MLX90614 für berührungslose Infrarot-Temperaturmessung

Der MLX90614ESF-AAA-000-TU ist ein werkseitig kalibriertes Infrarotthermometer im vierpoligen TO-39-Metallgehäuse. Thermopile-Detektor und Signalaufbereitung befinden sich im selben Gehäuse. Der Host kann Gehäuse- und Objekttemperatur über eine SMBus-kompatible Schnittstelle auslesen oder einen konfigurierten PWM-Ausgang verwenden. Das optische Fenster auf der Oberseite muss zum Messobjekt zeigen und darf weder von Bauteilen noch von Leitungen oder Gehäusestrukturen verdeckt werden.

Gemessen wird Wärmestrahlung und keine Kontakttemperatur. Zielgröße, Abstand, Sichtfeld, Emissionsgrad, reflektierte Strahlung und die thermische Umgebung des Sensors bestimmen deshalb das Ergebnis. Die elektrische Anbindung ist überschaubar; häufig entscheidet erst die optische und thermische Konstruktion darüber, ob die Messung im geschlossenen Gerät stabil bleibt.

Die vollständige Bestellbezeichnung ist verbindlich. Varianten unterscheiden sich bei Versorgung, Temperaturklasse, Gradientkompensation, Sichtfeld sowie Ein- oder Zweizonenfunktion. Schaltplan, Stückliste, Footprint, Softwareparameter und Prüfgrenzen müssen denselben vollständigen Suffix verwenden.

Zuerst die zu messende Oberfläche festlegen

Eine laufende Walze, eine Lebensmitteloberfläche, ein Kunststoffgehäuse und die menschliche Haut stellen unterschiedliche Anforderungen an Emissionsgrad, Geometrie, Reaktionszeit und Sicherheit. Material, Oberflächenzustand, Temperaturbereich, kleinste sichtbare Fläche, Bewegung und zulässiger Abstand gehören in die Spezifikation. Benötigt die Anwendung eine Kern- oder Innentemperatur hinter einer undurchsichtigen Wand, ist eine andere Messmethode erforderlich.

Das Sichtfeld vollständig mit dem Ziel füllen

Mit wachsendem Abstand wird die erfasste Fläche größer. Zudem besitzt die Winkelantwort keine scharf begrenzte Kante. Das Ziel sollte am größten Arbeitsabstand deutlich größer als der wirksame Messfleck sein. Bei der Erprobung wird das reale Ziel seitlich und axial verschoben. So zeigt sich, ab welcher Lage ein kälterer Halter oder ein wärmerer Hintergrund das Ergebnis verändert.

Das obere TO-39-Fenster freihalten

Das Metallgehäuse hat vier gerade Durchsteckanschlüsse; die optische Öffnung liegt auf seiner Oberseite. Die optische Achse muss nach außen zum Ziel zeigen. Hohe Kondensatoren, Steckerwände, Kabelschlaufen und Gehäuserippen bleiben außerhalb des Sichtfelds. Eine kleine Abschattung nahe am Fenster kann einen großen Winkelbereich abdecken. Gewöhnlicher transparenter Kunststoff ist nicht automatisch für langwellige Infrarotstrahlung durchlässig.

Den Emissionsgrad beherrschen

Lackierte, oxidierte und organische Flächen lassen sich meist zuverlässiger messen als poliertes Metall. Ziele mit niedrigem Emissionsgrad spiegeln Strahlung von Heizungen, Lampen, Personen oder Maschinen. Dann ändert sich der Messwert mit der Umgebung, obwohl das Ziel gleich warm bleibt. Oberflächenfinish und Fertigungsstreuung werden dokumentiert; wenn möglich, wird eine beständige Fläche mit hohem Emissionsgrad vorgesehen.

Objekt- und Gehäusetemperatur getrennt betrachten

Der MLX90614 liefert neben der berechneten Objekttemperatur einen internen Umgebungskanal. Dieser beschreibt den thermischen Zustand des Sensorgehäuses und entspricht nicht zwangsläufig Raumluft, Leiterplatte oder Gehäusewand. Beim Aufwärmen, bei Luftströmung und beim Schalten benachbarter Lasten werden beide Werte aufgezeichnet. Ein schneller interner Temperaturwechsel bei konstantem Ziel weist auf Wärmeeintrag, Sonneneinstrahlung oder einen Gehäusegradienten hin.

Thermische Gradienten am Sensor reduzieren

Regler, Prozessoren, Funkstufen, Leistungswiderstände und Leuchten werden vom TO-39-Gehäuse ferngehalten. Die Kupferflächen an den vier Anschlüssen können Wärme asymmetrisch einleiten; ein Luftstrom kann nur eine Seite kühlen. Das lokale Layout sollte thermisch symmetrisch sein, und ein heißer Strompfad gehört nicht unter den Sensor. Neben stationären Punkten werden Kaltstart, Funkbetrieb, Lüfterstart, Gehäuseschluss und Sonneneinstrahlung geprüft.

Die richtige Versorgungsversion wählen

Die Familie umfasst nominelle 3-V- und 5-V-Ausführungen. Laut Datenblatt arbeiten Bxx- und Dxx-Varianten von 2,6 V bis 3,6 V, Axx-Varianten von 4,5 V bis 5,5 V. Maßgeblich ist der Suffix. Ein lokaler Abblockkondensator sitzt nahe VDD mit kurzem Rückweg. Einschaltanstieg und Wartezeit werden eingehalten, bevor Messwerte freigegeben werden.

