Схема измерения температуры термопарой

Термопара – это один из видов температурных датчиков, который может применяться в измерительных устройствах и системах автоматизации. Ей присущи определенные преимущества: дешевизна, высокая точность, широкий по сравнению с термисторами и микросхемами цифровых датчиков температуры диапазон измерения, простота и надежность. Однако выходное напряжение термопары мало и относительно, а схема измерителя на термопаре сложна, так как предъявляются жесткие требования к прецизионному усилению сигнала с термопары и к схеме компенсации. Для разработки таких устройств существуют специализированные микросхемы, интегрирующие схему преобразования и обработки аналогового сигнала. С помощью этих микросхем можно построить достаточно компактный измеритель температуры с термопарой в качестве датчика (Рисунок 1).

Рисунок 1. Внешний вид цифрового измерителя температуры с термопарой в качестве датчика.

Принципы

Википедия определяет принцип действия термопары следующим образом:

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединенными проводниками имеется контактная разность потенциалов. Если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различной. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2 (Рисунок 2).

Рисунок 2. Генерирование термо-ЭДС в термопаре, образованной двумя разнородными проводниками.

Существует несколько типов термопар, в зависимости от используемой пары материалов (чистый металл или сплав). В нашем проекте мы используем термопару K-типа (хромель-алюмель), которая часто применяется в промышленных инструментах и приборах. Выходное напряжение термопары K-типа составляет приблизительно 40 мкВ/°С, следовательно, потребуется схема усиления сигнала с небольшим смещением напряжения по входу.

Как упоминалось выше, термо-ЭДС пропорциональна разности температур между холодным и горячим спаем. Это означает, что температура холодного спая должна быть известна для вычисления фактического значения температуры горячего спая. Для этого потребуется схема компенсации холодного спая, которая будет автоматически вводить поправку к измеренной термо-ЭДС (Рисунок 3).

Рисунок 3. Схема компенсации холодного спая, введение поправки к измеренной термо-ЭДС.

Чтобы получить значение температуры с помощью термопары потребуется аналоговая схема, например прецизионный операционный усилитель и схема компенсации холодного спая. Однако, существует несколько видов специализированных микросхем со встроенным интерфейсом термопары. Эти микросхемы интегрируют указанные выше аналоговые схемы и значительно упрощают проект. В нашем случае мы выбрали микросхему MAX31855 компании Maxim. Она содержит аналоговую схему и аналого-цифровой преобразователь, следовательно, на выходе микросхемы мы получим цифровые данные. Перед покупкой микросхемы необходимо заранее определить тип термопары, которая будет использоваться в устройстве.

Основные характеристики микросхемы MAX31855:

  • Диапазон измерения температуры: от –270 °С до +1800 °С;
  • Разрешение: 14 бит, шаг 0.25 °С;
  • Простой SPI-совместимый интерфейс (режим чтения данных);
  • Схема компенсации опорного спая термопары;
  • Схема детектирования замыкания проводов термопары на шину питания и общую шину;
  • Схема детектирования разрыва в измерительной цепи;
  • Исполнения для термопар типов K, J, N, T и E;
  • 8-ми выводной корпус.

Компенсация холодного спая реализуется с помощью интегрированного в микросхему датчика температуры, поэтому одним из важных условий при сборке измерителя является размещение микросхемы непосредственно возле коннектора подключения термопары. Немаловажным условием является также изоляция данного узла от внешнего нагрева. Для подключения мы использовали коннектор, изображенный на Рисунке 4. Можно использовать коннекторы других типов.

Читайте также:  Расчет количества металлочерепицы на крышу калькулятор

Рисунок 4. Возможный вариант коннектора для подключения термопары к схеме.

Принципиальная схема измерителя температуры изображена на Рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема измерителя температуры.

Сердцем прибора является микроконтроллер Atmel AVR ATmega164P. Микросхема MAX31855 подключается к микроконтроллеру по интерфейсу SPI.

В качестве источника питания используется батарея типоразмера LR1 с напряжением 1.5 В. Для питания микроконтроллера и микросхемы интерфейса термопары используется схема повышающего DC/DC преобразователя, выполненного на микросхеме серии XC9111, обеспечивающего выходное напряжение 3.0 В. Микроконтроллер осуществляет управление питанием и отслеживает напряжение батареи.

Так как для питания используется элемент питания 1.5 В, для отображения данных оптимально использовать сегментный статический ЖК индикатор TWV1302W, который применяется в цифровых устройствах измерения температуры (Рисунок 6). Рабочее напряжение этого индикатора 3 В. При использовании индикатора с рабочим напряжением 5 В потребуется дополнительная схема преобразователя напряжения (Рисунок 7). Функции управления индикатором выполняет микроконтроллер. При таком решении потребляемый устройством ток составит 4 мА, а батарея прослужит, как минимум, 100 часов.

Рисунок 6. Внешний вид символьного ЖК индикатора TWV1302W.

