Vyrobte si vlastný teplomer do 500 stupňov. Vysokoteplotný regulátor založený na termočlánku typu K. Hlavné typy termočlánkov

Séria článkov o meraní teploty pomocou ovládačov Arduino by bola neúplná bez príbehu o termočlánkoch. Navyše nie je nič iné na meranie vysokých teplôt.

Termočlánky (termoelektrické meniče).

Všetky teplotné senzory z predchádzajúcich hodín umožňovali merať teplotu v rozsahu nie širšom ako – 55 ... + 150 °C. Pre meranie vyšších teplôt sú najbežnejšími snímačmi termočlánky. Oni:

• majú extrémne široký rozsah merania teploty -250 … +2500 °C;
• možno kalibrovať pre vysokú presnosť merania až do chyby nie väčšej ako 0,01 °C;
• zvyčajne majú nízku cenu;
• sa považujú za spoľahlivé snímače teploty.

Hlavnou nevýhodou termočlánkov je potreba pomerne zložitého presného merača, ktorý musí poskytovať:

• meranie nízkych hodnôt termo-EMF s hornou hodnotou v rozmedzí desiatok a niekedy dokonca jednotiek mV;
• kompenzácia termo-EMF studeného konca;
• linearizácia charakteristík termočlánkov.

Princíp činnosti termočlánkov.

Princíp činnosti tohto typu snímača je založený na termoelektrickom efekte (Seebeckov efekt). Preto je ďalším názvom termočlánku termoelektrický konvertor.

V obvode sa medzi spojenými rozdielnymi kovmi vytvára potenciálny rozdiel. Jeho hodnota závisí od teploty. Preto sa nazýva termo-emf. Rôzne materiály majú rôzne hodnoty tepelného emf.

Ak sú v obvode spoje (spojky) rôznych vodičov spojené do kruhu a majú rovnakú teplotu, potom sa súčet termo-EMF rovná nule. Ak sú prechody drôtov pri rôznych teplotách, potom celkový potenciálny rozdiel medzi nimi závisí od teplotného rozdielu. V dôsledku toho sa dostávame k návrhu termočlánku.

Dva rozdielne kovy 1 a 2 tvoria pracovné spojenie v jednom bode. Pracovná križovatka je umiestnená v bode, ktorého teplotu je potrebné merať.

Studené spoje sú miesta, kde sa kovy termočlánku spájajú s iným kovom, zvyčajne s meďou. Môžu to byť svorkovnice meracieho prístroja alebo medené komunikačné vodiče k termočlánku. V každom prípade je potrebné zmerať teplotu studeného konca a zohľadniť ju pri výpočte nameranej teploty.

Hlavné typy termočlánkov.

Najpoužívanejšie termočlánky sú XK (chromel - kopel) a XA (chromel - alumel).

Ako prakticky merať teplotu pomocou termočlánku. Technika merania.

Menovitá statická charakteristika (NSC) termočlánku je uvedená vo forme tabuľky s dvoma stĺpcami: teplota pracovného spoja a termoemf. GOST R 8.585-2001 obsahuje termočlánky NSH odlišné typy, špecifikované pre každý stupeň. Dá sa stiahnuť vo formáte PDF z tohto odkazu.

Ak chcete merať teplotu pomocou termočlánku, postupujte takto:

• zmerajte termo-EMF termočlánku (Etotal);
• zmerajte teplotu studeného spoja (T studený spoj);
• Pomocou tabuľky NSH termočlánku určte termo-EMF studeného spoja pomocou teploty studeného konca (E studený spoj);
• určiť termo-EMF pracovnej križovatky, t.j. pripočítajte EMF studeného spoja k celkovému termo-EMF (E pracovný spoj = E celkový + E studený spoj);
• Pomocou tabuľky NSH určte teplotu pracovného spoja pomocou termo-EMF pracovného spoja.

Tu je príklad, ako som zmeral teplotu hrotu spájkovačky pomocou termočlánku TXA.

• Dotkol som sa pracovného spoja hrotu spájkovačky a zmeral som napätie na svorkách termočlánku. Výsledok bol 10,6 mV.
• Teplota životné prostredie, t.j. teplota studeného spoja je približne 25 °C. EMF studeného spoja z tabuľky GOST R 8.585-2001 pre termočlánok typu K pri 25 ° C je 1 mV.
• Tepelné EMF pracovného spojenia je 10,6 + 1 = 11,6 mV.
• Teplota z rovnakej tabuľky pre 11,6 mV je 285 °C. Toto je nameraná hodnota.

Túto postupnosť akcií musíme implementovať v programe teplomeru Arduino.

Arduino teplomer na meranie vysokých teplôt pomocou termočlánku typu TXA.

Našiel som termočlánok TP-01A. Typický, široko používaný TCA termočlánok z testera. To je to, čo použijem v teplomere.

Parametre na obale sú:

• typ K;
• rozsah merania – 60 … + 400 °C;
• Presnosť ±2,5% do 400°C.

Rozsah merania je založený na kábli zo sklenených vlákien. Existuje podobný termočlánok TP-02, ale s 10 cm dlhou sondou.

TP-02 má horný limit merania 700 °C. Vyvinieme teda teplomer:

• pre termočlánok typu TXA;
• s rozsahom merania – 60 … + 700 °C.

Keď pochopíte program a schému zapojenia zariadenia, môžete vytvoriť merač pre termočlánky akéhokoľvek typu s akýmkoľvek rozsahom merania.

Zostávajúca funkčnosť teplomera je rovnaká ako u prístrojov z predchádzajúcich troch lekcií, vrátane funkcie zaznamenávania zmien teploty.

PIC16F676 Použitie: spájkovacia stanica, riadenie vysokoteplotných procesov atď. s funkciou PID regulácie vykurovacieho telesa

Rozhodol som sa vložiť do svojho laminátora teplomer, termočlánkový teplomer typu K. Aby to bolo pre mňa informatívnejšie, domnievam sa, že hobby rádioamatér nemôže byť spokojný, keď na takomto zariadení svietia len dve LED diódy „POWER“ a „READY“. Šatku aranžujem pre moje detaily. Pre každý prípad, s možnosťou znížiť ho na polovicu (to je určitá všestrannosť). Hneď s miestom pre silovú časť na tyristore, ale túto časť zatiaľ nepoužívam, toto bude môj obvod pre spájkovačku (keď prídem na to, ako pripojiť termočlánok na hrot)

V laminátore je málo miesta (mechanizmy sú umiestnené veľmi natesno, poznáte to v Číne), používam malý sedemsegmentový indikátor, ale to nie je všetko, nezmestí sa ani celá doska, tu je tá všestrannosť dosky príde vhod, rozrezal som ju na polovicu (ak použijete konektor, horná časť sa hodí k mnohým vývojom na tipoch od ur5kby.)

Nastavím, najprv urobím ako je uvedené vo fóre, v termočlánku nepájkujem, nastavím 400 (aj keď ak je tento parameter v pamäti táto položka zmizne), premenné nastavím na približne izbovú teplotu a presne do bodu varu,

Takýto regulátor pracuje teoreticky do 999°C, ale doma sa takáto teplota len ťažko nájde, maximálne je to otvorený oheň, ale tento zdroj tepla má silnú nelinearitu a citlivosť na vonkajšie podmienky.

tu je vzorová tabuľka.
a tiež kvôli prehľadnosti

Takže pri výbere zdroja na úpravu hodnôt regulátora je malý výber.

Už sa nemusíte hrať s gombíkmi, všetko sa dá zbierať,
Použil som termočlánok z čínskeho testera. A príspevok vo fóre mi poradil, že tento termočlánok sa dá znásobiť, jeho dĺžka je takmer pol metra, odrezal som 2 cm.

Vyrábam transformátor tak, že ho krútim dreveným uhlím, získa sa guľa a oba konce sú spojené presne rovnakým spôsobom pozdĺž medeného drôtu, aby sa moje drôty dobre spájkovali.