Die SMBus-Schnittstelle sauber auslegen

Takt- und bidirektionale Datenleitung benötigen Pull-ups, die zu Spannung, Buskapazität, Timing und Senkstrom passen. Der spezifizierte Taktbereich liegt zwischen 10 kHz und 100 kHz; die Standardadresse ist 0x5A. Beim Lesen werden Paketprüfsumme, fehlende Bestätigung, Zeitüberschreitung und Fehlerbit behandelt. Ein Temperaturwort entspricht 0,02 K pro LSB; für Celsius wird nach der Skalierung 273,15 abgezogen.

PWM und Schlafmodus bewusst konfigurieren

Bereich, Periode und Einschaltverhalten des PWM-Ausgangs hängen von EEPROM-Einstellungen ab. Die Systembeschreibung muss festlegen, ob nach dem Start SMBus, PWM oder Temperaturwarnung erwartet wird. Das Aufwecken aus dem Schlafmodus erfordert die dokumentierte SDA-Sequenz und eine Wartezeit. Andere Teilnehmer am gemeinsamen Bus müssen diesen Ablauf vertragen. EEPROM wird nicht während jeder normalen Messung neu beschrieben.

Adressen für mehrere Sensoren vorsehen

Mehrere neue Sensoren können dieselbe Standardadresse besitzen. Eine Fertigungsvorrichtung muss jeweils nur einen Sensor verbinden, eine eindeutige Adresse schreiben und sie der Einbauposition zuordnen. Lösch-, Schreib- und Wartezeiten werden eingehalten und ein Spannungsabbruch verhindert. Auch ein Ersatzteil erhält Adresse und Betriebsart, bevor es an den gemeinsamen Bus kommt.

Den Infrarotweg im Gehäuse prüfen

Die Öffnung muss den Strahlengang über alle Toleranzen freigeben und darf keinen tiefen reflektierenden Tunnel bilden. Ist ein Schutzfenster nötig, werden infrarotdurchlässiges Material, Dicke, Beschichtung und Winkel spezifiziert. Transmission und Reflexion sind bei Temperatur, Feuchte, Verschmutzung und Alterung zu prüfen. Staub, Kondensat, Fett und Schutzfolien verändern das optische Verhalten.

Reflexionen bei niedrigem Emissionsgrad erfassen

Poliertes Metall spiegelt häufig mehr Wärmestrahlung aus der Umgebung, als es selbst abgibt. Schon ein anderer Blickwinkel kann daher den angezeigten Wert verschieben. Die Prüfung erfolgt mit realen Hintergrundtemperaturen und Winkeln. Personen und warme Geräte bleiben aus dem spiegelnden Strahlengang. Lassen sich Oberfläche und Umgebung nicht kontrollieren, wird eine größere Systemunsicherheit angegeben.

Genauigkeit und Auflösung richtig einordnen

Angaben wie 0,5°C gelten nur unter definierten Bedingungen, etwa für bestimmte Bereiche von Gehäuse- und Objekttemperatur. Sie sind kein Versprechen für jeden Suffix, jede Entfernung, jede Oberfläche und jedes Fenster. Auch 0,02°C digitale Auflösung entspricht nicht der Gesamtgenauigkeit. Sensorgrenze, Referenzquelle, Emissionsgrad, Zielausfüllung, Reflexion, Fenster und Gradient gehören in das Unsicherheitsbudget.

Mit kontrollierten Temperaturquellen qualifizieren

Ein kalibrierter Schwarzkörper oder eine andere stabile Quelle mit hohem Emissionsgrad füllt das gesamte Sichtfeld. Geprüft werden mehrere Objekt- und Umgebungstemperaturen, Abstände und Versätze. Rohwerte, Referenztemperatur, Versorgung, Geometrie und Zeit werden gemeinsam gespeichert. Danach folgen Serienmaterialien, kalte und warme Hintergründe, Luftstrom, Fenster und Verschmutzung.

Fehler in der Software sichtbar halten

Paketprüfsumme und Fehlerbit werden geprüft, unplausible Werte verworfen und wiederholte Kommunikationsfehler gemeldet. Die Filterzeit passt zum thermischen Prozess; ein langer Mittelwert kann eine schnelle Übertemperaturmeldung verzögern. Für die Diagnose bleiben Rohwert, umgerechnete Temperatur, Gehäusetemperatur, Adresse und Betriebsart erhalten.

Optik und Elektrik gemeinsam freigeben

Vor der Freigabe werden vollständige Bestellbezeichnung, vierpoliges TO-39, oberes optisches Fenster, Zielgröße, Abstand, Sichtfeld, Emissionsgrad, Reflexionsumgebung und Schutzfenster geprüft. Dazu kommen thermische Isolation, Versorgung, Abblockung, Pull-ups, Adresse, Fehlerprüfung, Einheiten, PWM und Schlafsequenz. Erst die gemeinsame Kontrolle von optischer Szene, Gehäusetemperatur und Schnittstelle macht den MLX90614 zu einem verlässlichen berührungslosen Messkanal.