Mjerač temperature s krugom termopara. Regulator visoke temperature s termoparom tipa K

Serija članaka o mjerenju temperature Arduino kontrolerima bila bi nepotpuna bez priče o termoparovima. Štoviše, ne postoji ništa drugo za mjerenje visokih temperatura.

Termoparovi (termoelektrični pretvarači).

Svi temperaturni senzori iz prethodnih lekcija omogućili su mjerenje temperature u rasponu ne širem od – 55 ... + 150 °C. Za mjerenje viših temperatura najčešći senzori su termoparovi. Oni:

• imaju izuzetno širok raspon mjerenja temperature -250 … +2500 °C;
• može se kalibrirati za visoku točnost mjerenja, do pogreške ne veće od 0,01 °C;
• obično imaju nisku cijenu;
• smatraju se pouzdanim senzorima temperature.

Glavni nedostatak termoparova je potreba za prilično složenim preciznim mjeračem, koji mora osigurati:

• mjerenje niskih vrijednosti termo-EMF-a s gornjom vrijednošću u rasponu od desetaka, a ponekad čak i jedinica mV;
• kompenzacija termo-EMF hladnog spoja;
• linearizacija karakteristika termopara.

Princip rada termoparova.

Princip rada ove vrste senzora temelji se na termoelektričnom efektu (Seebeckov efekt). Stoga je drugi naziv za termoelement termoelektrični pretvarač.

U strujnom krugu nastaje razlika potencijala između spojenih različitih metala. Njegova vrijednost ovisi o temperaturi. Stoga se naziva termo-EMF. Različiti materijali imaju različite vrijednosti toplinske emf.

Ako su u krugu spojevi (spojnice) različitih vodiča spojeni u prsten i imaju istu temperaturu, tada je zbroj termo-EMF jednak nuli. Ako su spojevi žica na različitim temperaturama, tada ukupna razlika potencijala između njih ovisi o razlici temperature. Kao rezultat, dolazimo do dizajna termoelementa.

Dva različita metala 1 i 2 tvore radni spoj u jednoj točki. Radni spoj se postavlja na točku čiju temperaturu treba mjeriti.

Hladni spojevi su točke gdje se metali termoelementa spajaju s drugim metalom, obično bakrom. To mogu biti terminalni blokovi mjernog instrumenta ili bakrene komunikacijske žice do termoelementa. U svakom slučaju potrebno je izmjeriti temperaturu hladnog spoja i uzeti je u obzir pri proračunu izmjerene temperature.

Glavne vrste termoparova.

Termoparovi koji se najviše koriste su XK (kromel - kopel) i XA (kromel - alumel).

Kako praktično izmjeriti temperaturu pomoću termopara. Tehnika mjerenja.

Nazivna statička karakteristika (NSC) termopara data je u obliku tablice s dva stupca: temperatura radnog spoja i termo-emf. GOST R 8.585-2001 sadrži NSCH termoparova različitih tipova, navedenih za svaki stupanj. Možete ga preuzeti u PDF formatu s ove poveznice.

Za mjerenje temperature pomoću termopara, slijedite ove korake:

• izmjeriti termo-EMF termoelementa (Etotal);
• izmjeriti temperaturu hladnog spoja (T cold junction);
• Pomoću tablice NSH termoelementa odredite termo-EMF hladnog spoja pomoću temperature hladnog spoja (E hladni spoj);
• odrediti termo-EMF radnog spoja, tj. dodajte EMF hladnog spoja ukupnom termo-EMF (E radni spoj = E ukupni + E hladni spoj);
• Pomoću NSH tablice odredite temperaturu radnog spoja pomoću termo-EMF radnog spoja.

Evo primjera kako sam mjerio temperaturu vrha lemilice pomoću TXA termoelementa.

• Dotaknuo sam radni spoj vrha lemilice i izmjerio napon na stezaljkama termoelementa. Rezultat je bio 10,6 mV.
• Temperatura okoline, tj. temperatura hladnog spoja je približno 25 °C. EMF hladnog spoja iz tablice GOST R 8.585-2001 za termoelement tipa K na 25 °C je 1 mV.
• Toplinski EMF radnog spoja je 10,6 + 1 = 11,6 mV.
• Temperatura iz iste tablice za 11,6 mV je 285 °C. Ovo je izmjerena vrijednost.

Moramo implementirati ovaj slijed radnji u programu Arduino termometra.

Arduino termometar za mjerenje visokih temperatura pomoću termoelementa tipa TXA.

Našao sam termoelement TP-01A. Tipičan, široko korišten TCA termopar iz testera. Ovo ću koristiti u termometru.

