Termometar na ATmega8 i temperaturni senzor DS18B20. Regulator visoke temperature na termoelementu tipa K Praktični dijagram termometra sa termoelementom
Termopar je tip temperaturnog senzora koji se može koristiti u mjernim uređajima i sistemima automatizacije. Ima određene prednosti: nisku cijenu, visoku preciznost, širok raspon mjerenja u odnosu na termistore i mikro krugove digitalnih temperaturnih senzora, jednostavnost i pouzdanost. Međutim, izlazni napon termoelementa je mali i relativan, a kolo merača termoelementa je složeno, pošto postoje strogi zahtevi za precizno pojačanje signala sa termoelementa i za kompenzacioni krug. Za razvoj takvih uređaja postoje specijalizirani mikro krugovi koji integriraju analogno kolo za konverziju i obradu signala. Koristeći ove mikro krugove, možete napraviti prilično kompaktan mjerač temperature s termoelementom kao senzorom (slika 1).
Principi
Wikipedija definira princip rada termoelementa na sljedeći način:
Princip rada se zasniva na Seebeck efektu ili, drugim riječima, termoelektričnom efektu. Između spojenih provodnika postoji razlika u kontaktnom potencijalu. Ako su spojevi provodnika spojenih u prsten na istoj temperaturi, zbir takvih potencijalnih razlika jednak je nuli. Kada su spojevi na različitim temperaturama, razlika potencijala između njih ovisi o temperaturnoj razlici. Koeficijent proporcionalnosti u ovoj zavisnosti naziva se koeficijent termo-EMF. Različiti metali imaju različite koeficijente termo-emf i, shodno tome, razlika potencijala koja nastaje između krajeva različitih vodiča bit će različita. Postavljanjem spoja metala sa odličnim termo-EMF koeficijentima u okruženje sa temperaturom T1, dobićemo napon između suprotnih kontakata koji se nalaze na različitoj temperaturi T2, koji će biti proporcionalan razlici temperatura T1 i T2 (slika 2. ).
|
|
|
| Slika 2. | |
Postoji nekoliko vrsta termoparova, ovisno o paru korištenih materijala (čisti metal ili legura). U našem projektu koristimo termoelement K tipa (hromel-alumel), koji se često koristi u industrijskim alatima i instrumentima. Izlazni napon termoelementa tipa K je približno 40 µV/°C, tako da će biti potrebno kolo za pojačavanje signala sa malim pomakom napona na ulazu.
Kao što je gore spomenuto, termo-emf je proporcionalan temperaturnoj razlici između hladnog i toplog 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 izmjerene termo-EMF (slika 3).
Da biste dobili vrijednost temperature pomoću termoelementa, trebat će vam analogna kola, kao što su precizno op-amp i kompenzacijski krug hladnog spoja. Međutim, postoji nekoliko tipova specijaliziranih mikro krugova s ugrađenim sučeljem termoelementa. Ovi čipovi integriraju gore navedene analogne sklopove i uvelike pojednostavljuju dizajn. U našem slučaju, odabrali smo MAX31855 čip kompanije. Sadrži analogno kolo i analogno-digitalni pretvarač, stoga ćemo na izlazu mikrokola primiti digitalne podatke. Prije kupovine mikrokola potrebno je unaprijed odrediti tip termoelementa koji će se koristiti u uređaju.
Glavne karakteristike MAX31855 čipa:
- Raspon mjerenja temperature: od -270 °C do +1800 °C;
- Rezolucija: 14 bita, korak 0,25 °C;
- Jednostavan SPI-kompatibilan interfejs (režim čitanja podataka);
- kompenzacijski krug referentnog spoja termoelementa;
- Krug za detekciju kratkog spoja žica termoelementa na sabirnicu napajanja i zajedničku sabirnicu;
- Krug za otkrivanje prekida u mjernom krugu;
- Verzije za termoelemente tipove K, J, N, T i E;
- 8-pinski paket.
Kompenzacija hladnog spoja se realizuje korišćenjem temperaturnog senzora integrisanog u čip, tako da je jedan od važnih uslova pri montaži merača postavljanje čipa direktno pored konektora termoelementa. Važan uslov je i izolacija ove jedinice od vanjske topline. Za povezivanje smo koristili konektor prikazan na slici 4. Mogu se koristiti i drugi tipovi konektora.
Šematski dijagram temperaturnog mjerača prikazan je na slici 5.
Srce uređaja je AVR mikrokontroler. MAX31855 čip se povezuje sa mikrokontrolerom preko SPI interfejsa.
Baterija LR1 sa naponom od 1,5 V koristi se kao izvor napajanja Za napajanje mikrokontrolera i čip interfejsa termoelementa koristi se pojačani DC/DC pretvarač, baziran na čipu serije XC9111, koji obezbeđuje izlazni napon od 3,0 V. Mikrokontroler kontroliše snagu i prati napon baterije.
Budući da se za napajanje koristi baterija od 1,5 V, za prikaz podataka je optimalno koristiti segmentni statički LCD indikator TWV1302W, koji se koristi u uređajima za digitalno mjerenje temperature (slika 6). Radni napon ovog indikatora je 3 V. Kada koristite indikator sa radnim naponom od 5 V, potrebno je dodatno kolo pretvarača napona (slika 7). Kontrolne funkcije indikatora obavlja mikrokontroler. Sa ovim rješenjem, struja koju troši uređaj će biti 4 mA, a baterija će trajati najmanje 100 sati.
|
|
Odlučio sam da u svoj laminator ubacim termometar, termometar tipa K. Da mi bude informativnije, smatram da hobi radio amater ne može biti zadovoljan kada na takvom uređaju svijetle samo dvije LED diode “POWER” i “READY”. Sređujem šal za svoje detalje. Za svaki slučaj, uz mogućnost da ga prepolovite (ovo je neka svestranost). Odmah sa mjestom za napojni dio na tiristoru, ali za sada ne koristim ovaj dio, ovo će biti moj sklop za lemilicu (kada skontam kako da pričvrstim termoelement na vrh)
Nema dovoljno prostora u laminatoru (mehanizmi su locirani jako čvrsto, znate u Kini), koristim mali indikator od sedam segmenata, ali to nije sve, ni cijela ploča ne stane, tu je svestranost Ploče dobro dođe, prepolovio sam je (ako koristite konektor, gornji dio odgovara mnogim razvojima na savjetima od ur5kby.)
Podesio sam ga, prvo radim kako je napisano na forumu, ne lemim termoelement, postavio sam 400 (mada ako je ovaj parametar u memoriji ova stavka ce nestati), podesio sam varijable na otprilike sobnu temperaturu i tačno do tačke ključanja,
Takav regulator teoretski radi do 999°C, ali kod kuće takva temperatura se teško može naći, najviše je otvorena vatra, ali ovaj izvor topline ima jaku nelinearnost i osjetljivost na vanjske uvjete.
evo uzorka tabele.
a takođe i zbog jasnoće
Tako da postoji mali izbor u izboru izvora za podešavanje očitavanja kontrolera.
Nema više igranja dugmadima, sve se može skupiti,
Koristio sam termoelement sa kineskog testera. I jedan post na forumu mi je savjetovao da se ovaj termoelement može umnožiti, njegova dužina je skoro pola metra, odrezao sam 2 cm.
Napravim transformator tako sto ga uvrnem ugalj, ispadne lopta, i to na dva kraja tacno tako, po bakrenoj zici, za dobro lemljenje na moje zice
Na MK. Njegovo srce je mikrokontroler PIC16F628A. Kolo termometra koristi 4-cifreni ili 2+2 LED indikator sa zajedničkom anodom. Korišteni temperaturni senzor je tipa DS18B20, au mom slučaju očitavanja senzora se prikazuju s tačnošću od 0,5*C. Termometar ima granice mjerenja temperature od -55 do +125*C, što je dovoljno za sve prilike. Za napajanje termometra korišten je običan punjač s mobilnog telefona na IP-u s tranzistorom 13001.
Šematski dijagram termometra na mikrokontroleru PIC16F628A:
Za flešovanje firmvera PIC16F628A, koristio sam program ProgCode, instalirajući ga na računar i sastavljajući programator ProgCode prema poznatoj šemi:
Oznaka pinova korišćenog mikrokontrolera i pinout nekih drugih sličnih MK-a:
Program ProgCode i uputstva sa fotografijama firmvera korak po korak nalaze se u arhivi na forumu. Tu su i svi fajlovi potrebni za ovu šemu. U programu otvorite i kliknite na dugme "snimi sve" U mom proizvedenom uređaju, kao što se vidi sa fotografija, 2 termometra su sastavljena u jednom kućištu odjednom, gornji indikator pokazuje temperaturu kod kuće, donji indikator. prikazuje temperaturu vani. Postavlja se bilo gdje u prostoriji i povezuje se sa fleksibilnom žicom na ekranu.
Termoparovi se široko koriste tamo gdje je potrebno precizno izmjeriti visoke temperature, ttemperature do 2500°C. Odnosno, tamo gdje bi digitalni senzori odmah umrli od pregrijavanja, koriste se termoparovi. Postoji dosta tipova termoelementa, ali najčešće se koriste hromel-alumel (tip K) termoelementi, zbog njihove niske cene i skoro linearne promene termosnage. Ovaj tip termoelementa se ugrađuje u bojlere i druge kućne aparate sa kontrolom temperature, a naširoko se koriste za kontrolu temperature pri taljenju metala, uz pomoć ovih termoelemenata, kontroliše se grijanje vrha u stanici za lemljenje. Stoga će biti od velike koristi bolje ih upoznati.
Termopar je dva provodnika napravljena od različitih metala i imaju zajedničku dodirnu tačku (spoj). U tački ovog kontakta nastaje razlika potencijala. Ova razlika potencijala naziva se termopower i direktno zavisi od temperature na kojoj se nalazi spoj. Metali su odabrani na način da je ovisnost termoenergije o temperaturi grijanja najlinearnija. Ovo pojednostavljuje proračune temperature i smanjuje greške u mjerenju.
Dakle, široko korišteni hromel-alumel termoelementi imaju prilično visoku linearnost i stabilnost očitavanja u cijelom rasponu mjerenih temperatura.
Ispod je grafikon za hromel-alumel termoelemente (tip K) koji pokazuje zavisnost rezultujuće termoenergije o temperaturi spoja (na kraju članka će biti link do grafa veće rezolucije):
Dakle, dovoljno je pomnožiti vrijednost termoenergije sa potrebnim koeficijentom i dobiti temperaturu bez zamaranja tabelarnim vrijednostima i aproksimacijom - jedan koeficijent za cijeli mjerni opseg. Vrlo jednostavno i jasno.
Ali postavlja se pitanje o povezivanju termoelementa na mikrokontroler. Jasno je da ako postoji napon na izlazu termoelementa, onda ćemo koristiti ADC, ali je razlika potencijala na izlazu termoelementa premala da bi se bilo šta detektilo. Stoga ga prvo treba povećati, na primjer, korištenjem operativnog pojačala.
Uzmimo standardni neinvertirajući krug operativnog pojačala:
Odnos ulaznog i izlaznog napona opisuje se jednostavnom formulom:
V van/Vin = 1 + (R2/R1)
Pojačanje signala ovisi o vrijednostima povratnih otpornika R1 i R2. Količina pojačanja signala mora se odabrati uzimajući u obzir šta će se koristiti kao referentni napon.
Recimo da je napon napajanja mikrokontrolera 5V kao referenca. Sada moramo odlučiti o rasponu temperature koji ćemo mjeriti. Uzeo sam granicu mjerenja na 1000 °C. Na ovoj vrijednosti temperature, izlaz termoelementa će imati potencijal od približno 41,3 mV. Ova vrijednost bi trebala odgovarati naponu od 5 volti na ADC ulazu. Stoga, op-amp mora imati pojačanje od najmanje 120. Kao rezultat toga, rođen je sljedeći sklop:
U svojoj zalihi sam pronašao dugo sastavljenu ploču sa ovim opamp-om, sastavljenu kao pretpojačalo za mikrofon, pa sam je koristio:
Sastavio sam sljedeći dijagram za povezivanje dvolinijskog displeja s mikrokontrolerom na blogboardu:
Termopar je također dugo bio u mirovanju - došao je s mojim multimetrom. Spoj je zatvoren u metalnu čahuru.
Bascom-AVR kod za rad sa termoelementom:
$regfile
= "m8def.dat"
$crystal
=
8000000
Dim
W AsInteger
"povezivanje dvolinijskog displeja
Config
Lcdpin = Pin, Rs = Portb. 0, E = Portd. 7, Db4 = Portd. 6, Db5 = Portd. 5, Db6 = Portb. 7, Db7 = Portb. 6
Config
LCD=
16
*
2
Kursor
Isključeno
Cls
"čitanje vrijednosti iz ADC-a putem prekida tajmera
Config
Tajmer1=
Tajmer, Predskala = 64
On
Tajmer1 Acp
„ADC konfiguracija
Config
adc = Single, Prescaler = Auto , Referentni = Avcc
Omogući
Prekidi
Omogući
Tajmer1
Uradi
Cls
Rem temperatura:
LCD
"Tejẑepaí̈ypa:"
Donja linija
LCD
W
Waitms
200
Petlja
"Rad sa ADC-om
Acp:
Počni
Adc "pokreni ADC
W=
Getadc(1
)
W= W/1. 28 "Mjerenja prilagođavamo stvarnoj temperaturi
Povratak
Kraj
U posljednje vrijeme, zbog česte upotrebe različitih modula za smanjenje, povećanje, punjenje i kontrolu, pojavila se potreba za termometrom sa širokim rasponom mjerenja. Budući da dostupni multimetar nije imao funkciju mjerenja temperature, razmišljao sam o kupovini zasebnog uređaja. Odmah sam odbacio termometre za uranjanje - previše su inercijski. Pirometre, iako omogućavaju daljinsko mjerenje temperature, odvraća njihova cijena i ne blistaju kvalitetom. Barem one koje su mi došle u ruke nisu bile impresivne.
Kao rezultat pretrage, naručen je elektronski termometar TM 902C za 3,99 dolara 
Na Aliexpressu postoji mnogo sličnih uređaja, ali sam se odlučio za ovaj iz sljedećih razloga:
- visokospecijalizirani uređaj bez dodatnih funkcija;
- širok raspon mjerenja;
- uređaj je opremljen termoelementom TR-02 sa gornjom granicom mjerenja od 750 stepeni Celzijusa. 
Postoji još jedna modifikacija termometra - napajaju ga dva AAA elementa, ali u kompletu sa termoelementom TP01 sa granicom merenja od 350 (400 prema nekim izvorima) stepeni. Nisam vidio smisla da zasebno kupujem termoelement TP02 i zatvorio sam oči na napajanje iz Krone.
Što nam proizvođač i prodavač izjavljuju prema uputama na jeziku koji svi razumijemo)? 
Iako malo nas zapravo razumije jezik, barem nekoliko tehnički pismenih ljudi će razumjeti da uređaj:
- sa svojim dimenzijama 24 * 72 * 108
- napajanje od 9 volti (Krona, 9F22);
- relativna vlažnost ≤ 75%;
- sposoban za mjerenje temperature od -50 do 1300 stepeni Celzijusa (1370 prema uputstvu);
- radi sa termoelementima tipa K odgovarajućeg opsega. 
Sudeći prema informacijama u uputama, greške uređaja su sljedeće (u Celzijusima):
Od – 40 do – 20: -± 3 stepena;
Od -20 do – 0: -± 2 stepena;
Od 0 do 500: -± 0,75-1 stepen;
Od 500 do 750: -± 1%;
Od 750 do 1000 i od 1000 do 1370: nije mogao precizno protumačiti.
Najčešći termoparovi su TP01 i TP02 sa rasponima od -50 do 350 (400) i od -50 do 750 stepeni Celzijusa, respektivno.
Prilikom kupovine, prodavaču je postavljeno pitanje kakav bi termoelement bio uključen u komplet.
Dobijana su uvjeravanja da će termometar mjeriti temperature od -50 do 750 stepeni, tj. Komplet će uključivati sondu TP02, što je potvrđeno daljim testovima.
Izvana, uređaj je napravljen vrlo pažljivo, odljevak je visokog kvaliteta. 
Težina sa baterijom i termoelementom 
Zadnji poklopac je pričvršćen sa dva vijka. Ploča je također pričvršćena istim vijcima - jednostavno, pouzdano i ekonomično.
Displej je pričvršćen za ploču sa dva zavrtnja i dve reze. 
Uglovi gledanja su široki.
Unutrašnjost kućišta je manje pažljiva, što nije kritično. 
Ploča je izrađena od getinaxa.
Kvaliteta obrade jednog od četiri kraja ploče (ne zaboravite na cijenu uređaja) 
Ekran od 1,9 inča povezan je sa pločom preko provodljive gumene trake, tako da nisam uklonio ekran - malo je vjerovatno da će to biti moguće, a zatim ga ispravno vratiti. 
Na rubu ekrana nalaze se ušice za pričvršćivanje vijcima na kućište - u ovom slučaju se takva shema pričvršćivanja ne koristi.
Ima svjetlosnih tragova fluksa, ali mislim da to ni na koji način neće utjecati na performanse. 
Kao što vidite, na ploči gotovo da nema elemenata - vjerovatno je ispod ekrana skriveno mikrokolo mrlje, koje je odgovorno za obradu signala iz sonde, izvođenje proračuna i prikazivanje informacija na ekranu.
Nakon što sam proučio unutrašnji svijet uređaja, prešao sam na terenska ispitivanja.
U početku sam koristio kuhinjski termometar za uranjanje i sobni termometar da uporedim očitanja. Dvoranski dugo nije ulijevao povjerenje i naknadno je isključen iz takmičarskog programa.
Frižider zamrzivač 
Potopljeni je odmah nakon vađenja iz zamrzivača pokazao 0,2 stepena niže, ali nije moguće istovremeno fotografisati zbog brze reakcije na promjene temperature objekta koji se prati i inercije potopljenog termometra.
Na otvorenom 
Veranda 
Soba 
Vruća voda 
Tačka ključanja vode 
Zatim, lemilice su korištene kao izvor topline. Termometar se više ne koristi jer ga je teško pričvrstiti na tačkasti izvor toplote, a teško je zagrijati cijelo tijelo. 
Posljednja fotografija pokazuje da je temperatura grijaćeg elementa iznad 400 stepeni, što ukazuje da komplet zapravo sadrži TP02 termoelement.
Prilikom testiranja, pletenica od fiberglasa na kablu termoelementa je malo oštećena - pala je u plamen plinske peći. Međutim, ovo se može smatrati i testom - nije izgorjelo, već je samo malo promijenilo boju. 
Prednosti uključuju:
- uska specijalizacija uređaja;
- pristojan izgled i izrada;
- u kompletu sa termoelementom TP02;
- čini mi se da postoji dovoljna tačnost mjerenja i, zahvaljujući tome, širok raspon mjerenja;
Nisam našao nikakve nedostatke, osim napajanja od 9 volti i nedostatka zaštitne kapice za termoelement.
