ATmega8 termomeeter ja temperatuuriandur DS18B20. Kõrgtemperatuuri regulaator K-tüüpi termopaaril Termopaariga termomeetri praktiline skeem
Termopaar on teatud tüüpi temperatuuriandur, mida saab kasutada mõõteseadmetes ja automaatikasüsteemides. Sellel on teatud eelised: madal hind, kõrge täpsus, lai mõõtmisulatus võrreldes termistoride ja digitaalsete temperatuuriandurite mikroskeemidega, lihtsus ja töökindlus. Termopaari väljundpinge on aga väike ja suhteline ning termopaarmõõturi vooluring on keeruline, kuna termopaari signaali täpsusvõimendusele ja kompensatsiooniahelale kehtivad ranged nõuded. Selliste seadmete arendamiseks on spetsiaalsed mikroskeemid, mis integreerivad analoogsignaali muundamise ja töötlemise ahela. Nende mikroskeemide abil saate ehitada üsna kompaktse temperatuurimõõturi, mille andur on termopaar (joonis 1).
Põhimõtted
Wikipedia määratleb termopaari tööpõhimõtte järgmiselt:
Tööpõhimõte põhineb Seebecki efektil ehk teisisõnu termoelektrilisel efektil. Ühendatud juhtide vahel on kontaktpotentsiaalide erinevus. Kui rõngasse ühendatud juhtmete liitekohad on sama temperatuuriga, on selliste potentsiaalide erinevuste summa võrdne nulliga. Kui vuugid on erinevatel temperatuuridel, sõltub nendevaheline potentsiaalide erinevus temperatuuride erinevusest. Proportsionaalsuse koefitsienti selles sõltuvuses nimetatakse termo-EMF koefitsiendiks. Erinevatel metallidel on erinevad termo-emf koefitsiendid ja vastavalt sellele on erinevate juhtide otste vahel tekkiv potentsiaalide erinevus erinev. Asetades suurepäraste termo-EMF koefitsientidega metallide ristmiku keskkonda, mille temperatuur on T1, saame erineval temperatuuril T2 asuvate vastaskontaktide vahel pinge, mis on võrdeline temperatuuride T1 ja T2 erinevusega (joonis 2). ).
|
|
|
| Joonis 2. | |
Termopaare on mitut tüüpi, olenevalt kasutatud materjalide paarist (puhas metall või sulam). Oma projektis kasutame K-tüüpi termopaari (chromel-alumel), mida kasutatakse sageli tööstuslikes tööriistades ja instrumentides. K-tüüpi termopaari väljundpinge on ligikaudu 40 µV/°C, seega on vaja signaali võimendusahelat väikese pingenihkega sisendis.
Nagu eespool mainitud, on termo-emf võrdeline külma ja kuuma ristmiku temperatuuride erinevusega. See tähendab, et kuuma ristmiku tegeliku temperatuuri arvutamiseks peab olema teada külma ristmiku temperatuur. Selleks vajate külma ristmiku kompensatsiooniahelat, mis viib automaatselt sisse mõõdetud termo-EMF-i korrektsiooni (joonis 3).
Temperatuuri väärtuse saamiseks termopaari abil vajate analooglülitusi, näiteks täpset operatsioonivõimendit ja külma ristmiku kompensatsiooniahelat. Siiski on mitut tüüpi spetsiaalseid mikroskeeme, millel on sisseehitatud termopaari liides. Need kiibid integreerivad ülaltoodud analoogskeeme ja lihtsustavad oluliselt disaini. Meie puhul valisime ettevõttelt kiibi MAX31855. See sisaldab analoogahelat ja analoog-digitaalmuundurit, seetõttu saame mikroskeemi väljundis digitaalseid andmeid. Enne mikrolülituse ostmist on vaja eelnevalt kindlaks määrata seadmes kasutatava termopaari tüüp.
MAX31855 kiibi peamised omadused:
- Temperatuuri mõõtmise vahemik: -270 °C kuni +1800 °C;
- Eraldusvõime: 14 bitti, samm 0,25 °C;
- Lihtne SPI-ga ühilduv liides (andmete lugemise režiim);
- Termopaari etalonsiirde kompensatsiooniahel;
- Ahel termopaari juhtmete lühise tuvastamiseks toitesiiniga ja ühissiiniga;
- Ahel mõõteahela katkestuse tuvastamiseks;
- K, J, N, T ja E tüüpi termopaaride versioonid;
- 8-pin pakett.
