Index of /rozprawy2/10580

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie WYDZIAŁ INFORMATYKI, ELEKTRONIKI I TELEKOMUNIKACJI. KRZYSZTOF BOROŃ. TERMICZNA MATRYCA ODCZYTOWA DLA NIEWIDOMYCH PRACA DOKTORSKA. Praca została sfinansowana w ramach projektu badawczego nr R0203101 przez Komitet Badań Naukowych. PROMOTOR: Prof. dr hab. inż. Andrzej Kos. KRAKÓW, 2012.

(2) Podziękowania. Pragnę podziękować prof. Andrzejowi Kosowi za okazaną pomoc, zapewnienie doskonałych warunków pracy i prowadzenia badań, cenne uwagi oraz sugestie, wreszcie za cierpliwość w oczekiwaniu na końcowy rezultat rozprawy doktorskiej. Dziękuję też za wyrozumiałość, życzliwość i zaangażowanie okazane mi podczas kilkuletniej opieki naukowej.. Pani Izabeli Kaiser oraz uczniom i nauczycielom ze Specjalnego Ośrodka SzkolnoWychowawczego dla Dzieci Niewidomych i Słabowidzących w Krakowie składam gorące podziękowania za poświęcony czas, wnioski i pomoc w przygotowaniu i przeprowadzeniu ćwiczeń z użyciem termicznej protezy dla niewidomych.. Chciałbym podziękować też dr. inż. Zbigniewowi Magońskiemu oraz dr inż. Barbarze Dziurdzi za sugestie i pomoc w zakresie technologii grubowarstwowej.. Pracę doktorską dedykuję mojej żonie Annie której składam serdecznie podziękowania za pomoc i motywację do pisania niniejszej rozprawy.. 1.

(3) Spis treści. Spis treści Wykaz używanych skrótów i oznaczeń ..................................................................................... 4 Rozdział 1 Wprowadzenie ........................................................................................................................... 8 Geneza pracy .......................................................................................................................... 8 Cel pracy............................................................................................................................... 11 Teza pracy ............................................................................................................................ 12 Układ pracy .......................................................................................................................... 12 Rozdział 2 Zjawiska termiczne i termoelektryczne ................................................................................... 15 Zjawisko Joule’a................................................................................................................... 16 Przewodzenie ciepła ............................................................................................................. 16 Zjawisko Seebecka ............................................................................................................... 17 Zjawisko Peltiera .................................................................................................................. 19 Zjawisko Thomsona ............................................................................................................. 21 Rozdział 3 Model termiczny wybranych części dłoni oraz termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych. .......................................................................................... 22 Rezystancja termiczna mikromodułu Peltiera ...................................................................... 25 Pojemność cieplna mikromodułu Peltiera ............................................................................ 27 Rezystancja termiczna fragmentu skóry palca ..................................................................... 31 Pojemność cieplna fragmentu skóry palca ........................................................................... 33 Pomiary parametrów termicznych różnych fragmentów skóry dłoni .................................. 35 Rozdział 4 Budowa ekranu dotykowego ................................................................................................... 37 Pierwsze znaki cieplne ......................................................................................................... 37. 2.

(4) Spis treści. Pierwszy ekran dotykowy..................................................................................................... 41 Automatyczna regulacja temperatury ................................................................................... 45 Zasilanie mikromodułów Peltiera......................................................................................... 48 Realizacja fizyczna matrycy na podłożu alundowym .......................................................... 55 Dynamiczne sterowanie........................................................................................................ 60 Przesterowanie...................................................................................................................... 62 Budowa termicznej protezy dla niewidomych ..................................................................... 63 Płytki obwodów drukowanych oraz schematy ..................................................................... 66 Interfejs programu komputerowego ..................................................................................... 72 Rozdział 5 Przeprowadzenie ćwiczeń z udziałem osób niewidomych ...................................................... 74 Metoda przeprowadzenia ćwiczeń ....................................................................................... 74 Metoda przeprowadzenia ćwiczeń z udziałem osób niewidomych...................................... 76 Technika wykonywania ćwiczeń.......................................................................................... 80 Wyniki z ćwiczeń w rozpoznawaniu grafiki termicznej ...................................................... 82 Wnioski z przeprowadzonych ćwiczeń ................................................................................ 85 Rozdział 6 Podsumowanie ......................................................................................................................... 87 Bibliografia .............................................................................................................................. 92. 3.

(5) Wykaz używanych skrótów i oznaczeń. Wykaz używanych skrótów i oznaczeń. Definicje: Osoba prawnie niewidoma. – osoba, która nie widzi całkowicie lub której pole widzenia jest mniejsze od 10 stopni. PCB. – płytka obwodów drukowanych. MCPCB. – płytka obwodów drukowanych wykonanych na metalowym podłożu (ang. Metal Core Printed Circuit Boards). TEC. – termoelektryczny element chłodzący – moduł Peltiera. MEMS. – system mikro elektro mechaniczny (ang. Micro Electro Mechanical System) – bit o najmniejszej wadze (ang. Least Significant Bit). LSB. mikromoduł Peltiera  mikropompa Peltiera  mikropompa ciepła  TEC. Symbol:. Opis:. Jednostka:. A – pierwszy materiał z którego wykonano złącze termoelektryczne ....................... [-] B – drugi materiał z którego wykonano złącze termoelektryczne .............................. [-] C.O.P.. –. współczynnik. wydajności. chłodniczej. (ang.. Coefficient. Of Performance) ................................................................................................... [-] Cth – pojemność cieplna ............................................................................................. [J/K] Cth_F – pojemność cieplna fragmentu skóry palca .................................................... [J/K] Cth_P – pojemność cieplna mikromodułu Peltiera ..................................................... [J/K] I – natężenie prądu .................................................................................................... [A] IP – natężenie prądu przepływającego przez mikromoduł Peltiera .......................... [A]. 4.

(6) Wykaz używanych skrótów i oznaczeń. PF_J – moc cieplna wynikająca z prawa Joule’a wydzielana na dotkniętym mikromodule Peltiera ........................................................................................... [W] PJ – moc cieplna wynikająca z prawa Joule’a .......................................................... [W] Q – ciepło .................................................................................................................. [J] Qcold – ciepło wypompowane ze strony chłodzonej TEC ......................................... [J] QP – ciepło zmagazynowane w Cth_P ....................................................................... [J] R – rezystancja .......................................................................................................... [] R2 – współczynnik determinacji ............................................................................... [-] Rth – rezystancja termiczna ....................................................................................... [K/W] Rth_F – rezystancja termiczna fragmentu skóry palca ............................................... [K/W] Rth_P – rezystancja termiczna mikromodułu Peltiera ................................................ [K/W] SA – współczynnik Seebecka materiału A złącza termoelektrycznego ..................... [V/K] SB – współczynnik Seebecka materiału B złącza termoelektrycznego ..................... [V/K] t – czas ...................................................................................................................... [s] TA – temperatura otoczenia ....................................................................................... [K] TF – temperatura skóry palca .................................................................................... [K] TP – temperatura górnej powierzchni mikromodułu Peltiera ................................... [K] TS – temperatura symulowana na podstawie modelu termicznego ........................... [K] U α – napięcie Seebecka ............................................................................................. [V] ΔIP – zmiana natężenia prądu IP ................................................................................ [A] ΔQP+F – zmiana energii cieplnej zmagazynowanej w Cth_P i Cth_F .......................... [J] ΔT – różnica temperatur między dwoma ciałami (punktami pomiarowymi) ........... [K] ΔTOH – przyrost temperatury podczas chwilowego przegrzania .............................. [K]. TP – różnica temperatur między dwoma stronami modułu Peltiera ....................... [K]  – współczynnik Seebecka dla określonego złącza ................................................ [V/K]. 5.

(7) Wykaz używanych skrótów i oznaczeń.  – strumień ciepła ................................................................................................... [W]  F_P – strumień ciepła wywołany efektem Peltiera w dotkniętym mikromodule .... [W]  F_P-H – strumień ciepła przepływający z radiatora do górnej, dotykanej części mikromodułu Peltiera ........................................................................................... [W].  P-H – strumień ciepła przepływający z radiatora do górnej niedotykanej powierzchni mikromodułu Peltiera ...................................................................... [W].  C_F – strumień ciepła wpływającego do pojemności cieplnej palca C th_F ............. [W]  C_P – strumień ciepła wpływającego do pojemności cieplnej C th_P ...................... [W]  H-P – strumień ciepła przepływający z górnej ciepłej strony przez rezystancję termiczną do dolnej zimnej strony mikromodułu Peltiera. .................................. [W].  P – strumień ciepła wywołany efektem Peltiera ...................................................... [W] n – przewodność termiczna właściwa dla Bi2Te3 typu n.......................................... [W/(m·K)] p – przewodność termiczna właściwa dla Bi2Te3 typu p ......................................... [W/(m·K)] П AB – współczynnik Peltiera dla złącza zbudowanego z materiałów A i B ............ [V]. n - rezystancja elektryczna właściwa dla Bi2Te3 typu n........................................... [/m] p - rezystancja elektryczna właściwa dla Bi2Te3 typu p .......................................... [/m] τP – stała czasowa układu Cth_P i R th_P .................................................................... [s]. 6.

(8) "Może słowa potrzebują ciepła, gdy się rodzą od nowa” Wiesław Myśliwski. 7.