Parametri navedeni na pakiranju su:

• tip K;
• raspon mjerenja – 60 … + 400 °C;
• Točnost ±2,5% do 400°C.

Mjerni raspon se temelji na kabelu od stakloplastike. Postoji sličan termoelement TP-02, ali sa sondom duljine 10 cm.

TP-02 ima gornju granicu mjerenja od 700 °C. Dakle, mi ćemo razviti termometar:

• za termopar tipa TXA;
• s rasponom mjerenja – 60 … + 700 °C.

Nakon što razumijete program i dijagram strujnog kruga uređaja, možete izraditi mjerač za termoparove bilo koje vrste s bilo kojim rasponom mjerenja.

Preostale funkcionalnosti termometra su iste kao i kod uređaja iz prethodne tri lekcije, uključujući funkciju bilježenja promjena temperature.

Termopar je vrsta senzora temperature koji se može koristiti u mjernim uređajima i sustavima automatizacije. Ima određene prednosti: nisku cijenu, visoku točnost, širok raspon mjerenja u usporedbi s termistorima i mikrosklopovima digitalnih senzora temperature, jednostavnost i pouzdanost. Međutim, izlazni napon termoelementa je malen i relativan, a krug mjerača termopara je složen, budući da postoje strogi zahtjevi za precizno pojačanje signala iz termoelementa i za kompenzacijski krug. Za razvoj takvih uređaja postoje specijalizirani mikrosklopovi koji integriraju analogni krug za pretvorbu i obradu signala. Koristeći ove mikro krugove, možete izgraditi prilično kompaktan mjerač temperature s termoelementom kao senzorom (slika 1).

Principi

Wikipedia definira princip rada termoelementa na sljedeći način:

Princip rada temelji se na Seebeckovom efektu ili, drugim riječima, termoelektričnom efektu. Između spojenih vodiča postoji kontaktna razlika potencijala. Ako su spojevi vodiča spojenih u prsten na istoj temperaturi, zbroj takvih potencijalnih razlika jednak je nuli. Kada su spojevi na različitim temperaturama, razlika potencijala između njih ovisi o razlici temperature. Koeficijent proporcionalnosti u ovoj ovisnosti naziva se koeficijent termo-EMF. Različiti metali imaju različite koeficijente termo-emf i, sukladno tome, razlika potencijala koja nastaje između krajeva različitih vodiča bit će različita. Postavljanjem spoja metala s izvrsnim termo-EMF koeficijentima u okolinu s temperaturom T1, dobit ćemo napon između suprotnih kontakata koji se nalaze na različitoj temperaturi T2, a koji će biti proporcionalan razlici temperatura T1 i T2 (Slika 2. ).

Postoji nekoliko vrsta termoparova, ovisno o paru korištenih materijala (čisti metal ili legura). U našem projektu koristimo termoelement tipa K (kromel-alumel), koji se često koristi u industrijskim alatima i instrumentima. Izlazni napon termoelementa K-tipa je približno 40 µV/°C, tako da će biti potreban krug pojačanja signala s malim pomakom napona na ulazu.

Kao što je gore spomenuto, termo-emf je proporcionalna temperaturnoj razlici između hladnog i vrućeg spoja. To znači da temperatura hladnog spoja mora biti poznata da bi se izračunala stvarna temperatura vrućeg spoja. Da biste to učinili, trebat će vam kompenzacijski krug hladnog spoja, koji će automatski uvesti korekciju izmjerenog termo-EMF-a (slika 3).

Za dobivanje vrijednosti temperature pomoću termoelementa trebat će vam analogni sklopovi, kao što je precizno operacijsko pojačalo i kompenzacijski krug hladnog spoja. Međutim, postoji nekoliko vrsta specijaliziranih mikro krugova s ​​ugrađenim sučeljem termoelementa. Ovi čipovi integriraju gore navedene analogne sklopove i uvelike pojednostavljuju dizajn. U našem slučaju odabrali smo čip MAX31855 iz tvrtke. Sadrži analogni krug i analogno-digitalni pretvarač, stoga ćemo na izlazu mikro kruga dobiti digitalne podatke. Prije kupnje mikro kruga potrebno je unaprijed odrediti vrstu termoelementa koji će se koristiti u uređaju.

