Termometer på ATmega8 og temperatursensor DS18B20. Høytemperaturregulator på et termoelement av K-type Praktisk diagram av et termometer med et termoelement
Termoelement er en type temperatursensor som kan brukes i måleenheter og automasjonssystemer. Den har visse fordeler: lav pris, høy nøyaktighet, bredt måleområde sammenlignet med termistorer og digitale temperatursensormikrokretser, enkelhet og pålitelighet. Utgangsspenningen til termoelementet er imidlertid liten og relativ, og kretsen til termoelementmåleren er kompleks, siden det er strenge krav til presisjonsforsterkning av signalet fra termoelementet og til kompensasjonskretsen. For å utvikle slike enheter er det spesialiserte mikrokretser som integrerer en analog signalkonverterings- og prosesseringskrets. Ved hjelp av disse mikrokretsene kan du bygge en ganske kompakt temperaturmåler med et termoelement som sensor (Figur 1).
Prinsipper
Wikipedia definerer driftsprinsippet til et termoelement som følger:
Driftsprinsippet er basert på Seebeck-effekten eller med andre ord den termoelektriske effekten. Det er en kontaktpotensialforskjell mellom de tilkoblede lederne. Hvis leddene til lederne koblet i en ring har samme temperatur, er summen av slike potensialforskjeller lik null. Når leddene har forskjellige temperaturer, avhenger potensialforskjellen mellom dem av temperaturforskjellen. Proporsjonalitetskoeffisienten i denne avhengigheten kalles termo-EMF-koeffisienten. Ulike metaller har forskjellige termo-emf-koeffisienter, og følgelig vil potensialforskjellen som oppstår mellom endene av forskjellige ledere være forskjellig. Ved å plassere en kobling av metaller med utmerkede termo-EMF-koeffisienter i et miljø med en temperatur T1, vil vi oppnå en spenning mellom motsatte kontakter plassert ved en annen temperatur T2, som vil være proporsjonal med forskjellen i temperaturer T1 og T2 (Figur 2) ).
|
|
|
| Figur 2. | |
Det finnes flere typer termoelementer, avhengig av materialparet som brukes (rent metall eller legering). I vårt prosjekt bruker vi et K-type termoelement (chromel-alumel), som ofte brukes i industrielle verktøy og instrumenter. Utgangsspenningen til et termoelement av K-type er omtrent 40 µV/°C, så en signalforsterkningskrets med en liten spenningsforskyvning over inngangen vil være nødvendig.
Som nevnt ovenfor er termo-emf proporsjonal med temperaturforskjellen mellom det kalde og varme krysset. Dette betyr at den kalde overgangstemperaturen må være kjent for å beregne den faktiske varmekrysstemperaturen. For å gjøre dette trenger du en kompensasjonskrets for kaldt kryss, som automatisk vil introdusere en korreksjon til den målte termo-EMF (Figur 3).
For å oppnå temperaturverdien ved hjelp av et termoelement, trenger du analoge kretser, for eksempel en presisjons op-amp og en kompensasjonskrets for kalde overganger. Det finnes imidlertid flere typer spesialiserte mikrokretser med innebygd termoelementgrensesnitt. Disse brikkene integrerer de ovennevnte analoge kretsene og forenkler designet betydelig. I vårt tilfelle valgte vi MAX31855-brikken fra selskapet. Den inneholder en analog krets og en analog-til-digital-omformer, derfor vil vi motta digitale data ved utgangen til mikrokretsen. Før du kjøper en mikrokrets, er det nødvendig å bestemme på forhånd hvilken type termoelement som skal brukes i enheten.
Hovedkarakteristika for MAX31855-brikken:
- Temperaturmåleområde: fra -270 °C til +1800 °C;
- Oppløsning: 14 biter, trinn 0,25 °C;
- Enkelt SPI-kompatibelt grensesnitt (datalesemodus);
- Termoelement referansekryss kompensasjonskrets;
- Krets for å oppdage kortslutning av termoelementledninger til strømbussen og fellesbussen;
- Krets for å oppdage et brudd i målekretsen;
- Versjoner for termoelementer type K, J, N, T og E;
- 8-pinners pakke.