(9) Rozdział 1. Rozdział 1 Wprowadzenie. W pierwszym rozdziale autor rozprawy opisał sposoby rozpoznawania tekstu oraz grafiki przez osoby niewidome. O ile czytanie tekstu jest zagadnieniem dobrze opracowanym i powszechnie stosowanym przez niewidomych, to przygotowanie grafiki a zwłaszcza obrazów zmienianych dynamicznie, wciąż nie jest rozwinięte w sposób umożliwiający powszechne zastosowanie i wymaga dalszych badań. W dalszej części rozdziału zawarto tezy rozprawy, cel pracy doktorskiej z podziałem na cele szczegółowe oraz opisano układ pracy.. Geneza pracy 1 Statystycznie na świecie żyje około 39 milionów osób prawnie niewidomych, stanowi to około 0,6 % populacji [1]. Polski związek niewidomych zrzesza ponad 65 tysięcy członków. Pomimo, że jest to bardzo liczna grupa, trudno spotkać te osoby w przestrzeni publicznej, ponieważ większość z nich nie opuszcza swojego miejsca zamieszkania. Osoby niewidome korzystają z wielu urządzeń wspomagających codzienne życie, w tym naukę i zdobywanie informacji. Najbardziej znanymi atrybutami osób niewidomych są biała laska oraz alfabet Braille'a. Osoby prawnie niewidome kształcące się z wykorzystaniem pisma brajlowskiego znacznie lepiej radzą sobie na rynku zawodowym niż osoby niewidome, które podczas edukacji korzystały tylko z tekstu czarnodrukowego. W stanie Waszyngton w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej odkryto, że wśród osób, które używały pisma Braille'a w czasie edukacji około 44 procent jest bezrobotnych, natomiast wśród osób niewidomych, które nie używały pisma Braille'a w czasie edukacji aż 77 procent pozostaje bezrobotnych [2]. Dowodzi to potrzebie edukacji osób niewidomych. Obecnie większość dzieci niewidomych uczy się pisma wypukłego, jednakże tylko około 10 % z nich korzysta z niego, jako sposobu pozyskiwania informacji [3]. Jest to związane z dwoma czynnikami. Po pierwsze dostęp do czasopism i książek drukowanych brajlem jest bardzo ograniczony. W Polsce wydawanych jest tylko sześć. 8.

(10) Rozdział 1. czasopism w wersji brajlowskiej. Książki wprawdzie są dostępne, jednak są znacznie droższe od czarnodrukowych, a biblioteki dla niewidomych znajdują się tylko w dużych miastach. Drugim powodem dla którego niewidomi odchodzą od pisma wypukłego jest rozwój elektroniki. Wraz z rozwojem komputerów, Internetu, monitorów brajlowskich, programów udźwiękawiających oraz programów syntezy mowy osoby niewidome zyskały ogromną bazę danych, z której mogą łatwo korzystać. Większość programów komputerowych oraz stron internetowych może być odczytana przez programy syntezy mowy [4] [5] [6] oraz programy udźwiękawiające. Program udźwiękawiający (ang. screen-reader) [7] [8] [9] [10] przygotowuje informacje opisujące środowisko pracy i treść dokumentu, które następnie są przekazywane do syntezatora mowy i/lub monitora brajlowskiego. Monitor brajlowski [11] [12] umożliwia wprowadzenie tekstu do komputera za pomocą klawiatury brajlowskiej oraz odczytanie tekstu na wbudowanej piezoelektrycznej komputera. linijce. brajlowskiej.. Osoby. niewidome. często. wprowadzają tekst do. używając zwykłej klawiatury. Do korekty tekstu używają najczęściej linijek. brajlowskich generujących znaki Braille'a za pomocą ruchomych igieł. Powyższe sprawdzone rozwiązania ułatwiają osobom niewidomym komunikację,. uczenie,. rozwijanie pasji oraz. umożliwiają wkraczanie w nowe zawody do niedawna zamknięte dla niewidomych. Odczytanie grafiki przez osoby niewidome możliwe jest za pomocą drukowanych punktów wypukłych – tak samo jak w piśmie Braille'a. Innym sposobem jest użycie papieru mikrokapsułkowego, który pęcznieje pod wpływem ciepła w urządzeniu podobnym do kserokopiarki. W ośrodkach nauczania osób niewidomych dostępne są specjalne makiety przedstawiające obrazy, mapy, budowle lub. inne przedmioty wykonane za pomocą wyklejanek, odlewów, rzeźb lub. kartonowych modeli [13]. Wszystkie te sposoby wymagają ogromnego nakładu pracy i wcześniejszego przygotowania. Odczytywanie. przez. zagadnieniem. popularnym. wyświetlania. pisma. osoby w. Braille'a. niewidome literaturze lub. informacji. światowej.. informacji. elektromechanicznych [14] w których solenoid powierzchnię urządzenia.. Do. zmienianych. Zaprezentowane. graficznych. z. dynamicznie zostały. użyciem. jest. sposoby elementów. powoduje wysunięcie tępej igły ponad. nowoczesnych sposobów generowania punktów wypukłych. można zaliczyć wykorzystanie elektroaktywnych polimerów [15] [16] wyginających się pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego, materiałów piezoelektrycznych [17], układów pneumatycznych [18], termopneumatycznych [19], a nawet systemów MEMS [20]. Ze wszystkich. wymienionych. w powszechnym. użytku. są. tylko. materiały. piezoelektryczne. wykorzystywane w monitorach brajlowskich oraz w urządzeniu Optacon opracowanym przez. 9.

(11) Rozdział 1. współpracujące firmy Canon Inc. oraz Telesensory [21]. Urządzenie Optacon przekazuje obraz z niewielkiej kamery na ekran dotykowy zawierający 144 drgające, tępo zakończone igły. Producent sprzedał około piętnastu tysięcy sztuk po czym w 1996 roku wycofał się z produkcji tego urządzenia skupiając się na bardziej rokujących skanerach z optycznym rozpoznawaniem tekstu. Obecnie główną rolę w świecie Internetu pełni przekaz wizualny. Grafika umożliwia szybsze i łatwiejsze przekazanie informacji osobom, które mogą ją zobaczyć. Jeżeli obraz na stronie internetowej został opisany to syntezator mowy może ten opis przeczytać i w ten sposób przekazać czytającemu. Niestety najczęściej grafika internetowa jest zupełnie nieprzygotowana dla niewidomych użytkowników. Do niedawna nie było na rynku urządzeń umożliwiających przedstawienie grafiki bezpośrednio z komputera. Dopiero w 2003 roku firma KGS Corporation wprowadziła do sprzedaży na rynek USA, a na rynek światowy w 2008 roku, produkt ‘Dot View’ o rozdzielczości 24 x 36 pikseli umożliwiający przedstawienie grafiki za pomocą wypukłych tempo zakończonych igieł [22]. W dniu dzisiejszym na polskim rynku produkty te oferuje firma Altix w cenie odpowiednio 31128 PLN za urządzenie o rozdzielczości 24 x 36 pikseli i 44566 PLN za urządzenie ‘Dot View 2’ o rozdzielczości 48 x 36 pikseli [23]. Ostatnio pojawiła się informacja o urządzeniu dla osób niewidomych które przekazuje informacje z video kamery do protezy trzymanej na języku, która na matrycy elektrod generuje impulsy elektryczne [24] wyświetlając w ten sposób kontury obrazu. Pierwsza idea generowania znaków termicznych umożliwiających przekazanie informacji osobom niewidomym polegała na kontrolowanym generowaniu ciepła w matrycy rezystorów lub diod świecących w zakresie podczerwieni w celu otrzymania pojedynczych znaków termicznych. [25].. Eksperymenty. pokazały. możliwość. rozpoznawania. ciepłych. punktów,. jednakże rozwiązania te miały wspólną wadę – bardzo długi czas oczekiwania na schłodzenie panelu dotykowego po wygenerowaniu znaku cieplnego. Patent. własny. w termicznym. promotora. ekranie. niniejszej. dotykowym. polega. rozprawy na. z. użyciem. umieszczeniu. mikromodułów. mikromodułów. Peltiera. Peltiera. na. wspólnym radiatorze - rys. 1. – i generowaniu ciepłych lub zimnych znaków [26].. 10.

(12) Rozdział 1. Idea generowania znaków cieplnych. Rys. 1.. Moduł Peltiera potrzebuje mniej energii elektrycznej niż rezystor lub dioda pracująca w zakresie podczerwieni aby utrzymać zadaną temperaturę punktów ciepłych [27].. Cel pracy. Celem. pracy. jest. wykonanie. termicznego. ekranu. dotykowego. przeznaczonego. dla. niewidomych, za pomocą którego osoba niewidoma poprzez dotykanie punktów o zadanej temperaturze może poczuć ciepłe lub zimne znaki i rozpoznać prezentowaną grafikę lub tekst. Urządzenie bazuje na innowacyjnym wykorzystaniu mikromodułów Peltiera jako punktów dotykowych. Zmiana temperatury każdego punktu powinna być jak najszybsza aby umożliwić szybką zmianę treści. Zakres temperatur każdego punktu dotykowego musi mieścić się w bezpiecznych granicach. Przewidziano wykonanie kilku wersji urządzenia, testowanie ich przez. autora. rozprawy. oraz. osoby. niewidome.. Po. wykonaniu. ostatniego. prototypu. przygotowano ćwiczenia mające na celu naukę rozpoznawania treści generowanych termicznie. Przeprowadzenie serii ćwiczeń z udziałem osób niewidomych i ich nauczyciela pozwoliło na przeprowadzenie rozpoznawalności. analizy czasu potrzebnego generowanych. kształtów.. do. poprawnego. Wykonanie. odczytu oraz sprawdzenia. modelu. termicznego. umożliwia. dobranie właściwego modułu Peltiera do parametrów termicznych skóry człowieka tak, aby zapewnić dopasowanie termiczne i zmniejszyć zużycie energii. Dla osiągnięcia głównego celu postawiono następujące cele szczegółowe:. 11.