Külma ristmiku kompenseerimine on realiseeritud kasutades kiibile integreeritud temperatuuriandurit, seega on arvesti kokkupanemisel üheks oluliseks tingimuseks kiibi paigutamine otse termopaari pistiku kõrvale. Oluline tingimus on ka selle seadme isolatsioon välise kuumuse eest. Ühendamiseks kasutasime joonisel 4 näidatud pistikut. Kasutada võib ka teist tüüpi pistikuid.
Temperatuurimõõdiku skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 5.
Seadme südameks on AVR-i mikrokontroller. MAX31855 kiip ühendub mikrokontrolleriga SPI-liidese kaudu.
Toiteallikana kasutatakse LR1 akut pingega 1,5 V Mikrokontrolleri ja termopaari liidese kiibi toiteks kasutatakse XC9111 seeria kiibil põhinevat võimendus-DC/DC-muunduri ahelat, mis annab väljundpinge 3,0 V. Mikrokontroller juhib toidet ja jälgib aku pinget.
Kuna toiteallikana kasutatakse 1,5 V akut, siis on andmete kuvamiseks optimaalne kasutada digitaalsetes temperatuurimõõteseadmetes kasutatavat segmendi staatilist LCD indikaatorit TWV1302W (joonis 6). Selle indikaatori tööpinge on 3 V. 5 V tööpingega indikaatori kasutamisel on vaja täiendavat pingemuunduri vooluringi (joonis 7). Indikaatori juhtimisfunktsioone täidab mikrokontroller. Selle lahenduse korral on seadme tarbitav vool 4 mA ja aku peab vastu vähemalt 100 tundi.
|
|
Otsustasin sisestada oma laminaatorisse termomeetri, K-tüüpi termopaari termomeetri. Et asi minu jaoks informatiivsem oleks, siis usun, et hobiraadioamatöör ei saa rahulduda sellega, kui sellisel seadmel põleb vaid kaks LED-i “POWER” ja “READY”. Korraldan salli oma detailide järgi. Igaks juhuks võimalusega pooleks lõigata (see on mõningane mitmekülgsus). Kohe türistoril toiteosa koht, kuid praegu ma seda osa ei kasuta, see on minu jootekolvi vooluahel (kui ma mõtlen, kuidas termopaar otsa külge kinnitada)
Laminaatoris on vähe ruumi (mehhanismid asuvad väga tihedalt, tead ju Hiinas), kasutan väikest seitsmesegmendilist indikaatorit, aga see pole veel kõik, terve plaat ka ei mahu, siin on see mitmekülgsus plaadist tuleb kasuks, ma lõikan selle pooleks (kui kasutada pistikut, sobib ülemine osa paljudele ur5kby pisikutele.)
Seadistan, kõigepealt teen nii nagu foorumis kirjas, termopaari ei joota, panin 400 (kuigi kui see parameeter on mälus, siis see element kaob), seadsin muutujad umbes toatemperatuurile ja täpselt keemistemperatuurini,
Selline kontroller töötab teoreetiliselt kuni 999°C, kuid kodus sellist temperatuuri tõenäoliselt ei leia, maksimaalselt on tegemist lahtise tulega, kuid sellel soojusallikal on tugev mittelineaarsus ja tundlikkus välistingimuste suhtes.
siin on näidistabel.
ja ka selguse huvides
Seega on kontrolleri näitude reguleerimise allika valimisel vähe valikut.
Nuppudega ei mängita enam, kõike saab kokku korjata,
Kasutasin Hiina testri termopaari. Ja üks postitus foorumis andis mulle nõu, et seda termopaari saab korrutada, selle pikkus on peaaegu pool meetrit, lõikasin maha 2 cm.
