Что такое биометрический термометр
Выбор датчика температуры
Биметаллические термометры
Принцип действия биметаллического термометра основан на использовании в его чувствительном элементе двух металлов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Металлические пластины прочно соединяются между собой, в основном путем сварки, и образуют биметаллическую пружину, которая при нагревании расширяется и замыкает контакт или вращает стрелку термометра.
Примерная схема биметаллического электрического контроллера, который применяется в холодильных камерах выглядит следующим образом:
На этом рисунке серый металл расширяется сильнее, чем синий. При повышении температуры это расширение заставляет пластину cгибаться вверх, соприкасаться с контактом, для того, чтобы потек ток по пластине и включился компрессор. Регулируя размер промежутка между пластиной и контактом, можно управлять температурой внутри камеры.
Биметаллические термометры могут быть различных типов. В самой распространенной конструкции длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен.
В настоящее время выпускаются биметаллические термометры в антикоррозийных и взрывозащищенных корпусах, а также вибропрочные и предназначенные для работы в агрессивных средах.
Российского стандарта на поверку биметаллических термометров не существует. Методика поверки утверждается при внесении приборов в Госреестр. Поверка биметаллических термометров выполняется в термостатах методом сличения с эталонным термометром. По разнице показаний эталонного и поверяемого термометра определяется погрешность биметаллического термометра в нескольких точках шкалы и вариация показаний при нагреве и охлаждении термометра. Необходимо отметить, что нормируемые производителем пределы измерений и пределы показаний термометров могут различаться. Погрешность нормируется только в рамках предела измерения, который может быть меньше, чем предел показаний (вся оцифрованная шкала).
Термометр биметаллический считается отличной альтернативой ртутно-стеклянному жидкостному термометру. О проблеме замены ртутников см. публикации:
Биметаллический термометр
Биметаллический термометр — это прибор для измерения температуры, принцип работы которого основан на расширении и сжатии твердых тел.
Биметаллический термометр
Прочность биметаллических термометров делает их приемлемыми для промышленного применения. Более того, биметаллические термометры способны противостоять температурам за пределами диапазона измерений.
Выход за пределы диапазона измерений означает, что термометр подвергается воздействию температур, которые либо выше, либо ниже самых высоких или самых низких показаний температуры на шкале термометра.
Схема биметаллического термометра
Что касается недостатков, то металлы, из которых изготавливаются биметаллические элементы термометров подвержены одному существенному дефекту, который отсутствует в жидкостных системах или манометрических системах. Так металлы могут закаливаться при воздействии температур свыше 1000°C в течение длительного времени. Закаливание биметаллических элементов понижает их чувствительность к изменениям температуры. Когда это происходит, то элемент не будет расширяться и как обычно при нагревании и сжиматься как обычно при охлаждении. Поэтому при повышении температуры стрелка не будет двигаться пропорционально повышению температуры. Когда температура будет понижаться, то стрелка не будет перемещаться пропорционально понижению температуры. Биметаллический элемент с закаленным элементом может слабо реагировать на повышение температуры и сильно реагировать на понижение температуры.
Принцип работы биметаллического термометра
У биметаллического термометра есть стрелка и шкала, с которой ведется отсчет показаний. Трубка биметаллического термометра служит в качестве контейнера, куда помещается для стержня и биметаллического элемента.
Биметаллический стержень (стержень, изготовленный из двух различных металлов, скрепленных вместе) может использоваться в качестве компенсатора в манометрических системах. Биметаллический элемент биметаллического термометра сходен с биметаллическим стержнем. Он также изготовлен из двух различных металлов, которые сжимаются или расширяются с различной степенью при изменениях температуры. Металл верхней части при нагревании расширяется больше, чем нижний, поэтому стержень изгибается в направлении, показанном на рисунке ниже. Металл наверху также сильнее сжимается при охлаждении и заставляет стержень изгибаться в противоположном направлении.