(13) Rozdział 1. . Wybór modułu Peltiera pracującego jako odwracalne źródło ciepła.. . Analiza możliwości sterowania miniaturowym modułem Peltiera za pomocą niewielkich gabarytowo układów w taki sposób, aby zminimalizować energię zużytą w układzie sterowania, a jednocześnie umożliwić budowę dużego ekranu dotykowego.. . Wykonanie kilku wersji urządzenia w celu sprawdzenia metody generowania znaków.. . Przeprowadzenie testów z osobami niewidomymi. Wprowadzanie ulepszeń na podstawie opinii testujących.. . Wykonanie urządzenia wyświetlającego obrazy graficzne.. . Przygotowanie. oprogramowania. umożliwiającego. osobie. niewidomej. oraz. jej. nauczycielowi pracę z urządzeniem. . Przygotowanie. oraz. przeprowadzenie. testów. przez. jak. największą. grupę. osób. niewidomych. Sprawdzenie poprawności odczytu oraz pomiar czasu potrzebnego do rozpoznania znaków graficznych. . Wykonanie modelu opisującego układ punkt cieplny – skóra człowieka odwzorowującego zjawiska fizyczne mające wpływ na rozpoznawanie znaków.. Teza pracy. Zastosowanie. odwracalnych. źródeł. ciepła. w. termicznej. matrycy. odczytowej. dla. niewidomych polepsza postrzeganie znaków i symboli graficznych, a także przyczynia się do oszczędności energii zasilania.. Układ pracy. Podczas opracowywania termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych wykorzystano wiedzę z kilku obszarów nauki, łącząc je aby skonstruować jedno nowe urządzenie - rys. 2. . Z obszaru nauk fizycznych wykorzystano zjawisko Peltiera do wygenerowania punktów cieplnych o ustawionej temperaturze. Sam moduł Peltiera wraz z efektem Seebecka występującym w TEC innowacyjnie wykorzystano do pomiaru temperatury punków. 12.

(14) Rozdział 1. dotykanych.. Wykonany model termiczny umożliwia przeprowadzenie symulacji zmian. temperatury mikromodułu Peltiera oraz pomiar wartości współczynników termicznych skóry człowieka. . W ramach elektroniki systemowej zaprojektowano, wykonano oraz zaprogramowano kilka prototypów urządzenia.. Wybrano. sposób zasilania mikromodułów Peltiera tak, aby. umożliwić pomiar napięcia Seebecka oraz zminimalizować straty energii. Wykorzystanie napięcia Seebecka pozwoliło na regulację temperatury w pętli sprzężenia zwrotnego oraz na znaczne przyspieszenie zmian temperatury każdego. punktu cieplnego. Wykorzystanie. technologii grubowarstwowej pozwoliło na wykonanie płytek obwodów drukowanych na podłożu alundowym będącym dobrym przewodnikiem ciepła. . Z zakresu informatyki wykorzystano dwa języki programowania: C++ w narzędziu Microsoft Visual Studio 2005, język Basic przystosowany do mikrokontrolerów rodziny AVR® firmy Atmel – program Bascom – oraz program AVR Studio wykorzystywany przy debugowaniu. programu.. Końcowe. urządzenie zawiera kilkadziesiąt mikrokontrolerów. zaprogramowanych tak, aby każdy punkt cieplny był utrzymywany w zadanej temperaturze. Termiczny ekran dotykowy komunikuje się z komputerem PC wymieniając dane na temat ustawionej oraz rzeczywistej temperatury każdego punktu dotykowego. Interfejs programu komputerowego wykonano w taki sposób, aby umożliwić przeprowadzenie ćwiczeń z udziałem niewidomych. . Do przeprowadzenia ćwiczeń wykorzystano wiedzę dydaktyczną o orientacji przestrzennej. Wybór kształtów zadanych osobom niewidomym do rozpoznania jest zgodny ze sposobami nauczania rozpoznawania kształtów wypukłych. Wszystkie ćwiczenia wykonane przez niewidomych. odbywały. się. z. udziałem. ich. nauczycieli. i/lub. opiekunów.. Testy. przeprowadzane przez niewidomych na kolejnych wersjach urządzenia miały wpływ na udoskonalenia i końcowy kształt termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych.. 13.

(15) Rozdział 1. Rys. 2.. Schemat działania termicznego ekranu dotykowego z uwzględnieniem różnych dziedzin nauki zastosowanych w urządzeniu.. Praca zawiera sześć rozdziałów. Niniejszy rozdział pierwszy jest wprowadzeniem do rozprawy. W rozdziale drugim przedstawiono opis zjawisk termicznych i termoelektrycznych mających wpływ na pracę termicznej protezy dla niewidomych. W rozdziale trzecim znajduje się model termicznej protezy dla niewidomych. Z uwagi na charakter pracy urządzenia skupiono się na modelowaniu termicznym. W rozdziale czwartym opisano projekt, budowę oraz działanie termicznej protezy dla niewidomych. W rozdziale piątym zawarto wyniki z przeprowadzonych ćwiczeń z udziałem osób niewidomych, analizę statystyczną oraz sugestie osób testujących urządzenie. W rozdziale szóstym dokonano podsumowania rozprawy oraz przedstawiono wypływające z niej wnioski. W bibliografii zawarto cytowane artykuły oraz patent dotyczący urządzenia.. 14.

(16) Rozdział 2. Rozdział 2 Zjawiska termiczne i termoelektryczne 2 W rozdziale opisano zjawiska termiczne i termoelektryczne mające wpływ na pracę układu. Podstawowymi zjawiskami termicznymi występującymi w każdym układzie jest zjawisko Joule’a oraz przewodzenie ciepła między ciałami charakteryzującymi się rezystancją termiczną i pojemnością cieplną. Ze względu na opisywany układ: radiator – moduł Peltiera – skóra człowieka, zakres temperatur oraz małe rozmiary mikromodułów Peltiera, konwekcja i radiacja zostały. pominięte.. Zastosowanie. układu. Peltiera. wymaga. przytoczenia. zjawisk. termoelektrycznych, które opisują wzajemną konwersję napięcia elektrycznego między dwoma punktami metali lub półprzewodników na różnicę temperatur między tymi punktami. Zjawiska termoelektryczne zachodzą pod warunkiem, że przewodniki lub półprzewodniki różnią się gęstością nośników prądu, która zależy od materiału i temperatury [28] [29] [30]. Jeżeli materiały A i B złącza termoelektrycznego charakteryzują się różną koncentracją nośników prądu to na złączu występuje napięcie zwane napięciem termoelektrycznym. Gdy złącza dwóch przewodników lub półprzewodników znajdują się w tej samej temperaturze to napięcia termoelektryczne na obu złączach równoważą się i nie występuje przepływ prądu. Przepływ prądu w obwodzie zachodzi na skutek różnicy napięć termoelektrycznych pomiędzy złączami pod dwoma warunkami. Pierwszym warunkiem jest, że dwa złącza muszą znajdować się w różnych temperaturach. Drugi warunek polega na tym, że współczynniki Seebecka SA oraz SB dla materiałów z których wykonano złącze muszą być od siebie różne i różne od zera. Efekty termoelektryczne są wykorzystywane do generowania energii elektrycznej, pomiaru temperatury a także. w układach chłodzących lub. stabilizujących temperaturę.. Zjawisko Thomsona. występujące na ścieżkach obwodów drukowanych czy wewnątrz modułów Peltiera zostało opisane, jednak ze względu na jego małe znaczenie w przypadku płytek PCB oraz uwzględnienie zjawiska Thomsona w algorytmie programu symulującego moduły Peltiera [31] za pomocą którego wykonano model termiczny nie jest ono uwzględniane w dalszych obliczeniach.. 15.

(17) Rozdział 2. Zjawisko Joule’a. Zjawisko Joule’a polega na wydzielaniu ciepła przy przepływie prądu elektrycznego przez materiał o niezerowej rezystancji. Zgodnie z prawem Joule’a ilość ciepła wytworzonego przez prąd elektryczny o natężeniu I przepływający przez ciało o rezystancji R w czasie τ wytworzy ciepło Q zgodnie ze wzorem: (2.1) lub ogólnie: (). ∫. (2.2). Przewodzenie ciepła. Przewodzenie ciepła pomiędzy ciałami fizycznymi będącymi w różnych temperaturach oraz przez ciało fizyczne na którym występuje gradient temperatury polega na przekazywaniu energii kinetycznej między cząsteczkami będącymi w nieuporządkowanym ruchu w wyniku zderzeń tych cząstek. Efektem przewodnictwa cieplnego jest przekazanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Przewodzenie ciepła można opisać w warunkach laboratoryjnych równaniem różniczkowym Fouriera zgodnie z prawem Fouriera [32] [33]. Ze względu na skomplikowanie oraz geometryczną budowę układu składającego się z wielu materiałów: radiator – mikromoduł Peltiera – skóra człowieka dość trudnym jest obliczenie poprawnych wartości strumieni ciepła. Autor rozprawy nie dotarł do źródeł opisujących wartości. współczynników. przewodzenia. ciepła. dla. małej. powierzchni. skóry. palca,. mikromodułu Peltiera oraz ich kontaktu. W celu empirycznego przybliżenia ilości energii potrzebnej do utrzymania temperatury punktu cieplnego, zmiany temperatury tego punktu a następnie opracowania wystarczająco wiernego modelu termicznego można wykorzystać rezystancję termiczną i pojemność cieplną. . (2.3). 16.