Рисунок 7. Вариант схемы преобразователя напряжения применяемой в случае использования ЖК индикатора с рабочим напряжением 5 В.

Измеритель температуры совместно с ПК или ноутбуком может использоваться в качестве системы сбора данных. Для этого предусмотрена возможность подключения к последовательному порту RS-232 для передачи данных. Настройки порта: 8 бит данных, 1 стоп-бит, скорость передачи данных 300 бит/с.

В программе микроконтроллера реализуется чтение данных по интерфейсу SPI с интервалом 0.5 сек и отображение измеренного значения на ЖК индикаторе. Управление индикатором осуществляется в фоновом режиме.

Загрузки

Исходный код программы микроконтроллера – скачать
Демонстрационное видео – скачать

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Краткие теоретические сведения и постановка задачи 🙂

На сегодняшний момент существует два типа датчиков, позволяющих измерить температуру: терморезистор (термистор) и термопара. Принцип их работы почти ясен 🙂 из названия: терморезистор — это резистор изменяющий свое сопротивление под действием температуры, термопара — два провода из разных материалов спаянные вместе, в которых при нагреве, за счет разности потенциалов, возникает ЭДС.
Обычно в автомобильных системах применяют терморезисторы, так как они способны работать при значительных механических нагрузках, но одновременно с этим преимуществом они имею и ряд недостатков: способны работать только в узком диапазоне температур, да и в этом диапазоне зависимость температура -сопротивление у них нелинейная, причем в течении срока службы эта зависимость изменяется. Термопара в этом плане проще, да и если ее механически не нагружать, то надежнее, да и диапазон рабочих температур у нее побольше. Поэтому в различных системах измерений чаще применяют термопару. А раз ее применяют, то нужно научится ее применять и нам — мы что рыжие? 🙂
На этом с теорией все, перехожу к практике. Кто хочет почитать о типах датчиков подробнее, могу порекомендовать статью — www.picad.com.ua/0105/pdf/50-54.pdf

Электроника
ЭДС вырабатываемая термопарой очень небольшая — порядка нескольких миливольт, поэтому без усилителя не обойтись. Поискав в интернете я нашел 5 различных схем усилителей под термопару и на основе одной из них нарисовал свою

Читайте также:  Какой цвет лучше всего сочетается с бордовым

Ну тут мне немного повезло — термопара паяльника (который нужно подключить) и имеющегося у меня мультиметра имели одинаковые характеристики, поэтому я просто крокодильчиками мультиметра "сел" на выход термопары, а второй мультиметр прицепил на выход схемы. Нагревая кончик паяльника(а соответственно и термопару) горелкой записал значения температуры и соответствующие им значения напряжения на выходе схемы.

Немножко математики
Заносим полученные данные в Excel, выделяем их и нажимаем кнопочку "мастер диаграмм"

Сборка
Описывать в данном пункте особо нечего — цепляем нашу схему к МК или платке Ардуино, подключаем туда же цифровую панель отсюда — www.drive2.ru/b/2826794/

Программа
Программу тоже берем для цифровой панели, изменив только основной цикл

void loop() <
unsigned long previousMillis = 0;
const long interval = 1000;
int sensorValue;
int temp_real;
//cчитываем показания АЦП
unsigned long currentMillis = millis();

if (currentMillis — previousMillis >= interval)
//Считаем реальное значение температуры
temp_real = abs(int(206.36*sensorValue*(5.0 / 1023.0) -13.263));
>
showNumber(temp_real);
>

Термопары — это наиболее распространенное устройство для измерения температуры. Термопары генерируют напряжение при нагревании и возникающий ток позволяет проводить измерения температуры. Отличается своей простотой, невысокой стоимостью, но внушительной долговечностью. Благодаря своим преимуществам, термопара используется повсеместно.

Стандартная термопара

Принцип работы термопары

Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.

Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.

Термопара в электрической цепи

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь термопары

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Воздействие нагрева одного спая термопары

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

Читайте также:  Можно ли ходить в баню с тату

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Рабочий спай и холодный спай

Типы термопары

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар. Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.

Типы термопар и диапазон их температур

Когда термопара подключается к электрической цепи, то она не будет работать нормально пока не будет соблюдена полярность при подключении. Плюсовые провода должны быть соединены вместе и подсоединены к плюсовому выводу цепи, а минусовые к минусовому. Если провода перепутать, то рабочий спай и холодный спай не будут в противофазе и показания температуры будут неточными. Одним из способов определения полярности проводов термопары -это определение по цвету изоляции на проводах. Помните, что минусовой провод во всех термопарах — красный.

Цвет изоляции проводов термопар

Во многих случаях приходится использовать провода для удлинения протяженности цепи термопары. Цвет изоляции соединительных проводов также несет в себе информацию. Цвет внешней изоляции соединительных проводов — разный, в зависимости от производителя, однако цвет первичной изоляции проводов обычно соответствует кодировке, указанной в таблице выше.

Неисправности термопары

Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.

Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.

Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.

Потенциометр

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *