkt, wo die Strahlen auf die Platte treffen, wird es heiß. Der Rest der Platte bleibt nicht kalt. Die Wärme verteilt sich vom Brennpunkt ausgehend gleichmäßig. Sind zwei Messpunkte mit nicht zu großem Abstand bekannt, kann über die Interpolation eine Messkurve für den Bereich dazwischen berechnet werden. Die Interpolation ist somit ein Approximationsverfahren, d.h. für die Positionen zwischen den beiden Messpunkten werden Näherungswerte berechnet. Bei der bilinearen Interpolation wird dieses Berechnungsprinzip auf eine quadratische Fläche erweitert. So kann aus vier Messpunkten die Temperaturverteilung über die dazwischen liegende Fläche berechnet werden.

 

    

   

Die durch den Bildsensor aufgenommenen Daten dienen nicht nur zur Bilddarstellung. Die Daten können für weitere Verfahren zur Auswertung genutzt werden. Dazu können über den Button Application entsprechende Einstellungen für die abzuspeichernde Datei vorgenommen werden. Eine Auswertung ist dann mit Excel oder anderer Datenverarbeitungssoftware möglich. Der ML90621 soll nicht nur zur Erzeugung eines Wärmebilds genutzt werden. Er kann ebenso zur Ansteuerung technischer Überwachungsanlagen benutzt werden. Durch eine Auswertung über mathematische Software können Algorithmen entwickelt werden, die eine automatische Steuerung ermöglichen.

 

Schaltungstechnik

Nach den experimentellen Messungen können wir mit der Entwicklung der Schaltung und der entsprechenden Software beginnen. Der Aufbau der Hardware ist relativ einfach. Der MLX90621 wird über den I2C-Bus mit einem beliebigen Mikrocontroller verbunden. Bei der Auswahl des Controllers ist die geplante Software entscheidend. Soll die Software nur die Temperatur der Pixel einzeln ermitteln und anschließend ein Warnsignal abgeben, dass bei einem der Pixel ein zuvor eingestellter Grenzwert überschritten wurde, reicht ein einfacher 8-Bit-Controller. Bei komplexeren Algorithmen, die z.B. für die Erzeugung des Wärmebildes mit höherer Pixelzahl erforderlich sind, ist ein leistungsfähigerer Controller erforderlich. Nur so lassen sich Bilder für ein Wärmebildvideo mit höherer Pixelzahl in Echtzeit berechnen. Das I2C-Datenprotokoll ist ausführlich im Datenblatt beschrieben.

 

Die Entwicklung der Software zur Verarbeitung der Messdaten erfordert einen höheren Aufwand. Geht es um sicherheitstechnische Anwendungen, ist deshalb nach der Entwicklung eine ausreichende Kontrolle notwendig.