(18) Rozdział 2. Gdzie  to strumień ciepła przepływający przez rezystancję termiczną Rth ciała fizycznego z miejsca o temperaturze T1 do miejsca o temperaturze T2 . Pojemność cieplna Cth charakteryzuje ciało fizyczne i określa ilość ciepła ΔQ potrzebną do zmiany temperatury tego ciała o ΔT. (2.4). Zjawisko Seebecka. Zjawisko Seebecka [34] jest bezpośrednią przemianą gradientu temperatury w energię elektryczną. Zostało wstępnie opisane przez Thomasa Johanna Seebecka w 1821 roku, który zauważył odchylanie igły kompasu umieszczonego przy zamkniętej pętli obwodu elektrycznego wykonanego z przewodów dwóch metali, gdzie miejsca styku metali umieszczono w różnych temperaturach. Igła kompasu odchyliła się, ponieważ metale zareagowały inaczej na różnicę temperatur wywołując przepływ prądu w pętli. Efektem przepływu prądu było wytworzone pole magnetyczne. Ponieważ Thomas Johann Seebeck zajmował się głównie magnetyzmem a nie elektrycznością,. zjawisko. zostało. nazwane przez Seebecka efektem termomagnetycznym.. Zjawisko zostało ponownie opisane przez duńskiego fizyka Hansa Christiana Ørsteda, który utworzył termin „termoelektryczność”. Wytworzone napięcie, współczynników. zwane napięciem Seebecka. Seebecka. SB. i. SA. U α,. odpowiednich. dla. można opisać jako różnicę zastosowanych. metali. lub. półprzewodników pomnożonych przez różnicę temperatur w których znajdują się złącza. (. ) (. ). (2.5). Wyrażenie (2.5) jest prawdziwe przy uproszczeniu, że współczynniki Seebecka SA oraz SB są stabilne w zastosowanym zakresie temperatur. W rzeczywistości współczynniki Seebecka są zależne od temperatury i do przeprowadzania obliczeń wykorzystuje się dane empiryczne z tablicami. współczynników.. Zjawisko. Seebecka. znajduje. powszechne. zastosowanie. w termoparach do pomiaru temperatury. Napięcie wywołane przez pojedynczą termoparę zwykle jest rzędu dziesiątek µV/K dla metali oraz setek µV/K dla półprzewodników. W celu zwiększenia napięcia wyjściowego stosuje się stosy termoelektryczne czyli termopary połączone elektrycznie szeregowo a termicznie równolegle. Moduł Peltiera ma budowę tożsamą ze stosem. 17.

(19) Rozdział 2. termoelektrycznym i może. być. wykorzystywany. do. pomiaru różnicy temperatur.. Dla. określonego złącza lub stosu termoelektrycznego stosuje się wyrażenie: (2.6) Gdzie  jest współczynnikiem Seebecka dla stosu termoelektrycznego zbudowanego z określonych złącz.. 18.

(20) Rozdział 2. Zjawisko Peltiera. Efekt Peltiera jest zjawiskiem odwrotnym do zjawiska Seebecka i opisuje transport ciepła na złączach dwóch metali lub półprzewodników przez które przepływa prąd elektryczny. Prąd przepływający przez złącze złożone z materiałów A i B z rys. 3. , powoduje generowanie ciepła w jednym złączu a pochłaniane w drugim [35] [36].. Rys. 3.. Schemat. działania. modułu. Peltiera. wykonanego. z. kostek. wykonanych. z domieszkowanego tellurku bizmutu typu N oraz P przylutowanych do płytki miedzianej. Teoretycznie w górnej – ogrzewanej części układu z rys. 3. znajdują się cztery złącza: tellurek bizmutu typu P – spoiwo lutownicze, spoiwo lutownicze – miedź, miedź – spoiwo lutownicze, spoiwo lutownicze – tellurek bizmutu typu N. Ponieważ wszystkie te złącza mają podobną temperaturę to przyjmuje się, że zjawisko Peltiera zachodzi między półprzewodnikami pomijając obecność metali.. 19.

(21) Rozdział 2. Strumień ciepła  P przepływający z zimnej strony na ciepłą jest proporcjonalny do przepływającego prądu i wynosi: . (2.7). Gdzie П AB jest współczynnikiem Peltiera dla określonej temperatury układu z rys. 3. Współczynnik Π AB jest charakterystyczny dla złącza wykonanego z materiałów A i B oraz jest zależny od temperatury. Zjawisko Peltiera polega na zmianie temperatury elektronów przepływających przez złącze. Dla modułów Peltiera określa się współczynnik wydajności chłodniczej C.O.P (ang. Coefficient Of Performance) [37] jako stosunek energii wypompowanej Qcold ze strony chłodzonej do energii elektrycznej W wykorzystywanej przez pompę ciepła. (2.8) Na rys. 4. znajdują się wykresy współczynnika C.O.P w zależności od różnicy temperatur między stronami mikromodułu Peltiera dla różnych prądów zasilania.. Rys. 4.. Zależności C.O.P od różnicy temperatur dla kilku prądów sterowania dla zastosowanego w urządzeniu mikromodułu Peltiera 1MT03-08-13 [37]. 20.

(22) Rozdział 2. Zjawisko Thomsona. Zjawisko Thomsona opisuje ogrzewanie lub schładzanie przewodnika elektrycznego przez który przepływa prąd, a którego końce umieszczono w różnych temperaturach [38]. Zjawisko zostało opisane przez Williama Thomsona w 1851 roku. Każdy przewodnik prądu, z wyjątkiem nadprzewodników,. umieszczony. w. gradiencie. temperatur. emituje. lub. absorbuje ciepło. w zależności od kierunku przepływu prądu oraz materiału. Efekt Thomsona może być dodatni lub ujemny zależnie od materiału. Dodatni efekt Thomsona występuje w metalach takich jak np.: miedź lub cynk gdy przepływ prądu z ciepłego do zimnego końca przewodnika powoduje powstawanie ciepła wzdłuż przewodnika. Natomiast w metalach takich jak kobalt, nikiel, żelazo przepływ prądu z ciepłego do zimnego końca powoduje pochłanianie ciepła z otoczenia czyli jest to negatywny efekt Thomsona. Współczynnik Thomsona dla ołowiu jest bliski zeru natomiast dla nadprzewodników jest równy zero.. 21.

(23) Rozdział 3. Rozdział 3 Model termiczny wybranych części dłoni oraz termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych. 3 W tym rozdziale autor rozprawy zaproponował model termiczny oraz metodę wyznaczania parametrów termicznych pojedynczego punktu cieplnego w termicznym ekranie dotykowym dla niewidomych oraz parametry termiczne wybranych części ludzkiej ręki. Przeprowadzone symulacje umożliwiły sprawdzenie dopasowania zastosowanego. mikromodułu Peltiera. do. parametrów termicznych skóry. Wykonany model termiczny oraz zaproponowany sposób przeprowadzania pomiarów mogą być wykorzystywane przy modelowaniu termicznym ciała ludzkiego. Rozpoznawanie znaków cieplnych generowanych przez urządzenie najłatwiejsze.. Znajomość. parametrów. termicznych. skóry. pozwala. powinno. być jak. właściwie. sterować. temperaturą punktu dotykowego. Istnieje wiele publikacji na temat właściwości termicznych ludzkiej skóry [39] [40] [41]. Jednakże, znając przewodność termiczną właściwą oraz pojemność cieplną właściwą skóry nie można wyznaczyć wartości tych parametrów dla ściśle określonego, małego obszaru skóry, ponieważ grubość i objętość skóry dotykającej punkt cieplny jest nieznana. Dodatkowo warunki brzegowe są mało precyzyjnie określone. Podczas dotykania ogrzewana jest część skóry, która dotyka mikromodułu Peltiera oraz pośrednio jej otoczenie. Zatem wyznaczone parametry termiczne dotyczą dla tego konkretnego pomiaru i nie powinny być używane przy skalowaniu. Istnieje wiele modeli modułów Peltiera [42] [43] opisujących ilość transportowanego ciepła w funkcji prądu zasilania i różnicy temperatur. Doskonale oddają one ideę działania pomp ciepła i przybliżają ilość transportowanej energii w stanie ustalonym przyjmując niezależność parametrów materiałów od temperatury [44]. W rzeczywistości parametry materiałowe, tak istotne jak np. koncentracja swobodnych nośników prądu, współczynnik Seebecka - rys. 5. , przewodność termiczna i przewodność elektryczna - rys. 6. , są bardzo zależne od temperatury i muszą być brane pod uwagę przy założeniu wiarygodnego modelowania [31] [45].. 22.

(24) Rozdział 3. Rys. 5.. Zależność temperaturowa współczynników Seebecka dla Bi2 Te3 typu n oraz typu p [31].. Rys. 6.. Temperaturowa zależność rezystancji elektrycznej właściwej dla Bi2 Te3 typu n oraz typu p [31].. 23.

(25) Rozdział 3. Większość producentów modułów Peltiera podaje tylko podstawowe parametry, czyli maksymalne wartości mocy chłodzenia, prądu zasilania i temperatury strony ciepłej. Producent zastosowanych mikromodułów Peltiera udostępnia program komputerowy TEC CAD 2.1h [46], za pomocą którego można symulować działanie TEC w różnych warunkach pracy. Algorytm działania. programu. symulacyjnego. uwzględnia. wszystkie. opisane. efekty. fizyczne. oraz. empiryczne tabele zależności parametrów od temperatury dla konkretnego zastosowanego mikromodułu. Peltiera. [31].. Korzystając. z. programu. uproszczono. wyznaczanie. tablic. współczynników potrzebnych do budowy modelu termicznego protezy dla niewidomych. Opracowany model termiczny [47] urządzenia przewiduje odpowiedź termiczną powierzchni skóry, pojedynczego punktu cieplnego oraz strumień cieplny wpływający do skóry zarówno podczas dotykania jak. i włączania/wyłączania punktu cieplnego. W modelu określono. rezystancję i pojemność cieplną powierzchni skóry oraz pojedynczego punktu cieplnego. Statyczne pomiary temperatur zostały przeprowadzone za pomocą pirometru. Dla zmierzenia zmian temperatury górnej części mikromodułu Peltiera wykorzystano napięcie Seebecka [48].. 24.

(26) Rozdział 3. Rezystancja termiczna mikromodułu Peltiera. Podczas wyznaczania rezystancji termicznej pomiędzy górną częścią mikromodułu Peltiera a radiatorem ogrzewaną powierzchnię pokryto styropianem dla zapewnienia dobrej izolacji termicznej. Pomiarów dokonano w dwudziestu punktach zmieniając prąd zasilania od 10 mA do 100 mA. Znając wartości strumienia ciepła ΦP pompowanego z zimnej-dolnej do górnej-ciepłej części mikromodułu Peltiera, wartości mocy PJ wynikającej z prawa Joule’a oraz różnicę temperatur TP między ciepłą a zimną częścią mikromodułu Peltiera można wyznaczyć rezystancję termiczną mikromodułu Peltiera Rth_P jako: (3.1) (3.2) Temperaturę TP ciepłej górnej części mikromodułu Peltiera mierzono za pomocą pirometru, temperaturę zimnej dolnej części, która jest równa temperaturze otoczenia TA, za pomocą termistora umieszczonego na radiatorze. Moc elektryczna PJ została odczytana z zasilacza. Wartości strumienia ciepła ΦP pompowanego ze strony zimnej ustalono za pomocą programu TEC CAD 2.1h udostępnianego przez producenta mikromodułów Peltiera firmę RMTLtd. Wartości te odczytano z wykresów Standard Plot przy znanych parametrach: temperatury otoczenia, zmierzonym prądzie i znanej różnicy temperatur między ciepłą a zimną stroną mikromodułu Peltiera. Jeżeli mikromoduł Peltiera jest zasilany prądem o natężeniu mniejszym od prądu optymalnego [37] wówczas moc PJ generowana wewnątrz TEC jest w całości transportowana do strony ciepłej. Przy takim ograniczeniu strumień ciepła ΦP-H przepływający z radiatora do górnej powierzchni mikromodułu Peltiera jest określony wzorem (3.3): (3.3) Rys. 7. przedstawia zmierzoną moc cieplną Joule’a, strumień ciepła wypompowanego oraz ich sumę w funkcji różnicy temperatur.. 25.

(27) Rozdział 3. Rys. 7.. Zmierzone wartości mocy cieplnej PJ, strumienia ciepła ΦP oraz ich suma ΦP-H w funkcji różnicy temperatur ΔT między górną a dolną częścią mikromodułu Peltiera.. Na. podstawie. wzoru (3.1) oraz przeprowadzonych pomiarów wyznaczono. wartość. rezystancji termicznej mikromodułu Peltiera Rth_P w funkcji TP.. Rys. 8.. Rezystancja. termiczna. mikromodułu. Peltiera. w. funkcji różnicy temperatur. pomiędzy ciepłą, a zimną stroną mikromodułu Peltiera. Wzór empiryczny, linię trendu oraz wartość współczynnika determinacji R2 podano na wykresie.. Zgodnie z rys. 8. wartość rezystancji termicznej mikromodułu Peltiera jest nieznacznie zależna od różnicy temperatur i wynosi około 360 K/W dla różnicy temperatur 8 K, czyli dla 26.

(28) Rozdział 3. temperatury punktu dotykowego wynoszącej 305 K (32 °C) co odpowiada przeciętnej temperaturze skóry palca. Empirycznie wyznaczona liniowa zależność zmierzonej rezystancji Rth_P od temperatury jest lokalnym przybliżeniem tej zależności dla szerszego zakresu temperatur [31].. Pojemność cieplna mikromodułu Peltiera. W celu wyznaczenia pojemności cieplnej mikromodułu Peltiera Cth_P umieszczonego na radiatorze dokonano pomiaru oscylogramu temperatury po włączeniu punktu cieplnego - rys. 9. W trakcie przeprowadzania pomiarów pojemności cieplnej mikromoduł Peltiera był zasilany stałym napięciem 0,5 V. Górna ciepła strona była izolowana termicznie, dolna strona została przylutowana do bardzo dużego radiatora, którego wymiary zapewniły stabilność temperatury dolnej. powierzchni. mikromodułu. Peltiera.. Temperaturę. powierzchni górnej. wyznaczono. mierząc napięcie Seebecka na okresowo wyłączanym mikromodule. Pomiaru dokonywano co 10 ms.. Rys. 9.. Wykres temperatury górnej części mikromodułu Peltiera po włączeniu zasilania. TP – temperatura obliczona na podstawie zmierzonego napięcia Seebecka, TS – wykres temperatury będący wynikiem symulacji modelu termicznego.. Bazując tylko na wykresie z rys. 9. nie można bezpośrednio wyznaczyć stałej czasowej układu, (3.4). 27.

(29) Rozdział 3. a następnie pojemności cieplnej ponieważ sygnał wymuszający, czyli strumień ciepła  P-H transportowany do strony ciepłej mikromodułu Peltiera, jest zmienny w czasie oraz zależy od temperatury TP. Zmierzone wartości temperatury są kombinacją odpowiedzi termicznego układu RC oraz sygnału wymuszającego. Wyliczenie wartości Cth_P oparto na zależności (2.4), czyli na wyznaczeniu ilości ciepła zgromadzonego w Cth_P przy zmianie temperatury górnej powierzchni mikromodułu Peltiera. Na podstawie oscylogramów temperatury górnej powierzchni mikromodułu Peltiera, korzystając z oprogramowania TEC CAD 2.1h wyznaczono prąd IP przepływający przez mikromoduł Peltiera. Następnie dla stałego napięcia zasilania równego 0,5 V odczytano wartości prądu IP , strumienia ciepła  P-H, oraz wartości mocy PJ dla zmierzonych wartości TP. Wyliczenia dokonano tylko dla ośmiu punktów na które pozwalał program. Wzór linii trendu dla przeprowadzonych pomiarów oraz współczynnik determinacji R2 znajdują się na rys. 10.. Rys. 10. Wartości. prądu. IP,. mocy. cieplnej. PJ. „wypompowanego” przez mikromoduł Peltiera. oraz. strumienia. ciepła.  P-H. w funkcji różnicy temperatur. TP między stroną ciepłą a zimną mikromodułu Peltiera. Napięcie zasilania wynosiło 0,5 V.. 28.

(30) Rozdział 3. Wartości na rys. 10. są zależne liniowo od TP w zakresie temperatur pracy urządzenia. Następnie korzystając z wzorów empirycznych wyliczono wartości IP oraz PJ dla pozostałych punktów wykresu temperatury po włączeniu punktu cieplnego - rys. 11. Znając wartości temperatury TP w funkcji czasu po włączeniu punktu cieplnego oraz wartość rezystancji termicznej Rth_P wyznaczono strumień ciepła  H-P przepływający z powrotem z górnej części mikromodułu Peltiera do radiatora (3.5). (3.5) Strumienie ciepła  P-H i  H-P nie są sobie równe – rys. 11. Różnica między tymi dwoma strumieniami ciepła  C_P wpływa do pojemności cieplnej Cth_P mikromodułu Peltiera. (3.6). Rys. 11. Strumień ciepła  P-H wpływający do górnej części mikromodułu Peltiera. Strumień ciepła  H-P przepływający przez rezystancję termiczną mikromodułu Peltiera do radiatora. Strumień ciepła  C_P który wpływa do pojemności cieplnej Cth_P.. Ciepło ΔQP zmagazynowane w Cth_P jest całką strumienia ciepła  C_P wpływającego do pojemności cieplnej od momentu t1 kiedy punkt cieplny został włączony do momentu t2 w którym TP uzyskała wartość maksymalną.. 29.

(31) Rozdział 3. ∫. (3.7). Pojemność termiczna Cth_P została wyliczona z zależności: (3.8) Dla tego pomiaru, ΔQP = 185 mJ, Cth_P = 46 mJ/K. Przedstawiony model termiczny mikromodułu Peltiera został pokazany na rys. 12. i jest on analogiem obwodu elektrycznego. Elementy termiczne przedstawiono jako odpowiadające elementy elektryczne. Strumień ciepła  P-H oraz PJ zastąpiono źródłami prądowymi dla stałych wartości strumienia ciepła i mocy oraz regulowanymi źródłami prądowymi dla wartości zależnych od temperatury zgodnie z wzorem empirycznym z rys. 10. Wykres symulowanej temperatury TS po włączeniu punktu cieplnego został zamieszczony na rys. 9.. Rys. 12. Model termiczny mikromodułu Peltiera.. 30.

(32) Rozdział 3. Rezystancja termiczna fragmentu skóry palca. Obliczona rezystancja termiczna palca Rth_F jest to rezystancja termiczna pomiędzy górną – dotykową powierzchnią mikromodułu Peltiera a wnętrzem palca. Podczas przeprowadzania pomiarów osoba testująca dotykała mikromodułu Peltiera za pomocą bocznej części opuszki palca serdecznego. Dla zmierzenia Rth_F wykonano pomiary temperatury skóry TF, prądu IP przepływającego przez mikromoduł Peltiera oraz napięcie na mikromodule Peltiera. Na podstawie zmierzonych wartości z użyciem programu TEC CAD 2.1h wyliczono strumień ciepła ΦF_P transportowany z radiatora zgodnie ze zjawiskiem Peltiera oraz moc cieplną PF_J generowaną zgodnie z prawem Joule’a. Strumień ciepła ΦF_P-H dostarczony do powierzchni dotykanej jest sumą mocy PF_J oraz strumienia ciepła ΦF_P - rys. 13. (3.9) Podczas przeprowadzania pomiarów napięcie zasilania kontrolowano w taki sposób, aby temperatura TP górnej powierzchni mikromodułu Peltiera odpowiadała pomiarom wykonanym bez dotykania. Dla każdego pomiaru z dotykaniem wykonano pomiar bez dotykania przy identycznej temperaturze TP zmierzonej za pomocą napięcia Seebecka.. Rys. 13.. Strumienie ciepła przy dotykanym micromodule Peltiera w funkcji różnicy temperatur TP – TF.. 31.