Cold junction-kompensasjon implementeres ved hjelp av en temperatursensor integrert i brikken, så en av de viktige betingelsene ved montering av måleren er å plassere brikken rett ved siden av termoelementkontakten. En viktig betingelse er også isoleringen av denne enheten fra ekstern varme. For tilkobling brukte vi koblingen vist i figur 4. Andre typer koblinger kan brukes.
Skjemaet for temperaturmåleren er vist i figur 5.
Hjertet i enheten er AVR-mikrokontrolleren. MAX31855-brikken kobles til mikrokontrolleren via SPI-grensesnittet.
Et LR1-batteri med en spenning på 1,5 V brukes som strømkilde For å drive mikrokontrolleren og termoelement-grensesnittbrikken brukes en boost DC/DC-omformerkrets, basert på en brikke i XC9111-serien, som gir en utgangsspenning på 3,0 V. Mikrokontrolleren styrer strømmen og overvåker batterispenningen.
Siden et 1,5 V-batteri brukes til strømforsyning, er det optimalt å bruke den statiske LCD-indikatoren TWV1302W segment, som brukes i digitale temperaturmåleenheter, for å vise data (Figur 6). Driftsspenningen til denne indikatoren er 3 V. Når du bruker en indikator med en driftsspenning på 5 V, vil det være nødvendig med en ekstra spenningsomformerkrets (Figur 7). Indikatorkontrollfunksjonene utføres av en mikrokontroller. Med denne løsningen vil strømmen som forbrukes av enheten være 4 mA, og batteriet vil vare i minst 100 timer.
|
|
Jeg bestemte meg for å sette inn et termometer i laminatoren min, et termometer av K-type. For å gjøre det mer informativt for meg, tror jeg at en hobbyradioamatør ikke kan være fornøyd når bare to lysdioder "POWER" og "READY" lyser på en slik enhet. Jeg ordner skjerfet for mine detaljer. Bare i tilfelle, med muligheten til å kutte den i to (dette er en viss allsidighet). Med en gang med et sted for strømdelen på tyristoren, men foreløpig bruker jeg ikke denne delen, dette vil være min krets for et loddebolt (når jeg finner ut hvordan jeg fester et termoelement til spissen)
Det er ikke nok plass i laminatoren (mekanismene er plassert veldig tett, du vet i Kina), jeg bruker en liten syv-segment indikator, men det er ikke alt, hele brettet passer heller ikke, det er her allsidigheten av brettet kommer godt med, jeg kutter det i to (hvis du bruker en kobling, passer den øvre delen til mange utviklinger på små godbiter fra ur5kby.)
Jeg setter den opp, først gjør jeg som nevnt i forumet, jeg lodder ikke inn termoelementet, jeg setter 400 (selv om denne parameteren er i minnet, vil denne gjenstanden forsvinne), jeg setter variablene til omtrent romtemperatur og nøyaktig til kokepunktet,
En slik kontroller fungerer teoretisk opp til 999 °C, men hjemme er det usannsynlig å finne en slik temperatur, på det meste er det åpen ild, men denne varmekilden har sterk ikke-linearitet og følsomhet for ytre forhold.
her er en eksempeltabell.
og også for klarhet
Så det er lite valg når det gjelder å velge en kilde for å justere kontrolleravlesningene.
Det er ikke lenger å leke med knapper, alt kan samles,
Jeg brukte et termoelement fra en kinesisk tester. Og et innlegg i forumet fortalte meg at dette termoelementet kan multipliseres, lengden er nesten en halv meter, jeg kuttet av 2 cm.