Биметаллический элемент реагирует на изменения температуры
Виды биметаллических термометров
Спиральный
Часто биметаллические элементы биметаллических термометров имеют форму спирали. Большинство элементов биметаллических термометров должны раскручиваться при нагревании. Однако это вовсе не обязательно. Некоторые, наоборот закручиваются при нагревании. Независимо от конструкции, направление движения элемента термометра будет известно и стрелка покажет изменения температуры.
Спиральный элемент реагирует на изменения температуры
Элемент, показанный на рисунке выше должен раскручиваться при нагревании. Когда этот спиральный элемент нагревается, то в ответ на повышение температуры он старается распрямиться. Подобное движение спирального элемента двигает стрелку в сторону более высоких показаний по шкале. Когда температура понижается, то спираль закручивается и стрелка двигается в сторону более низких показаний. Скручивание и распрямление спирального элемента пропорционально изменениям температуры Спиральные элементы используются в биметаллических термометрах вместо элементов в виде стержня, так как спиральный элемент занимает меньше места, чем элемент прямой формы. Кроме того, спиральный элемент обеспечивает больший ход стрелки, что в свою очередь, означает большую чувствительность к изменениям температуры.
Геликоид
Иногда спиральные элементы оказываются слишком плоскими и широкими, чтобы их можно применять в промышленности. Например, измерение температуры технологической жидкости, проходящей по большой трубе достаточно затруднено, так как потребуется датчик достаточно большой длины, чтобы он соприкасался с жидкостью. Для таких измерений температуры биметаллические термометры должны иметь удлиненный или длинный спиральный элемент. Удлиненный спиральный элемент носит название пространственной спирали или геликоида. Когда пространственная спираль нагревается, то она в результате раскручивается. Подобное раскручивание двигает ось, которая в свою очередь, передвигает стрелку по шкале в сторону более высоких показаний. При охлаждении пространственная спираль скручивается и двигает стрелку в сторону более низких показаний.
Геликоид реагирует на изменения температуры
С многоступенчатой спиралью
Некоторые биметаллические термометры используют многоступенчатые спирали. Многоступенчатые пространственные спирали состоят из двух или более концентрических витков (витков внутри других витков), но тем не менее, это один биметаллический элемент. Многоступенчатая пространственная спираль работает по такому же принципу, как и унифилярная спираль. Она раскручивается при увеличении температуры и скручивается при понижении температуры. Многоступенчатая пространственная спираль занимает меньше места чем унифилярная спираль, но она способна обеспечить больший ход стрелки, чем унифилярная спираль аналогичного размера. По этой причине многоступенчатые пространственные спирали используются вместо унифилярных спиралей для измерений температуры внутри очень узких труб, или там, где нет места для погружения биметаллического термометра с более длинной унифилярной спиралью.
Многоступенчатые пространственные спирали
Тепловизионный контроль: бесконтактная биометрия против термометров, коронавируса и несознательных сотрудников
Пять секунд — это много или мало? Чтобы выпить горячий кофе — мало, чтобы приложить карту и пройти на работу — много. Но иногда даже из-за такой задержки на проходных образуются очереди, особенно по утрам. А давайте теперь выполним требования по профилактике COVID-19 и начнём измерять температуру у всех входящих? Время прохода увеличится в 3–4 раза, из-за этого появится толпа, и вместо борьбы с вирусом мы получим идеальные условия для его распространения.
Чтобы этого не произошло, нужно либо организовать людей в очередь, либо автоматизировать этот процесс. Во втором варианте необходимо считать температуру сразу у большого числа людей, не нагружая их дополнительными действиями. Это можно сделать, если дополнить систему видеонаблюдения тепловизором и выполнять сразу несколько действий: идентифицировать лица, измерять температуру и определять наличие маски. О том, как работают такие системы, мы говорили на нашей конференции «Биометрия против пандемии» и подробнее расскажем под катом.