(33) Rozdział 3. Dla każdego pomiaru TP strumień ciepła  F_F-P, przepływający z górnej części mikromodułu Peltiera do skóry palca, jest równy strumieniowi ciepła  F_P-H dostarczonego do górnej powierzchni mikromodułu. Peltiera. pomniejszony. o. strumień. ciepła.  P-H który byłby. dostarczony do górnej powierzchni niedotykanego mikromodułu Peltiera. (3.10) Znając temperaturę mikromodułu Peltiera TP, temperaturę palca TF wynoszącą 305 K (32 °C) dla całego okresu pomiarowego, oraz  F_F-P , można wyznaczyć rezystancję termiczną fragmentu skóry palca Rth_F, która dla przeprowadzonych pomiarów wynosi 220 K/W przy temperaturze górnej części mikromodułu Peltiera TP = 323 K (50 °C) – rys. 14. (3.11). Rys. 14.. Wartości rezystancji termicznej części skóry palca w funkcji różnicy temperatur między mikromodułem Peltiera a palcem.. 32.

(34) Rozdział 3. Pojemność cieplna fragmentu skóry palca. Pojemność cieplna części skóry palca Cth_F została wyznaczona podobnie do pojemności termicznej mikromodułu Peltiera Cth_P , czyli poprzez wyliczenie ilości ciepła dostarczonego do palca po włączeniu znaku cieplnego. W tym celu zmierzono przebieg temperatury TF_P górnej dotykanej powierzchni mikromodułu Peltiera po włączeniu zasilania - rys. 15.. Rys. 15. Temperatura górnej powierzchni dotykanego mikromodułu Peltiera zmierzona po włączeniu. punktu. cieplnego. oraz. symulacja. tej. temperatury. na. podstawie. opracowanego modelu.. Następnie bazując na tym pomiarze oraz programie TEC CAD 2.1h, autor rozprawy wyznaczył wartości prądu, mocy PF_J oraz strumienia ciepła  F_P-H. Temperatura palca wynosiła 305 K (32 °C) i była stała podczas pomiarów. Temperatura palca TF została zmierzona po stronie przeciwnej do tej, która dotykała mikromodułu Peltiera. Suma strumieni cieplnych.  C_P +  C_F wpływających zarówno do pojemności cieplnej palca i do pojemności cieplnej mikromodułu Peltiera jest równa  F_P-H pomniejszonemu o strumienie ciepła przepływające przez rezystancje termiczne Rth_P i Rth_F - rys. 16. (3.12). 33.

(35) Rozdział 3. Rys. 16. Strumień ciepła  F_P-H wpływający do górnej części dotykanego mikromodułu Peltiera.. Strumień. mikromodułu. ciepła. Peltiera. do.  F_H-P radiatora. przepływający. przez rezystancję. termiczną. zsumowany ze strumieniem ciepła.  F-P. wpływającym do palca. Strumienie ciepła  C_P +  C_F wpływające do pojemności cieplnych Cth_P + Cth_F.. Zmiana energii ΔQP+F zgromadzona w obu pojemnościach cieplnych w trakcie zmiany temperatury po włączeniu punktu cieplnego jest całką sumy strumieni ciepła  C_P +  C_F. Ta całka zastała policzona od czasu t1, kiedy temperatura TF_P była równa TF do czasu t2, kiedy TF_P osiągnęło temperaturę maksymalną. ∫ (. ). (3.13). Pojemność cieplna fragmentu skóry palca Cth_F: (3.14) Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obliczeń, pojemność cieplna fragmentu skóry palca dotykającej mikromoduł Peltiera wynosi 13,9 mJ/K. Model wykorzystany do przeprowadzenia symulacji znajduje się na rys. 17. Symulowana temperatura górnej powierzchni mikromodułu Peltiera TF_S znajduje się na rys. 15.. 34.

(36) Rozdział 3. Rys. 17.. Model termiczny pojedynczego punktu termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych.. Pomiary parametrów termicznych różnych fragmentów skóry dłoni Pomiary różnych fragmentów skóry dłoni zostały przeprowadzone, podczas ogrzewania oraz chłodzenia górnej powierzchni mikromodułu Peltiera, z udziałem trzech osób, które testowały urządzenie. 1 – osoba z nieco grubszymi palcami 2 – osoba z delikatnymi palcami 3 – osoba w wieku 6 lat Podczas wyświetlania punktów ciepłych do urządzenia zostało podłączone napięcie zasilania równe 0,5 V, podczas wyświetlania punktów zimnych napięcie wynosiło 1 V. Różnica w napięciach zasilania wynika z faktu, że ciepło Joule’a sumuje się ze ciepłem transportowanym zgodnie z efektem Peltiera tylko podczas generowania punktów ciepłych. Podczas chłodzenia napięcie zasilania 0,5 V nie jest wystarczające do obniżenia i stabilizacji temperatury dotykanych punktów w wybranym zakresie temperatur. Testy zostały przeprowadzone dla wybranych obszarów skóry dłoni: a. boczna część opuszki palca serdecznego b. środkowa część opuszki palca wskazującego c. skóra po wewnętrznej stronie nadgarstka Właśnie. te. części dłoni były. często. wykorzystywane. podczas. testowania. urządzenia. w Specjalnym Ośrodku Szkolno – Wychowawczym dla Dzieci Niewidomych i Niedowidzących w Krakowie. Obliczone wartości rezystancji termicznej skóry oraz pojemności cieplnej zostały zawarte w tabeli 1. Temperatura bezwzględna powierzchni dotykanej mikromodułów Peltiera TF_P wynosiła odpowiednio 323 K (50 °C) i 281 K (8 °C).. 35.

(37) Rozdział 3. Tabela 1. Termiczna rezystancja i pojemność cieplna wybranych fragmentów skóry dłoni. Zmierzone parametry wybranych fragmentów skóry dłoni świadczą o tym, że właściwości termiczne skóry człowieka mogą różnić się w zależności od cech personalnych i od miejsca przeprowadzania pomiaru. Środkowa część opuszki palca wskazującego w każdym przypadku charakteryzowała się największą wartością rezystancji termicznej ze wszystkich zmierzonych. Czynnikiem mogącym wpływać na wartości pomiarów są cechy fizjologiczne skóry takie jak pocenie się i termoregulacja, oraz siła z jaką użytkownik dociska palec do urządzenia. Średnia arytmetyczna wartość Rth_F oraz Cth_P z przeprowadzonych pomiarów wynosi odpowiednio 220 K/W oraz 12,5 mJ/K.. 36.

(38) Rozdział 4. Rozdział 4 Budowa ekranu dotykowego 4 Podczas projektowania termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych zostały przyjęte założenia o. rozmiarach pojedynczego. punktu cieplnego. Biorąc pod uwagę możliwość. prezentowania na ekranie dotykowym tekstu za pomocą generowanych termicznie znaków Braille'a uznano, że sześciopunkt Braille'a na ekranie termicznym powinien mieścić się pod jedną opuszką palca. Na podstawie konsultacji z niewidomymi założono, że rozmiar ekranu termicznego powinien być podobny do kartki pocztowej, tj. 10 cm x 15 cm. Na takiej powierzchni użytkownik może dotykać całego ekranu termicznego za pomocą obu dłoni. Poszczególne punkty termiczne prezentowanej grafiki muszą zostać rozpoznane, a następnie wyobrażone. przez. użytkownika.. Wybrana. powierzchnia. możliwością prezentowania skomplikowanej grafiki,. jest. kompromisem. pomiędzy. a łatwością wyobrażenia dotykanego. obrazu.. Pierwsze znaki cieplne. Najbardziej popularną czcionką brajlowską jest „medium Marburger” [49] lub „ECMA Euro Braille” [50], dla której średnica pojedynczego wypukłego punktu wynosi 1,6 mm. Spośród produktów dostępnych na rynku najbliższe gabarytowo wypukłym znakom Braille'a są miniaturowe pompy Peltiera 1MT03-04-13 oraz 1MT03-08-13. Mikromoduł Peltiera 1MT0304-13 charakteryzuje się powierzchnią górną 1 mm x 2 mm oraz maksymalnym strumieniu transportowanego ciepła równym 0,1 W. Mikromoduły Peltiera 1MT03-08-13 są dwukrotnie większe, ich górna powierzchnia to 2 mm x 2 mm, a maksymalny strumień cieplny wynosi 0,19 W. Do przeprowadzenia pierwszych testów zbudowano dwa urządzenia wykorzystujące oba mikromoduły Peltiera. Pierwszy układ [51] (widoczny na rys. 18. składał się z szesnastu mikromodułów Peltiera 1MT03-08-13. Urządzenie umożliwia włączenie punktów zimnych. lub. ciepłych.. 37.

(39) Rozdział 4. Rys. 18. Pierwszy układ wyświetlający znaki cieplne. W tym urządzeniu temperatura wyświetlanych znaków Braille'a jest zależna od napięcia zasilającego mikromoduły Peltiera. Przesyłanie znaków do wyświetlenia odbywa się przez port szeregowy np. za pomocą programu HyperTerminal®. Za pomocą kamery termograficznej MK525 wykonano zdjęcia znaków cieplnych - rys. 19.. Rys. 19. Zdjęcia termograficzne znaków cieplnych wygenerowanych przez pierwszy układ. Wykonany układ udowodnił możliwość generowania znaków cieplnych. Jak widać na pierwszym od prawej zdjęciu z rys. 19. temperatura pewnych punktów zimnych jest inna niż temperatura. pozostałych.. Temperatura. punktów. dotykowych. nie. była. stabilizowana.. Mikropompy Peltiera termicznie oddziaływały wzajemnie na siebie. Do budowy drugiego. 38.