Jeg lager en transformator ved å vri den med kull, det viser seg å være en ball, og til de to endene akkurat slik, langs en kobbertråd, for god lodding til ledningene mine
På MK. Hjertet er PIC16F628A mikrokontrolleren. Termometerkretsen bruker en 4-sifret eller 2+2 LED-indikator med felles anode. Temperatursensoren som brukes er DS18B20 type, og i mitt tilfelle vises sensoravlesningene med en nøyaktighet på 0,5*C. Termometeret har temperaturmålegrenser fra -55 til +125*C, som er nok for alle anledninger. For å drive termometeret ble det brukt en vanlig lader fra en mobiltelefon på en IP med transistor 13001.
Skjematisk diagram av et termometer på en PIC16F628A mikrokontroller:
For å flashe PIC16F628A-fastvaren brukte jeg ProgCode-programmet, installerte det på datamaskinen og satte sammen ProgCode-programmereren i henhold til det velkjente skjemaet:
Betegnelse på pinnene til mikrokontrolleren som brukes og pinouten til noen andre lignende MK-er:
ProgCode-programmet og instruksjoner med bilder av steg-for-steg firmware ligger i arkivet på forumet. Det er også alle filene som er nødvendige for denne ordningen. I programmet åpner du og klikker på "registrer alt"-knappen I min produserte enhet, som det kan ses av bildene, er 2 termometre satt sammen i ett tilfelle samtidig, den øvre indikatoren viser temperaturen hjemme, den nedre indikatoren. viser temperaturen ute Den er plassert hvor som helst i rommet og kobles til sensor med en fleksibel ledning i skjermen Materiale redigert av: [)eNiS.
Termoelementer er mye brukt der det er nødvendig å nøyaktig måle høye temperaturer, ttemperaturer opp til 2500°C. Det vil si at der digitale sensorer umiddelbart ville dø av overoppheting, brukes termoelementer. Det er ganske mange typer termoelementer, men de mest brukte er chromel-alumel (type K) termoelementer, på grunn av deres lave kostnader og nesten lineære endring i termokraft. Denne typen termoelementer er installert i vannvarmere og andre husholdningsapparater med temperaturkontroll, de er mye brukt til å kontrollere temperaturen ved smelting av metall ved hjelp av disse termoelementene, oppvarmingen av spissen i loddestasjonen. Derfor vil det være veldig nyttig å bli bedre kjent med dem.
Et termoelement er to ledere laget av forskjellige metaller og har et felles kontaktpunkt (kryss). Ved punktet av denne kontakten oppstår det en potensiell forskjell. Denne potensialforskjellen kalles termokraft og avhenger direkte av temperaturen der krysset er plassert. Metaller velges på en slik måte at termokraftens avhengighet av oppvarmingstemperaturen er mest lineær. Dette forenkler temperaturberegninger og reduserer målefeil.
Således har mye brukte krom-alumel termoelementer en ganske høy linearitet og stabilitet av avlesninger over hele området av målte temperaturer.
Nedenfor er en graf for chromel-alumel termoelementer (type K) som viser avhengigheten av den resulterende termokraften på krysstemperaturen (på slutten av artikkelen vil det være en lenke til en graf med høyere oppløsning):
Dermed er det nok å multiplisere termokraftverdien med den nødvendige koeffisienten og oppnå temperaturen uten å bry seg med tabellverdier og tilnærming - en koeffisient for hele måleområdet. Veldig enkelt og oversiktlig.
Men spørsmålet oppstår om å koble termoelementet til mikrokontrolleren. Det er klart at hvis det er spenning på termoelementutgangen, så vil vi bruke ADC, men potensialforskjellen på termoelementutgangen er for liten til å oppdage noe. Derfor må den først økes, for eksempel ved å bruke en operasjonsforsterker.
La oss ta en standard ikke-inverterende operasjonsforsterkerkrets:
Forholdet mellom inngangs- og utgangsspenninger er beskrevet med en enkel formel:
V ute/Vin = 1 + (R2/R1)
Signalforsterkningen avhenger av verdiene til tilbakekoblingsmotstandene R1 og R2. Mengden signalforsterkning må velges under hensyntagen til hva som skal brukes som referansespenning.