Где применяются тепловизионные комплексы
Тепловизор — оптико-электронное устройство, которое «видит» в инфракрасном спектре. Да, это та самая штука из боевиков про лихой спецназ и фильмов про Хищника, которая красиво раскрашивает обычное изображение в красно-синие тона. На практике ничего необычного в ней нет и их используют достаточно широко: тепловизорами определяют положение и форму излучающих тепло объектов и измеряют их температуру.
В промышленности тепловизоры давно применяют для контроля температуры на производственных линиях, промышленного оборудования или трубопроводов. Часто тепловизоры можно заметить по периметру серьёзных объектов: тепловизионные комплексы «видят» тепло, которое излучает человек. С их помощью охранные системы засекают несанкционированное проникновение на объект даже в абсолютной темноте.
Из-за COVID-19 тепловизоры всё чаще интегрируются с системами биометрической идентификации для контроля доступом. Например, интегрированные в «БиоСКУД» (комплексное решение Ростелекома, которое разрабатывается и производится в России) тепловизионные устройства могут измерять температуру людей, отслеживать перемещение и выделять отдельных лиц с повышенной температурой.
Обязательных нормативов по применению тепловизионных систем в России нет, но есть общая рекомендация Роспотребнадзора, согласно которой необходимо контролировать температуру всех посетителей и сотрудников. И тепловизионные комплексы делают это почти мгновенно, не требуя от сотрудников и посетителей дополнительных действий.
Как работают системы для потокового бесконтактного измерения температуры
Основа системы — тепловизионный комплекс из тепловизионной и обычной камер, которые упакованы в общий корпус. Если вы идёте по коридору, а вам в лицо смотрит пухлая двуглазая камера — это и есть тепловизор. Шутники-китайцы иногда делают их в белом корпусе и добавляют небольшие «ушки», чтобы они были больше похожи на панд.
Простая оптика нужна для интеграции с «БиоСКУД» и работы алгоритмов распознавания лиц — для идентификации и проверки наличия средств индивидуальной защиты (масок) у входящих. Дополнительно через обычную камеру можно контролировать дистанцию между людьми или между людьми и оборудованием. В программном обеспечении видеоинформация о результатах измерения отображается в привычном для оператора виде.
Чтобы тепловизор реагировал только на температуру людей, в нём уже прописан алгоритм детектирования лиц. Оборудование считывает температуру с термальной матрицы в нужных точках — в данном случае в области лба. Без этого «фильтра» тепловизор срабатывал бы на чашки горячего кофе, лампочки накаливания и т. д. Среди дополнительных функций — контроль наличия средств защиты и соблюдения дистанции.
Обычно на входе в помещения тепловизионные комплексы интегрируются с системами контроля и управления доступом. Комплекс подключается к серверу, который обрабатывает поступающие данные алгоритмами видеоаналитики и передаёт их на автоматизированное рабочее место оператора (АРМ).
Если тепловизионная камера определяет повышенную температуру, то обычная камера снимает фото посетителя и отправляет в систему контроля для идентификации с базой сотрудников или посетителей.
Калибровка тепловизионных комплексов: от эталонных образцов к машинному обучению
Для настройки и работы потокового бесконтактного измерения температуры обычно применяют абсолютно чёрное тело (АЧТ), которое при любой температуре поглощает электромагнитное излучение во всех диапазонах. Оно устанавливается в поле зрения тепловизионной камеры и используется для калибровки тепловизора. В АЧТ поддерживается эталонная температура 32–40 °С (в зависимости от производителя), с которой оборудование «сверяется» каждый раз, измеряя температуру других объектов.
Пользоваться такой системой неудобно. Так, для корректной работы тепловизора чёрное тело должно 10–15 минут прогреваться до нужной температуры. На одном объекте на ночь отключали тепловизионный комплекс, а утром АЧТ не успевало как следует нагреться. В результате у всех входящих в начале смены фиксировалась повышенная температура. Позже разобрались, теперь тепловизионный комплекс на ночь не отключают.