(40) Rozdział 4. układu [52] z rys. 20. wykorzystano mikromoduły Peltiera 1MT03-04-13 oraz zapewniono automatyczną regulację temperatury punktu cieplnego [53].. Rys. 20. Drugi układ wyświetlający znaki cieplne. Na wykonanych zdjęciach termograficznych punkty ciepłe i zimne mają taki sam kolor dla każdego ciepłego lub zimnego punktu dotykowego w zakresie jednego zdjęcia.. Rys. 21. Zdjęcia termograficzne punktów cieplnych wygenerowanych przez drugi układ.. Na podstawie zdjęć można by stwierdzić, że mikromoduły Peltiera 1MT03-04-13 o mniejszej mocy są wystarczające. Wykonano program komputerowy umożliwiający łatwe sterowanie urządzeniem oraz wyświetlający na ekranie temperaturę każdego punktu dotykowego. W dolnej części rys. 22. widoczne są zmiany temperatury punktów zimnych wywołane dotykiem palca. Zastosowany mikromoduł ma zbyt małą moc aby zrekompensować zwiększony strumień ciepła. 39.

(41) Rozdział 4. przepływający do palca podczas wyświetlania punktów zimnych. W przypadku punktów ciepłych temperatura punktu dotykowego jest stabilna podczas dotykania.. Rys. 22. Zmierzone. zmiany. temperatury. mikromodułu. Peltiera. została. punktów. narysowana. cieplnych.. Temperatura. innym kolorem.. każdego. Widoczna zmiana. temperatury punktów zimnych po dotknięciu palcem.. Na. podstawie. wykonanych. obserwacji. zdecydowano. o. wykorzystaniu. większego. mikromodułu Peltiera 1MT03-08-13 do budowy następnych układów. Doświadczenia przeprowadzone na pierwszym układzie z rys. 18. przez osoby niewidome pokazały, że możliwe jest rozpoznanie punktów ciepłych lub zimnych. Jednak odczytanie pojedynczej litery znaku Braille'a na początku ćwiczeń kończyło się błędem w około 90 % przypadków i zajmowało bardzo dużo czasu – nawet jedną minutę. Po około dwóch godzinach ćwiczeń osoba niewidoma rozpoznawała około 50 % wyświetlanych znaków. W tym rozwiązaniu mikropompy Peltiera wystawały ponad powierzchnię panelu dotykowego. Osoba niewidoma miała poważny problem z rozpoznaniem znaków Braille'a między innymi dlatego, że podświadomie zwracała uwagę na nierówności zwykle wykorzystywane przez nią jako punkty wypukłe znaków pisma brajlowskiego. W pierwszym układzie temperatura znaków cieplnych nie jest stabilizowana i zmienia się pod wpływem dotyku. W drugim prototypie z rys. 20. zapewniono gładki panel dotykowy oraz stabilizację temperatury punktów cieplnych. Podczas testów osoba niewidoma rozpoznała około 90 % termicznych znaków Braille'a. Czas. 40.

(42) Rozdział 4. potrzebny na rozpoznanie wynosił zaledwie kilka sekund. Na podstawie zadowalających rezultatów w rozpoznawaniu prostych znaków cieplnych przystąpiono do budowy trzeciego urządzenia mającego za zadanie wyświetlanie grafiki.. Pierwszy ekran dotykowy. W celu określenia optymalnych rozmiarów ekranu termicznego wydrukowano na papierze pęczniejącym figury geometryczne w trzech rozmiarach.. Odległości pomiędzy środkami. poszczególnych punktów wynoszą 5 mm, 7 mm oraz 10 mm. Osoby niewidome zdecydowały, że najłatwiejsze w odczycie są figury dla których odległość między środkami punktów wynosi 7 mm - rys. 23.. Rys. 23. Figury. geometryczne. wydrukowane. na. papierze. pęczniejącym.. Miejsca. zaczernione są wypukłe.. Pierwszy termiczny ekran dotykowy dla niewidomych [48] wykorzystujący zjawisko Peltiera został wykonany na podstawie działającego układu z rys. 20. Ekran zawiera 192 mikromoduły ułożone w 12 wierszy i 16 kolumn - rys. 24. 41.

(43) Rozdział 4. Rys. 24. Pierwszy model termicznego ekranu dotykowego dla niewidomych. Ekran pozwala na wytworzenie grafiki o zadanej przez użytkownika temperaturze. Do komunikacji z komputerem wykonano program, w którym nauczyciel osoby niewidomej może narysować obrazek za pomocą myszki – lewa strona rys. 25. Pole po prawej stronie prezentuje zmierzone temperatury wszystkich punktów dotykowych.. 42.

(44) Rozdział 4. Rys. 25. Interfejs programu komputerowego sterującego pierwszym ekranem dotykowym.. Za pomocą kamery termograficznej MK525 zostały wykonane zdjęcia wygenerowanych obrazków termicznych - rys. 26.. Rys. 26. Zdjęcia. termograficzne. pierwszego. termicznego. ekranu. dotykowego. dla niewidomych. Podczas używania pierwszego ekranu dotykowego zauważono dwa problemy techniczne, które należało rozwiązać. Na środkowym zdjęciu termograficznym z rys. 26. który prezentuje kolejne znaki alfabetu Braille'a, można zauważyć, że kolor/temperatura punktów leżących na obrzeżach ekranu jest niższa od tych znajdujących się w centrum. Jednocześnie wskazania pomiarów napięcia Seebecka dawały podobne wartości dla wszystkich włączonych punktów cieplnych. Oznacza to, że w centralnej części ekranu pomiędzy mikromodułami Peltiera. 43.

(45) Rozdział 4. a radiatorem rezystancja termiczna jest większa niż na obrzeżach panelu dotykowego. Drugi problem, widoczny na prawym zdjęciu termograficznym z rys. 26. polega na tym, że kilka mikromodułów Peltiera jest odłączonych od. zasilania. Uszkodzenie powstało w czasie. testowania ekranu. Połączenie modułów Peltiera do płytki drukowanej poprzez lutowanie jak na rys.. 27.. okazało. się niewystarczające dla występujących tam naprężeń mechanicznych. powstających podczas dotykania.. Rys. 27. Schemat połączeń mikromodułów Peltiera z płytką PCB oraz z radiatorem. Ze. względu. termoelektrycznych. na nie. nierówności znajdowały. w. lutowaniu. się. w. tej. do samej. PCB,. powierzchnie. płaszczyźnie.. modułów. Powodowało. to. mikroszczeliny w kontakcie: dolna ceramika w TEC – radiator. Aby wyeliminować tą wadę zastosowano elastyczną podkładkę termoprzewodzącą o grubości 1 mm, której przewodność cieplna wynosi około 3 W/m·K. Jest to bardzo dobry przewodnik cieplny wśród elastycznych przewodników termicznych, jednak w porównaniu z alundem czy metalami jest bardzo słaby. Radiator został dociśnięty do płytki PCB za pomocą ceownika aluminiowego na dłuższych krawędziach płytki – rys. 24. Przy zastosowaniu elastycznej podkładki termoprzewodzącej, która została słabiej dociśnięta w środkowej części ekranu, temperatura dolnej powierzchni modułów Peltiera mogła się różnić od zmierzonej temperatury radiatora. Spowodowało to błąd w obliczeniu temperatury powierzchni dotykanej. Ten błąd konstrukcyjny był także zauważalny w czasie dotykania: łatwiejsze do rozpoznania były punkty znajdujące się blisko krawędzi ekranu.. Mikromoduł Peltiera musi ogrzać lub schłodzić palec użytkownika, im lepsza. przewodność cieplna układu palec – mikromoduł Peltiera– radiator tym szybciej może nastąpić zmiana temperatury skóry palca. Przy niedokładnym pomiarze układ sterowania uznawał, że temperatura powierzchni dotykanej jest właściwa, podczas gdy w rzeczywistości nie osiągnęła zadanej wartości.. 44.

(46) Rozdział 4. Automatyczna regulacja temperatury. Testy przeprowadzone na urządzeniu z rys. 18. wykazały, że temperatura każdej powierzchni dotykowej musi być stabilizowana. Podłączenie mikromodułu Peltiera do wybranego napięcia zasilania nie jest wystarczające. Palec, który jest odbiornikiem energii cieplnej zmniejsza lub zwiększa temperaturę powierzchni mikromodułu Peltiera. Dla przykładu, jeżeli ustawimy zasilanie w taki sposób, aby temperatura powierzchni niedotykanego mikromodułu Peltiera wynosiła 328 K (55 °C), to po długotrwałym dotknięciu temperatura powierzchni mikromodułu Peltiera obniży się tak bardzo, że rozpoznanie czy punkt jest ciepły czy zimny będzie niemal niemożliwe. Opracowano metodę pomiaru temperatury polegającą na pomiarze napięcia Seebecka [37]. Przy standardowym wykorzystaniu TEC zachowuje się zgodnie ze swoim przeznaczeniem: transportuje ciepło jednocześnie generując ciepło Joule’a. Kiedy TEC nie jest podłączony do zasilania może być opisany jako wiele termopar połączonych elektrycznie – szeregowo, a termicznie - równolegle. W takim przypadku łatwe do zmierzenia napięcie Seebecka pojawia się na jego przewodach połączeniowych. Różnica temperatur ΔT pomiędzy dwoma stronami modułu Peltiera oraz napięcie Seebecka U α, gdzie α jest współczynnikiem Seebecka [54], są związane wyrażeniem (2.6). Dodatkową zaletą użycia mikromodułów Peltiera do pomiaru temperatury jest to, że element wykonawczy jest także czujnikiem. Opóźnienie w pomiarze temperatury nie jest powiększane o stałą czasową czujnika związaną z jego pojemnością cieplną. Temperatura powierzchni dotykanej może być łatwo obliczona jako suma temperatury podłoża do którego przymocowany jest moduł Peltiera oraz różnicy temperatur ΔT na mikromodule Peltiera wyznaczonej z wykorzystaniem napięcia Seebecka. W celu skalibrowania urządzenia wyznaczono wartości współczynnika α przez pomiary napięcia Seebecka Uα oraz pomiary temperatury górnej powierzchni. mikromodułu. Peltiera.. Do. przeprowadzenia. pomiarów. temperatury. użyto. pirometru. Różnica temperatur została wytworzona za pomocą mikromodułu Peltiera 1MT03008-13 przylutowanego do dużego radiatora. Pomiar polega na włączeniu mikromodułu Peltiera do odpowiedniego napięcia dla każdej różnicy temperatur ΔT. Mikrokontroler okresowo odłącza mikromoduł Peltiera od zasilania, mierzy wartość napięcia Seebecka i podłącza go na nowo. Rys. 28. ukazuje relację pomiędzy zmierzoną temperaturą za pomocą pirometru a zmierzonym 45.

(47) Rozdział 4. napięciem Seebecka. Na podstawie pomiarów wyznaczono współczynnik α, który wynosi 8,1 mV/K dla temperatur większych od temperatury radiatora.. Rys. 28. Pomiar temperatury powierzchni dotykanej oraz napięcia Seebecka. Temperatura punktów cieplnych jest kontrolowana w taki sposób, aby utrzymywała zadaną wartość. także. podczas. dotykania.. Algorytm. polega. na. pomiarze. napięcia. Seebecka. i porównaniu go z wartością zadaną odpowiadającą ustawionej temperaturze. W celu określenia temperatury punktu dotykowego układ sterujący odłącza pompę Peltiera od zasilania. Następnie mierzy napięcie Seebecka, oblicza temperaturę i podejmuje decyzję: podłączyć dany punkt cieplny do zasilania lub pozostawić niepodłączony do następnego pomiaru. Do sterowania został użyty popularny mikrokontroler, który pracując przy częstotliwości 8 MHz wykonuje pomiar co około 1,5 ms, zależnie od wystąpienia innych przerwań. Czas potrzebny do zapamiętania mierzonego napięcia przez mikrokontroler wynosi około 180 µs. Rys. 29. i rys. 30. przedstawiają oscylogramy, na których zmierzono czas pomiaru i czas pomiędzy pomiarami.. 46.

(48) Rozdział 4. Rys. 29.. Oscylogram ze zmierzonym czasem, na jaki wyłączany jest mikromoduł Peltiera w celu zmierzenia napięcia Seebecka.. Rys. 30. Oscylogram ze zmierzonym czasem pomiędzy pomiarami napięcia Seebecka.. 47.

(49) Rozdział 4. Przedstawiony sposób pomiaru pociąga za sobą metodę sterowania mikromodułami Peltiera: są włączone lub wyłączone. Gdyby pompy Peltiera miały pracować tylko jako układy chłodzące wówczas ten sposób sterowania byłby niedopuszczalny ze względu na ilość transportowanego ciepła względem dostarczonej energii elektrycznej. Współczynnik wydajności chłodniczej jest największy dla jak najmniejszych prądów sterowania - rys. 4. [37]. Biorąc pod uwagę, że docelowe wyświetlacze termiczne będą się składać z bardzo wielu punktów zastosowanie sterowania binarnego ma pewne zalety: . ułatwia budowę układu pomniejszając go o przetworniki C/A. . umożliwia lepsze wykorzystanie energii elektrycznej poprzez jej mniejsze straty w kluczach tranzystorowych o bardzo małej RDS(ON). . w przypadku wyświetlania punktów ciepłych, dodatkowe ciepło generowane wewnątrz mikromodułu Peltiera. na skutek. zmniejszonego. C.O.P. - rys. 4. jest w całości. transportowane do strony dotykanej pod warunkiem, że prąd i napięcie zasilania nie przekraczają wartości optymalnej.. Zasilanie mikromodułów Peltiera. Urządzenie wymaga trzech stałonapięciowych źródeł zasilania. Pierwszy o napięciu +7,5 V i wydajności prądowej 800 mA służy do zasilania układów cyfrowych. Drugie źródło zasilania o napięciu +1 V oraz trzecie o napięciu –1 V dostarczają energię do miniaturowych pomp ciepła. Źródła zasilania muszą być od siebie odizolowane galwanicznie. Pobór energii ze źródeł +/- 1 V jest zależny od zadanych temperatur oraz od ilości włączonych punktów dotykowych. Jeżeli temperatura zadana wszystkich punktów cieplnych jest taka sama jak temperatura radiatora to wówczas nie jest pobierana energia z tych źródeł. Rezystancja zastosowanych mikromodułów Peltiera 1MT03-008-13 wynosi 2,63 Ω [37]. Optymalne napięcie zasilania, czyli takie, przy którym układ Peltiera transportuje najwięcej ciepła, równe jest 0,9 V. W celu zmniejszenia strat energii w układzie sterującym rezystancja włączonego elementu sterującego powinna być znacznie mniejsza od wartości rezystancji mikromodułów Peltiera. Po przeprowadzeniu serii testów oraz symulacji wybrano układ składający się z dwóch tranzystorów Power MOSFET w obudowie SO-8 o bardzo niskiej wartości RDS(ON): odpowiednio 23 mΩ dla tranzystora z kanałem typu N oraz 42 mΩ dla. 48.

(50) Rozdział 4. tranzystora z kanałem typu P. Sposób zasilania mikromodułów Peltiera oraz pomiaru napięcia Seebecka przedstawiono na rys. 31.. Rys. 31. Układ sterowania mikromodułem Peltiera. Układ sterujący posiada osobne wyprowadzenia bramek tranzystorów, co pozwala na takie sterowanie tranzystorami, aby całkowicie wyeliminować straty energii wywołane przez prąd quasi zwarciowy. Dodatkowo ustawienie obu tranzystorów w stan zatkania powoduje, że jeden z przewodów mikromodułu Peltiera nie jest podłączony, co umożliwia pomiar napięcia Seebecka [51] względem napięcia 2,5 V. Dla niewielkich wartości prądu przepływającego przez moduł Peltiera C.O.P może być znacznie większy od jedności. Jednakże zbyt mała wartość prądu zasilania może być powodem zbyt małej wydajności skutkującej niestabilnością temperatury punktu cieplnego. W tabeli 2. znajdują się wyniki pomiarów poboru prądu oraz czasu, jaki potrzebuje mikromoduł Peltiera na zmianę temperatury z 283 K (10 °C) na 321 K (48 °C) oraz z 321 K na 283 K. Pojedynczy mikromoduł Peltiera w momencie przełączania z 283 K na 321 K przy napięciu zasilania równym 1 V pobiera nawet 300 mA prądu. Teoretycznie gdyby użytkownik przełączył na raz wszystkie 294 punkty cieplne to zapotrzebowanie prądowe wynosiłoby nawet 88 A. W praktyce jednak typowe wygenerowane znaki zajmują nie więcej niż 10 % powierzchni. Pomiar prądu 49.

(51) Rozdział 4. w czasie testów z udziałem niewidomych nie przekraczał 5 A. Jeżeli pojedynczy mikromoduł Peltiera nie jest dotykany i ustawiona jest temperatura 321 K to pobór prądu wynosi 55 mA, przy temperaturze 283 K – 85 mA. Tabela 2. Zmierzone czasy ogrzewania i chłodzenia podczas zmian temperatury od 283 K (10 °C) do 321 K (48 °C) oraz prąd zasilania modułu Peltiera dla różnych warunków pracy Napięcie zasilania. Prąd zasilania przy TP = 283 K. Niedotykany. TP = 321 K. Dotykany. Prąd zasilania przy. Niedotykany. 321 K do 321 K. Dotykany. Czas chłodzenia od. 1,3 V. Niedotykany. 283 K do 321 K. 1V. Dotykany Czas grzania od. 0,5 V. 2s. 1,5 s. 0,5 s. 0,4 s. 0,4 s. 0,3 s. 4s. 2s. 1,5 s. 1s. 1,2 s. 0,8 s. 95 mA. 60 mA. 80 mA. 55 mA. 85 mA. 50 mA. 120 mA. 60 mA. 170 mA. 85 mA. 200 mA. 120 mA. 210 mA. 180 mA. 300 mA. 300 mA. 360 mA. 360 mA. 210 mA. 175 mA. 290 mA. 290 mA. 350 mA. 350 mA. Maksymalny prąd zasilania przy zmianie TP z 283 K na 321 K Maksymalny prąd zasilania przy zmianie TP z 321 K do 283 K. 50.

(52) Rozdział 4. Różnice w poborze energii widać także na oscylogramach otrzymanych z pomiaru napięcia zasilającego mikromoduł Peltiera. Rys. 32. przedstawia oscylogram zasilania mikromodułu Peltiera, którego temperaturę powierzchni dotykanej ustawiono na 273 K; do mikromodułu nie został przyłożony palec. Zasilanie jest przełączane pomiędzy 2,5 V, które odpowiada dolnej części oscylogramu, a około 3,2 V. W pewnych okresach czasu mikromoduł Peltiera jest podłączony do zasilania, a w innych pozostaje rozłączony. Oznacza to, że została osiągnięta zadana temperatura.. Rys. 32. Oscylogram napięcia zasilania mikromodułu Peltiera, który nie jest dotykany.. 51.