La oss si at mikrokontrollerens forsyningsspenning er 5V som referanse. Nå må vi bestemme oss for temperaturområdet vi skal måle. Jeg tok målegrensen til 1000 °C. Ved denne temperaturverdien vil termoelementutgangen ha et potensial på ca. 41,3 mV. Denne verdien skal tilsvare en spenning på 5 volt ved ADC-inngangen. Derfor må op-ampen ha en gevinst på minst 120. Som et resultat ble følgende krets født:
I oppbevaringen min fant jeg et langmontert brett med denne opampen, satt sammen som en forforsterker for en mikrofon, så jeg brukte den:
Jeg satte sammen følgende diagram på bloggtavlen for å koble en to-linjers skjerm til en mikrokontroller:
Termoelementet lå også lenge stille - det fulgte med multimeteret mitt. Krysset er lukket i en metallhylse.
Bascom-AVR-kode for arbeid med termoelement:
$regfile
= "m8def.dat"
$krystall
=
8000000
Dim
W SomHeltall
"koble til en to-linjers skjerm
Konfig
Lcdpin = Pin, Rs = Portb. 0, E = Portd. 7, Db4 = Portd. 6, Db5 = Portd. 5, Db6 = Portb. 7, Db7 = Portb. 6
Konfig
LCD=
16
*
2
Markør
Av
Cls
"leser en verdi fra ADC via et timeravbrudd
Konfig
Timer 1=
Timer, Forhåndsskala = 64
På
Timer 1 Akp
"ADC-konfigurasjon
Konfig
adc = Enkelt, Prescaler = Auto , Reference = Avcc
Muliggjøre
Avbrudd
Muliggjøre
Timer 1
Gjøre
Cls
Rem temperatur:
LCD
"Teјѕepаїypa:"
Nedre linje
LCD
W
Waitms
200
Løkke
"jobber med ADC
Akp:
Start
Adc "start ADC
W=
Getadc(1
)
W= W/1. 28 "vi justerer målingene til den faktiske temperaturen
Komme tilbake
Slutt
På grunn av hyppig bruk av ulike nedtrappings-, opptrappings-, lade- og kontrollmoduler har det nylig oppstått et behov for et termometer med et bredt måleområde. Siden det tilgjengelige multimeteret ikke hadde en temperaturmålingsfunksjon, tenkte jeg på å kjøpe en egen enhet. Jeg avviste umiddelbart nedsenkingstermometre - de er for treghetsbelagte. Pyrometre, selv om de lar deg måle temperatur eksternt, avskrekkes av prisen og skinner ikke av kvalitet. De som kom i hendene mine var i hvert fall ikke imponerende.
Som et resultat av søket ble et elektronisk termometer TM 902C bestilt for 3,99 dollar 
Det er mange lignende enheter på Aliexpress, men jeg bestemte meg for denne av følgende grunner:
- høyt spesialisert enhet uten tilleggsfunksjoner;
- bredt måleområde;
- enheten er utstyrt med et TR-02 termoelement med en øvre målegrense på 750 grader Celsius. 
Det er en annen modifikasjon av termometeret - drevet av to AAA-elementer, men komplett med et TP01 termoelement med en målegrense på 350 (400 ifølge enkelte kilder) grader. Jeg så ikke noe poeng i å kjøpe et TP02 termoelement separat og lukket øynene for strømforsyningen fra Krona.
Hva erklærer produsenten og selgeren til oss i henhold til instruksjonene på et språk som vi alle forstår)? 
Selv om få av oss faktisk forstår språket, vil i det minste noen få teknisk kyndige mennesker forstå at enheten:
- med dimensjonene 24 * 72 * 108
- drevet av 9 volt (Krona, 9F22);
- relativ fuktighet ≤ 75%;
- i stand til å måle temperaturer fra -50 til 1300 grader Celsius (1370 i henhold til instruksjonene);
- fungerer med type K termoelementer i det tilsvarende området. 
Ut fra informasjonen i instruksjonene er enhetsfeilene som følger (i Celsius):
Fra – 40 til – 20: -± 3 grader;
Fra -20 til – 0: -± 2 grader;
Fra 0 til 500: -± 0,75-1 grad;
Fra 500 til 750: -± 1 %;
Fra 750 til 1000 og fra 1000 til 1370: kunne ikke tolke nøyaktig.
De vanligste termoelementene er TP01 og TP02 med områder fra henholdsvis -50 til 350 (400) og fra -50 til 750 grader Celsius.
Ved kjøp ble selgeren stilt et spørsmål om hva slags termoelement som skulle inkluderes i settet.
Det ble mottatt forsikringer om at termometeret ville måle temperaturer fra -50 til 750 grader, d.v.s. Settet vil inneholde en TP02-sonde, som er bekreftet av ytterligere tester.
Eksternt er enheten laget veldig nøye, støpingen er av høy kvalitet. 
Vekt med batteri og termoelement 
Bakdekselet er festet med to skruer. Brettet er også sikret med de samme skruene - enkelt, pålitelig og økonomisk.
Displayet er festet til brettet med to skruer og to låser. 
Betraktningsvinklene er brede.
Innvendig er støpingen av saken mindre grundig, noe som ikke er kritisk. 
Brettet er laget av getinax.
Kvaliteten på behandlingen av en av de fire endene av brettet (ikke glem prisen på enheten) 
Den 1,9-tommers skjermen er koblet til brettet via et ledende gummibånd, så jeg fjernet ikke skjermen - det er neppe mulig, og deretter satt den tilbake på riktig måte. 
Det er maljer på kanten av skjermen for å feste med skruer til kassen - i dette tilfellet brukes ikke et slikt festeskjema.
Det er lette spor av fluks, men jeg tror ikke dette vil påvirke ytelsen på noen måte. 
Som du kan se, er det nesten ingen elementer på brettet - sannsynligvis er en blob-mikrokrets skjult under skjermen, som er ansvarlig for å behandle signalet fra sonden, utføre beregninger og vise informasjon på skjermen.
Etter å ha studert enhetens indre verden, gikk jeg videre til felttester.
Til å begynne med brukte jeg et kjøkkentermometer og et romtermometer for å sammenligne målinger. Innendørs inspirerte ikke tillit på lenge og ble deretter ekskludert fra konkurranseprogrammet.
Kjøleskap fryser 
Umiddelbart etter fjerning fra fryseren viste den nedsenkbare 0,2 grader lavere, men det er ikke mulig å fotografere samtidig på grunn av rask reaksjon på endringer i temperaturen på objektet som overvåkes og tregheten til det nedsenkbare termometeret.
Utendørs 
Veranda 
Rom 
Varmt vann 
Kokepunkt for vann 
Deretter ble loddebolter brukt som varmekilde. Senktermometeret brukes ikke lenger da det er vanskelig å feste det til en punktvarmekilde, og det er vanskelig å varme opp hele kroppen. 
Det siste bildet viser at temperaturen på varmeelementet er over 400 grader, noe som indikerer at settet faktisk inneholder et TP02 termoelement.
Under testene ble glassfiberflettingen av termoelementledningen lettere skadet - den falt inn i flammen på en gasskomfyr. Dette kan imidlertid også betraktes som en test - det ble ikke brent, men bare litt endret farge. 
Fordelene inkluderer:
- smal spesialisering av enheten;
- anstendig utseende og utførelse;
- komplett med termoelement TP02;
- det ser ut til at det er tilstrekkelig målenøyaktighet og, takket være dette, et bredt spekter av målinger;
Jeg fant ingen ulemper, annet enn 9 volt strømforsyningen og mangelen på en termoelementbeskyttelseshette.