Сейчас мы разрабатываем экспериментальную технологию, которая позволяет обойтись без АЧТ. Оказалось, что наша кожа по своим характеристикам близка к абсолютно чёрному телу, и лицо человека можно использовать как эталон. Мы знаем, что у большинства людей температура тела — 36,6 °С. Если, например, в течение 10 минут отслеживать людей с одинаковой температурой и принять эту температуру за 36,6 °С, то можно откалибровать тепловизор по их лицам. Эта технология, реализованная с помощью искусственного интеллекта, показывает неплохие результаты — не хуже, чем у тепловизионных комплексов с АЧТ.
Там же, где АЧТ по-прежнему используется, искусственный интеллект помогает в калибровке тепловизоров. Дело в том, что большинство тепловизионных комплексов предполагает ручную установку тепловизора и его настройку на АЧТ. Но тогда при изменениях условий калибровку приходится делать заново, иначе тепловизоры начинают показывать температуру с отклонениями или реагировать на посетителей с нормальной температурой. Ручная калибровка — та ещё радость, поэтому мы разработали модуль на основе искусственного интеллекта, который отвечает за обнаружение АЧТ и настраивает всё сам.
Можно ли замаскироваться от алгоритмов
Искусственный интеллект и машинное обучение часто используются в бесконтактной биометрии. На плечи ИИ ложатся детектирование лиц в потоке для измерения температуры, игнорирование посторонних объектов (горячая чашка с кофе или чаем, элементы освещения, электроника). Ну а обучение алгоритмов на распознавание лиц в масках — must have любой системы с 2018 года, ещё до коронавируса: на Ближнем Востоке люди закрывают значительную часть лица по религиозным соображениям, а во многих азиатских странах давно используют маски для защиты от гриппа или городского смога. Распознать наполовину скрытое лицо сложнее, но и алгоритмы совершенствуются: сегодня нейросети детектируют лица в масках с такой же вероятностью, как год назад без масок.
Казалось бы, что проблемой при идентификации должны были стать маски и другие средства индивидуальной защиты. Но на практике ни наличие маски, ни изменение причёски или формы очков не влияют на точность распознавания. Алгоритмы для детектирования лиц используют точки из области глаза-уши-нос, которые остаются открытыми.
Единственная «отказная» ситуация из нашей практики связана с изменением внешности при помощи пластической хирургии. Сотрудница после пластической операции не смогла пройти через турникеты: биометрические процессоры не смогли её идентифицировать. Пришлось обновлять фото, чтобы доступ по геометрии лица снова заработал.
Возможности тепловизионных комплексов
Точность измерения и её скорость зависят от разрешения матрицы тепловизора и других его характеристик. Но за любой матрицей стоит ПО: за определение объектов в кадре, за их идентификацию и фильтрацию отвечает алгоритм видеоаналитики.
Например, алгоритм одного из комплексов измеряет температуру у 20 человек одновременно. Пропускная способность комплекса — до 400 человек в минуту, этого достаточно для использования на крупных промышленных предприятиях, в аэропортах и на вокзалах. При этом тепловизоры фиксируют температуру на расстоянии до 9 метров с точностью плюс-минус 0,3 °С.
Есть комплексы попроще. Однако и они могут эффективно справляться со своими задачами. Одно из решений – интеграция тепловизора в рамку металлодетектора. Такой комплект оборудования подойдёт для пропускных пунктов с небольшим потоком посетителей – до 40 человек в минуту. Подобное оборудование детектирует лица людей и измеряет температуру с точностью до 0,5 °С на расстоянии до 1 метра.
Проблемы при работе с тепловизорами
Бесконтактное измерение температуры людей в потоке пока нельзя назвать совершенным. Например, если в холодную погоду человек долго был на улице, на входе тепловизор покажет температуру на 1–2 °С ниже реальной. Из-за этого система может пропустить на объект людей с повышенной температурой. Это можно решить разными способами, например:
Термометры манометрические и биметаллические. Принцип действия, устройство, характеристики, типы и виды манометрических и биметаллических термометров.
