Napravite sopstveni termometar do 500 stepeni. Regulator visoke temperature baziran na termoelementu tipa K. Glavne vrste termoparova

Niz članaka o mjerenju temperature Arduino kontrolerima ne bi bio potpun bez priče o termoparovima. Štaviše, nema ničeg drugog za merenje 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 preciznost mjerenja, do greške ne veće od 0,01 °C;
• obično imaju nisku cijenu;
• smatraju se pouzdanim temperaturnim senzorima.

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 desetina, a ponekad čak i jedinica mV;
• kompenzacija termo-EMF hladnog spoja;
• linearizacija karakteristika termoelementa.

Princip rada termoparova.

Princip rada ovog tipa senzora zasniva se na termoelektričnom efektu (Seebeck efekt). Stoga je drugi naziv za termoelement termoelektrični pretvarač.

U krugu se stvara razlika potencijala između povezanih različitih metala. Njegova vrijednost ovisi o temperaturi. Zbog toga se naziva termo-emf. Različiti materijali imaju različite vrijednosti toplinske emf.

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

Dva različita metala 1 i 2 formiraju radni spoj u jednoj tački. Radni spoj se postavlja na tačku čiju temperaturu treba izmjeriti.

Hladni spojevi su tačke na kojima se metali termoelementa spajaju sa 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.

Najrasprostranjeniji termoparovi su XK (hromel - copel) i XA (hromel - alumel).

Kako praktično izmjeriti temperaturu pomoću termoelementa. Tehnika mjerenja.

Nazivna statička karakteristika (NSC) termoelementa data je u obliku tabele sa dve kolone: ​​temperatura radnog spoja i termo-emf. GOST R 8.585-2001 sadrži NSH termoelemente različite vrste, specificirano za svaki stepen. Može se preuzeti u PDF formatu sa ovog linka.

Za mjerenje temperature pomoću termoelementa slijedite ove korake:

• izmjeriti termo-EMF termoelementa (Etotal);
• izmjeriti temperaturu hladnog spoja (T cold junction);
• Koristeći NSH tablicu termoelementa, odredite termo-EMF hladnog spoja koristeći temperaturu hladnog spoja (E hladni spoj);
• odrediti termo-EMF radnog spoja, tj. dodati EMF hladnog spoja ukupnom termo-EMF (E radni spoj = E ukupno + E hladni spoj);
• Pomoću tabele NSH odredite temperaturu radnog spoja koristeći termo-EMF radnog spoja.

Evo primjera kako sam mjerio temperaturu vrha lemilice koristeći TXA termoelement.

• Dotaknuo sam radni spoj na vrh lemilice i izmjerio napon na terminalima termoelementa. Rezultat je bio 10,6 mV.
• Temperatura okruženje, tj. temperatura hladnog spoja je približno 25 °C. EMF hladnog spoja iz tabele GOST R 8.585-2001 za termoelement K-tipa na 25 °C je 1 mV.
• Toplotni EMF radnog spoja je 10,6 + 1 = 11,6 mV.
• Temperatura iz iste tabele 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 termoelement iz testera. Ovo ću koristiti u termometru.

Parametri navedeni na pakovanju su:

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

Opseg mjerenja je baziran na kablu od fiberglasa. Postoji sličan termoelement TP-02, ali sa sondom dužine 10 cm.

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

• za termoelement tipa TXA;
• sa mjernim opsegom – 60 … + 700 °C.

Kada shvatite program i shemu strujnog kola uređaja, možete kreirati mjerač za termoelemente bilo koje vrste sa bilo kojim mjernim rasponom.

Preostala funkcionalnost termometra je ista kao kod uređaja iz prethodna tri lekcija, uključujući i funkciju bilježenja promjena temperature.

PIC16F676 Primjena: stanica za lemljenje, kontrola visokotemperaturnih procesa itd. sa funkcijom PID kontrole grijaćeg elementa

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 moje kolo za lemilicu (kada skontam kako da pričvrstim termoelement na vrh)

Nema dovoljno prostora u laminatoru (mehanizmi su locirani vrlo 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 razvojnim detaljima 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 se takva temperatura 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 ugljem, dobije se kuglica, a na dva kraja potpuno ista, po bakrenoj zici, za dobro lemljenje na moje zice.

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 moje kolo 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 malim sitnicama 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 se takva temperatura 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 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 ugljem, ispada da je kugla, a na dva kraja je potpuno isto, uz bakarnu zicu, za dobro lemljenje na moje zice

Termopar je tip temperaturnog senzora koji se može koristiti u mernih uređaja i sistemi 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. ).

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 vrstu 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.

U posljednje vrijeme, zbog česte upotrebe različitih modula za smanjenje, povećanje, punjenje i kontrolu, pojavila se potreba za termometrom sa širokim mjernim opsegom. Budući da dostupni multimetar nije imao funkciju mjerenja temperature, razmišljao sam o kupovini zasebnog uređaja. Odmah sam odbacio termometre za uranjanje - previše su inercijski. Pirometri, iako vam omogućavaju daljinsko mjerenje temperature, odvraćaju ih 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 će nekoliko tehnički pismenih ljudi 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 kreću se na sljedeći način (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 temeljna, što nije kritično.

Ploča je napravljena 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.
Proučivši unutrašnji svet uređaja, prešli na terensko testiranje.
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 kabla termoelementa je bila malo oštećena i završila u plamenu. šporet na plin. Međutim, ovo se može smatrati i testom - nije izgorjelo, već je samo malo promijenilo boju.


Prednosti uključuju:
- uska specijalizacija uređaja;
- pristojan izgled i kvalitet izvođenja;
- 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.