Valmistan trafo söega keerates, see osutub palliks ja kahest otsast täpselt samamoodi, mööda vasktraati, et minu juhtmetega oleks hea jootma
MK-l. Selle süda on PIC16F628A mikrokontroller. Termomeetri vooluringis kasutatakse ühise anoodiga 4-kohalist või 2+2 LED-indikaatorit. Kasutatud temperatuuriandur on DS18B20 tüüpi ja minu puhul kuvatakse anduri näidud 0,5*C täpsusega. Termomeetril on temperatuuri mõõtmise piirid -55 kuni +125*C, millest piisab igaks juhuks. Termomeetri toiteks kasutati transistoriga 13001 IP-l tavalist mobiiltelefoni laadijat.
PIC16F628A mikrokontrolleri termomeetri skemaatiline diagramm:
PIC16F628A püsivara välgutamiseks kasutasin programmi ProgCode, installides selle arvutisse ja koostades ProgCode programmeerija vastavalt tuntud skeemile:
Kasutatava mikrokontrolleri tihvtide tähistus ja mõne muu sarnase MK tihvt:
Programm ProgCode ja juhised samm-sammult püsivara fotodega on foorumi arhiivis. Seal on ka kõik selle skeemi jaoks vajalikud failid. Programmis avage ja klõpsake nuppu "salvesta kõik" Minu valmistatud seadmes, nagu fotodelt näha, on korraga kokku pandud 2 termomeetrit, ülemine indikaator näitab temperatuuri kodus, alumine indikaator. näitab välistemperatuuri. See on paigutatud ruumi kõikjale ja ühendatakse ekraanil oleva painduva juhtmega.
Termopaari kasutatakse laialdaselt seal, kus on vaja täpselt mõõta kõrgeid temperatuure, ttemperatuur kuni 2500°C. See tähendab, et seal, kus digitaalsed andurid sureksid kohe ülekuumenemise tõttu, kasutatakse termopaare. Termopaare on üsna vähe, kuid kõige laialdasemalt kasutatavad on kromel-alumel (tüüp K) termopaare, mis on tingitud nende madalast maksumusest ja peaaegu lineaarsest termovõimsuse muutusest. Seda tüüpi termopaare paigaldatakse veesoojenditesse ja muudesse temperatuuri reguleerimisega kodumasinatesse, mida kasutatakse laialdaselt temperatuuri reguleerimiseks nende termopaaride abil, jootmisjaamas oleva otsa kuumenemine; Seetõttu on väga kasulik neid paremini tundma õppida.
Termopaar on kaks erinevatest metallidest valmistatud juhti, millel on ühine kokkupuutepunkt (ristmik). Selle kontakti punktis tekib potentsiaalide erinevus. Seda potentsiaali erinevust nimetatakse termovõimsuseks ja see sõltub otseselt temperatuurist, mille juures ristmik asub. Metallid valitakse nii, et termovõimsuse sõltuvus küttetemperatuurist oleks kõige lineaarsem. See lihtsustab temperatuuri arvutamist ja vähendab mõõtmisvigu.
Seega on laialdaselt kasutatavatel kromel-alumel termopaaridel näitude lineaarsus ja stabiilsus kogu mõõdetud temperatuurivahemikus üsna kõrge.
Allpool on kromel-alumel termopaaride (tüüp K) graafik, mis näitab saadud termovõimsuse sõltuvust ristmiku temperatuurist (artikli lõpus on link kõrgema eraldusvõimega graafikule):
Seega piisab, kui korrutada termovõimsuse väärtus vajaliku koefitsiendiga ja saada temperatuur ilma tabeliväärtuste ja lähendusega vaeva nägemata - üks koefitsient kogu mõõtmisvahemiku jaoks. Väga lihtne ja selge.
Kuid küsimus tekib termopaari ühendamise kohta mikrokontrolleriga. Selge on see, et kui termopaari väljundis on pinge, siis kasutame ADC-d, kuid potentsiaalide vahe termopaari väljundis on liiga väike, et midagi tuvastada. Seetõttu tuleb seda kõigepealt suurendada, kasutades näiteks operatiivvõimendit.
Võtame standardse mitteinverteeriva operatsioonivõimendi vooluringi:
Sisend- ja väljundpinge suhet kirjeldatakse lihtsa valemiga:
V välja/Vin = 1 + (R2/R1)
Signaali võimendus sõltub tagasisidetakistite R1 ja R2 väärtustest. Signaali võimenduse suurus tuleb valida, võttes arvesse seda, mida kasutatakse võrdluspingena.
Oletame, et mikrokontrolleri toitepinge on võrdluseks 5 V. Nüüd peame otsustama temperatuurivahemiku üle, mida me mõõdame. Mõõtmispiiriks võtsin 1000 °C. Selle temperatuuri väärtuse juures on termopaari väljundi potentsiaal ligikaudu 41,3 mV. See väärtus peaks vastama ADC-sisendi pingele 5 volti. Seetõttu peab operatsioonivõimendi võimendus olema vähemalt 120. Selle tulemusena sündis järgmine ahel:
Leidsin oma varust selle opampiga pikalt kokkupandud tahvli, mis on kokku pandud mikrofoni eelvõimendiks, seega kasutasin seda:
Kaherealise ekraani ühendamiseks ajaveebiplaadi mikrokontrolleriga koostasin järgmise skeemi:
Termopaar seisis ka pikka aega jõude - see tuli minu multimeetriga kaasa. Ristmik on suletud metallhülsi.
Bascom-AVR kood termopaariga töötamiseks:
$regfile
= "m8def.dat"
$kristall
=
8000000
Hämar
W NaguTäisarv
"kaherealise ekraani ühendamine
Konfig
Lcdpin = Pin, Rs = Portb. 0, E = Portd. 7, Db4 = port. 6, Db5 = port. 5, Db6 = portb. 7, Db7 = portb. 6
Konfig
LCD=
16
*
2
Kursor
Väljas
Cls
"ADC-st väärtuse lugemine taimeri katkestuse kaudu
Konfig
Taimer1=
Taimer, Eelskaala = 64
Peal
Taimer1 Acp
"ADC konfiguratsioon
Konfig
adc = Vallaline, Eelskaalaja = Automaatne , Viide = Avcc
Luba
Katkestused
Luba
Taimer1
Tee
Cls
Rem temperatuur:
LCD
"Teјѕepаїypa:"
Alumine rida
LCD
W
Waitms
200
Loop
"töötab ADC-ga
Acp:
Alusta
Adc "käivitage ADC
W=
Getadc(1
)
W= W/1. 28 "kohandame mõõtmised tegelikule temperatuurile
Tagasi
Lõpp
Viimasel ajal on erinevate astmeliste, astmeliste, laadimis- ja juhtimismoodulite sagedase kasutamise tõttu tekkinud vajadus laia mõõtevahemikuga termomeetri järele. Kuna saadaoleval multimeetril polnud temperatuuri mõõtmise funktsiooni, siis mõtlesin eraldi seadme soetamise peale. Keeldusin kohe sukeltermomeetritest – need on liiga inertsiaalsed. Kuigi püromeetrid võimaldavad mõõta temperatuuri kaugjuhtimisega, peletab neid nende hind ja nad ei hiilga kvaliteediga. Vähemalt need, mis minu kätte sattusid, ei olnud muljetavaldavad.
Otsingu tulemusena telliti elektrooniline termomeeter TM 902C hinnaga 3,99 dollarit 
Aliexpressis on palju sarnaseid seadmeid, kuid otsustasin selle kasuks järgmistel põhjustel:
- väga spetsialiseerunud seade ilma lisafunktsioonideta;
- lai mõõtmisulatus;
- seade on varustatud termopaariga TR-02, mille ülemine mõõtepiir on 750 kraadi Celsiuse järgi. 
Termomeetril on veel üks modifikatsioon - toiteallikaks on kaks AAA elementi, kuid komplektis on TP01 termopaar, mille mõõtepiirang on 350 (mõnede allikate järgi 400) kraadi. Ma ei näinud TP02 termopaari eraldi ostmisel mõtet ja pigistasin Krona toiteallikale silmad kinni.
Mida tootja ja müüja meile kõigile arusaadavas keeles juhiste järgi deklareerivad)? 
Kuigi vähesed meist mõistavad seda keelt, saavad vähemalt vähesed tehnilise kirjaoskusega inimesed aru, et seade:
- selle mõõtmetega 24 * 72 * 108
- toiteallikaks on 9 volti (Krona, 9F22);
- suhteline õhuniiskus ≤ 75%;
- võimeline mõõtma temperatuure -50 kuni 1300 kraadi Celsiuse järgi (1370 vastavalt juhistele);
- töötab vastava vahemiku K-tüüpi termopaaridega. 