Рис. 1. Схема манометрического термометра :
1 — термобаллон; 2 — капилляр; 3 — манометр
Реальное уравнение шкалы несколько отличается от линейного, однако это отклонение незначительно и можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров являются равномерными.
Изменение температуры окружающего воздуха влияет на расширение рабочего вещества в капилляре и манометрической пружине, что вызывает изменение давления в термосистеме и соответствующее изменение показаний термометра. Для уменьшения этого влияния уменьшают отношение внутреннего объема пружины и капилляра к объему термобаллона, для чего увеличивают длину термобаллона и его диаметр.
Класс точности газовых термометров 1 или 1,5. Они могут выпускаться показывающими или самопишущими, могут снабжаться дополнительными устройствами.
В связи с тем, что давление в термосистеме зависит только от измеряемой температуры, на показания термометра не будет оказывать влияние температура окружающей среды. Имеет место гидростатическая погрешность, вызываемая разностью высот расположения термобаллона и измерительного прибора. Для уменьшения этой погрешности длина капилляра не должна превышать 25 м. Барометрическая погрешность у конденсационных манометрических термометров может иметь место на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико. В остальных случаях влияние барометрического давления будет пренебрежимо мало.
Конденсационные термометры выпускаются показывающими, дополнительно они могут оснащаться электроконтактными устройствами. Класс термометров 1 или 1,5.
В жидкостных манометрических термометрах погрешность, вызванная изменением барометрического давления, как правило, отсутствует, так как давление в системе значительно. Погрешность, вызываемая изменением температуры окружающей среды, имеет место и в жидкостных манометрических термометрах. Для ее уменьшения применяют различные способы температурной компенсации.
В жидкостных манометрических термометрах может иметь место гидростатическая погрешность, возникающая при различных уровнях расположения термобаллона и измерительного прибора. Для снижения возможных гидростатических погрешностей длину капилляра уменьшают до 10м. Жидкостные термометры выпускаются показывающими класса 1 или 1,5.
Манометрические термометры могут работать в условиях вибрации, а также во взрывоопасных и пожароопасных помещениях. Источники погрешностей термометров: изменение барометрического давления и температуры окружающей среды, характер взаимного расположения термобаллона и манометра. В табл. 1 приведены некоторые технические характеристики показывающих манометрических термометров ТГП-100М1 (газовые), ТКП-100М1 (конденсационные), ТЖП-100 (жидкостные). Для термометров ТКП-100М1 предельная основная погрешность устанавливается для последних двух третей температурной шкалы, а на первой трети не регламентируется.
Технические характеристики манометрических термометров
Дистанционное измерение температуры тела: контроль сотрудников и посетителей
Сканирование температуры сотрудников и посетителей становится обыденностью – оно уже давно стало ежедневной рутиной на многих предприятиях. Еще год назад большинство организаций справлялись с помощью сотрудника на входе, оснащенного бесконтактным градусником. Сейчас многие приходят к решению автоматизировать данную задачу и устанавливают специализированные системы измерения температуры посетителей.
Принципы определения температуры человеческого тела
Все приборы, существующие на рынке, используют для определения степени нагрева объектов инфракрасное излучение, излучаемого его поверхностью. Чем оно сильнее, тем горячее поверхность объекта.
Но устройство детекции этого излучения может быть несколько различным. Очень упрощенно его можно представить так:
Способы бесконтактного замера температуры тела
Рассмотрим, какое оборудование существует на рынке для решения задачи дистанционного выявления лиц с повышенной температурой тела:
Именно ручные медицинские пирометры стали «первого выбора» в 2020 году. И именно их сейчас повсеместно заменяют на более удобные автоматизированные системы.
Проанализируем плюсы и минусы этих решений на примере оборудования бренда ZKTeco и Dahua.
Стационарные бесконтактные термометры.
Данные устройства выполнены как стойка, на которой находится инфракрасный датчик, измеряющий температуру. Считывание данных проводится с запястья или лба человека на заданном производителем расстоянии. Одновременно с этим может проводиться идентификация человека по лицу (если термометр снабжен камерой с распознаванием лиц) и запись данных идентификации совместно с данными измерений температуры.
Бесконтактные инфракрасные термометры ZKTeco ZK-TD200 и ZK-TD100 проводят сканирование с интервалом 2 секунды и имеют точность измерений 0,3-0,5°C. Их легко перемещать и устанавливать в другое место. Если измеренная температура превышает пороговое значение, то устройства выдают сигнал тревоги.
Биометрические терминалы с функцией контроля температуры
Одно из самых удобных и практичных решений для компаний, в которых имеется внутренняя система доступа. При входе биометрический терминал не только идентифицирует сотрудника, но и проводит температурный контроль с помощью инфракрасных датчиков или тепловизионной камеры. Если сотрудник или посетитель имеют признаки лихорадки, то раздается сигнал тревоги и проход блокируется.
Остальные различия смотрите в таблице:
Терминалы ZKTeco могут дополнительно определять, надета ли маска на лице человека. Если маски не обнаружено, то раздается сигнал тревоги. Наличие маски благодаря современным алгоритмам не мешает проводить измерения и идентификацию.
Среди преимуществ биометрических терминалов можно отметить их широкий функционал. Современные устройства гибко встраиваются в систему контроля доступа на предприятии и позволяют распознавать сотрудников и регистрировать посетителей, предоставлять им доступ в различные помещения, повышая защиту сотрудников и посетителей от вирусных угроз с помощью бесконтактных методов идентификации.
Благодаря новой версии прошивки терминалов, можно организовать еще проверку QR-кодов для подтверждения о прохождении вакцинации посетителей или об отрицательном ПЦР тесте на коронавирусную инфекцию. По результатам проверки посетителям либо разрешается доступ, либо раздается сигнал о запрете прохода.
Тепловизоры для измерения температуры тела
Разделяют портативные и стационарные тепловизоры. Портативные модели могут устанавливаться на штативах, различных креплениях и функционировать, как стационарные модели.
Для задач видеонаблюдения и контроля доступа часто используют либо связку видеокамеры и тепловизора, либо устройство, соединяющее эти функции в одном корпусе, то есть тепловизионные камеры. От обычных камер они отличаются 2 объективами на фронтальной панели.
Чтобы сканировать температуру человеческого тела, можно использовать только специально предназначенные для этого тепловизоры. Их настройки позволяют снизить погрешность измерения до минимальных значений, что важно при сканировании людей. Промышленные тепловизоры имеют слишком большую погрешность, которая может дать как большое количество ложных тревог, так и пропустить людей с признаками инфекционных заболеваний.
Для получения требуемой точности данных в тепловизорах используются 2 разных метода:
Тепловизионные системы позволяют работать с потоком людей, что важно в общественных местах, как вокзалы, метро, больницы, школы, стадионы и прочие.
И, хотя данные решения дороже терминалов или стационарных бесконтактных термометров, но возможности их шире, а функционал, несомненно, будет полезен для организаций с повышенными требованиями к используемому оборудованию, такими как высокая скорость проведения измерений, интенсивность потока людей, точность замеров, количество ошибок.
Среди тепловизионных систем можно отметить тепловизионные камеры DAHUA для определения температуры тела. Камеры полностью готовы к использованию в общественных местах и упрощают внедрение системы на предприятии.
Достоинства тепловизионных комплексов:
Тепловизионные комплексы и камеры имеют некоторые ограничения, которые необходимо учитывать при их внедрении:
Другие способы детекции посетителей и сотрудников с признаками инфекционных заболеваний
На рынке существуют еще и другие устройства для определения людей с признаками инфекционных заболеваний, например:
Подобные решения обычно удобны для прохода большого количества людей, быстро развертываются и настраиваются. Кроме того, они мобильны и позволяют устанавливать их в любом удобном месте.