Glavne karakteristike MAX31855 čipa:

• Raspon mjerenja temperature: od -270 °C do +1800 °C;
• Razlučivost: 14 bita, korak 0,25 °C;
• Jednostavno sučelje kompatibilno sa SPI (način čitanja podataka);
• Kompenzacijski krug referentnog spoja termoelementa;
• Krug za otkrivanje kratkog spoja žica termopara na sabirnicu napajanja i zajedničku sabirnicu;
• Krug za otkrivanje prekida u mjernom krugu;
• Izvedbe za termoparove tipa K, J, N, T i E;
• 8-pinski paket.

Kompenzacija hladnog spoja provodi se pomoću temperaturnog senzora integriranog u čip, stoga je jedan od važnih uvjeta pri sastavljanju mjerača postavljanje čipa neposredno uz konektor termopara. Važan uvjet je i izolacija ove jedinice od vanjske topline. Za spajanje smo koristili konektor prikazan na slici 4. Mogu se koristiti i drugi tipovi konektora.

Shematski dijagram mjerača temperature prikazan je na slici 5.

Srce uređaja je AVR mikrokontroler. Čip MAX31855 spaja se na mikrokontroler preko SPI sučelja.

Kao izvor napajanja koristi se baterija LR1 s naponom od 1,5 V. Za napajanje čipa sučelja mikrokontrolera i termopara koristi se krug pojačanog DC/DC pretvarača, temeljen na čipu serije XC9111, koji daje izlazni napon od 3,0 V. Mikrokontroler kontrolira napajanje i prati napon baterije.

Budući da se za napajanje koristi baterija od 1,5 V, za prikaz podataka optimalno je koristiti segmentni statički LCD indikator TWV1302W koji se koristi u digitalnim mjernim uređajima za temperaturu (slika 6). Radni napon ovog indikatora je 3 V. Kada se koristi indikator s radnim naponom od 5 V, bit će potreban dodatni krug pretvarača napona (slika 7). Kontrolne funkcije indikatora obavlja mikrokontroler. S ovim rješenjem, struja koju troši uređaj bit će 4 mA, a baterija će trajati najmanje 100 sati.

Danas ćemo vam reći kako vlastitim rukama napraviti elektronički termometar iz tri dijela.

Vrlo jednostavan i prilično precizan termometar može se napraviti ako slučajno imate stari ampermetar sa skalom od 100 µA.
Ovo će zahtijevati samo dva dijela.
Temperatura se mjeri senzorom LM 35. Ovaj integrirani silicij uključuje element osjetljiv na temperaturu - primarni pretvarač i krug za obradu signala, izrađen na jednom čipu i zatvoren u kućište, kao što je, na primjer, KT 502 ( TO-92). Senzor LM 35 ima varijaciju dizajna s istim parametrima, ali drugačijim pinoutom i hladnjakom, što je vrlo zgodno za kontaktna mjerenja temperature.
Izlazni napon senzora LM 35 proporcionalan je Celzijevoj ljestvici (10mV/C). Na temperaturi od 25 stupnjeva ovaj senzor ima izlazni napon od 250 mV, a na 100 stupnjeva izlaz je 1,0 V.
Oznaka senzora je pomalo neobična. Pinout je prikazan na slici.

Na dijagramu je senzor prikazan kao pravokutnik s oznakom tipa uređaja i numeracijom pinova.
termometar je prikazan na slici i toliko je jednostavan da ne zahtijeva objašnjenje.
Sastavljeni termometar mora biti kalibriran.
Uključite dijagram. Čvrsto pritisnite LM 35 senzor na spremnik živinog toplomjera, na primjer pomoću električne trake, zamotajte spoj ili jednostavno sve stavite pod jastuk. Budući da su toplinski procesi inercijalni, morat ćete pričekati pola sata ili više da se temperature senzora i termometra izjednače, a zatim potenciometrom postaviti iglu mikroampermetra na broj koji odgovara temperaturi termometra. To je sve. Možete koristiti termometar.

U autorovoj verziji za kalibraciju je korišten termometar od 0 do 50 stupnjeva Celzijusa s vrijednošću podjele od 0,1 stupnja, tako da se termometar pokazao prilično točnim.
Nažalost, pronaći takav termometar je problematično. Za grubu kalibraciju možete senzor jednostavno postaviti pokraj termometra koji mjeri, recimo, sobnu temperaturu, pričekati dva sata i namjestiti željenu temperaturu na mikroampermetarskoj skali.
Ako i dalje pronađete točan termometar, umjesto mjerača brojača možete koristiti digitalni multimetar, na primjer kineski VT-308V, kao indikator, tada se očitanja temperature mogu očitati do desetinki stupnja.
Za one koji se žele detaljno upoznati s integriranim senzorima, posjetite kit-e.ru ili rcl-radio.ru (pretražite LM 35).