Juhistes oleva teabe põhjal on seadme vead järgmised (Celsiuse järgi):
Alates – 40 kuni – 20: -± 3 kraadi;
-20 kuni – 0: -± 2 kraadi;
0 kuni 500: -± 0,75-1 kraad;
500 kuni 750: -± 1%;
750–1000 ja 1000–1370: ei saanud täpselt tõlgendada.
Kõige tavalisemad termopaarid on TP01 ja TP02, mille temperatuur on vastavalt -50 kuni 350 (400) ja -50 kuni 750 kraadi Celsiuse järgi.
Ostmisel esitati müüjale küsimus, milline termopaar komplekti tuleb.
Sai kinnitused, et termomeeter mõõdab temperatuure -50 kuni 750 kraadi, s.o. Komplekt sisaldab TP02 sondi, mida kinnitavad täiendavad testid.
Väliselt on seade valmistatud väga hoolikalt, valas on kvaliteetne. 
Kaal koos aku ja termopaariga 
Tagakaas on kinnitatud kahe kruviga. Samade kruvidega kinnitatakse ka plaat – lihtsalt, töökindlalt ja ökonoomselt.
Ekraan on plaadi külge kinnitatud kahe kruvi ja kahe riiviga. 
Vaatenurgad on laiad.
Sees on korpuse valamine vähem põhjalik, mis pole kriitiline. 
Laud on valmistatud getinaksist.
Tahvli neljast otsast ühe töötlemise kvaliteet (ärge unustage seadme hinda) 
1,9-tolline ekraan on tahvliga ühendatud juhtiva kummipaela kaudu, nii et ma ei eemaldanud ekraani - tõenäoliselt pole see võimalik ja pange see siis õigesti tagasi. 
Ekraani servas on aasad kruvidega korpuse külge kinnitamiseks - sellisel juhul sellist kinnitusskeemi ei kasutata.
Esineb valgusvoo jälgi, kuid arvan, et see ei mõjuta jõudlust kuidagi. 
Nagu näete, pole tahvlil peaaegu üldse elemente - tõenäoliselt on ekraani all peidus blob-mikroskeem, mis vastutab sondi signaali töötlemise, arvutuste tegemise ja teabe kuvamise eest ekraanil.
Olles uurinud seadme sisemaailma, liikusin edasi välikatsete juurde.
Algul kasutasin näitude võrdlemiseks sukelköögitermomeetrit ja toatermomeetrit. Sisemine ei äratanud pikka aega kindlustunnet ja arvati hiljem võistlusprogrammist välja.
Külmkapp sügavkülmik 
Vahetult pärast sügavkülmast väljavõtmist näitas sukelaparaat 0,2 kraadi madalamat, kuid samal ajal ei saa pildistada nii kiire reageerimise tõttu jälgitava objekti temperatuurimuutustele kui ka sukeltermomeetri inertsile.
Õues 
Veranda 
Tuba 
Kuum vesi 
Vee keemistemperatuur 
Järgmisena võeti soojusallikana kasutusele jootekolvid. Sukeltermomeetrit enam ei kasutata, kuna seda on raske punktsoojusallika külge kinnitada ja kogu keha soojendamine on keeruline. 
Viimasel fotol on näha, et kütteelemendi temperatuur on üle 400 kraadi, mis näitab, et komplektis on tegelikult TP02 termopaar.
Katsete käigus sai kergelt viga termopaari juhtme klaaskiust punutis - see kukkus gaasipliidi leeki. Seda võib aga ka prooviks pidada – see ei põlenud, vaid muutis vaid veidi värvi. 
Eelised hõlmavad järgmist:
- seadme kitsas spetsialiseerumine;
- korralik välimus ja teostus;
- komplektis termopaar TP02;
- mulle tundub, et on olemas piisav mõõtetäpsus ja tänu sellele ka lai mõõtevalik;
Ma ei leidnud muid miinuseid peale 9-voldise toiteallika ja termopaari kaitsekorgi puudumise.