Rozhodol som sa vložiť do svojho laminátora teplomer, termočlánkový teplomer typu K. Aby to bolo pre mňa informatívnejšie, domnievam sa, že hobby rádioamatér nemôže byť spokojný, keď na takomto zariadení svietia len dve LED diódy „POWER“ a „READY“. Šatku aranžujem pre moje detaily. Pre každý prípad, s možnosťou znížiť ho na polovicu (to je určitá všestrannosť). Hneď s miestom pre silovú časť na tyristore, ale túto časť zatiaľ nepoužívam, toto bude môj obvod pre spájkovačku (keď prídem na to, ako pripojiť termočlánok na hrot)

V laminátore je málo miesta (mechanizmy sú umiestnené veľmi natesno, poznáte to v Číne), používam malý sedemsegmentový indikátor, ale to nie je všetko, nezmestí sa ani celá doska, tu je tá všestrannosť dosky príde vhod, rozrezal som ju na polovicu (ak použijete konektor, horná časť sa hodí k mnohým vývojom na tipoch od ur5kby.)

Nastavím, najprv urobím ako je uvedené vo fóre, v termočlánku nepájkujem, nastavím 400 (aj keď ak je tento parameter v pamäti táto položka zmizne), premenné nastavím na približne izbovú teplotu a presne do bodu varu,

Takýto regulátor pracuje teoreticky do 999°C, ale doma sa takáto teplota len ťažko nájde, maximálne je to otvorený oheň, ale tento zdroj tepla má silnú nelinearitu a citlivosť na vonkajšie podmienky.

tu je vzorová tabuľka.

a tiež kvôli prehľadnosti

Takže pri výbere zdroja na úpravu hodnôt regulátora je malý výber.

Už sa nemusíte hrať s gombíkmi, všetko sa dá zbierať,
Použil som termočlánok z čínskeho testera. A príspevok vo fóre mi poradil, že tento termočlánok sa dá znásobiť, jeho dĺžka je takmer pol metra, odrezal som 2 cm.

Vyrábam transformátor tak, že ho krútim dreveným uhlím, ukáže sa, že je to guľa, a na dva konce je to presne to isté, pozdĺž medeného drôtu, aby sa moje drôty dobre spájkovali

Termočlánok je typ snímača teploty, ktorý možno použiť meracie zariadenia a automatizačné systémy. Má určité výhody: nízku cenu, vysokú presnosť, široký rozsah merania v porovnaní s termistormi a mikroobvodmi digitálnych snímačov teploty, jednoduchosť a spoľahlivosť. Výstupné napätie termočlánku je však malé a relatívne a obvod merača termočlánku je zložitý, pretože existujú prísne požiadavky na presné zosilnenie signálu z termočlánku a na kompenzačný obvod. Na vývoj takýchto zariadení existujú špecializované mikroobvody, ktoré integrujú obvod na konverziu a spracovanie analógového signálu. Pomocou týchto mikroobvodov môžete postaviť pomerne kompaktný merač teploty s termočlánkom ako snímačom (obrázok 1).

Princípy

Wikipedia definuje princíp fungovania termočlánku takto:

Princíp činnosti je založený na Seebeckovom efekte alebo inými slovami na termoelektrickom efekte. Medzi pripojenými vodičmi je rozdiel kontaktných potenciálov. Ak sú spoje vodičov spojených do kruhu pri rovnakej teplote, súčet takýchto rozdielov potenciálov sa rovná nule. Keď sú spoje pri rôznych teplotách, potenciálny rozdiel medzi nimi závisí od rozdielu teplôt. Koeficient úmernosti v tejto závislosti sa nazýva koeficient termo-EMF. Rôzne kovy majú rôzne koeficienty termo-emf, a preto sa potenciálny rozdiel medzi koncami rôznych vodičov bude líšiť. Umiestnením spojenia kovov s výbornými termo-EMF koeficientmi do prostredia s teplotou T1 získame napätie medzi protiľahlými kontaktmi umiestnenými pri inej teplote T2, ktoré bude úmerné rozdielu teplôt T1 a T2 (obrázok 2 ).

Existuje niekoľko typov termočlánkov v závislosti od dvojice použitých materiálov (čistý kov alebo zliatina). V našom projekte používame termočlánok typu K (chromel-alumel), ktorý sa často používa v priemyselných nástrojoch a prístrojoch. Výstupné napätie termočlánku typu K je približne 40 µV/°C, takže bude potrebný obvod zosilnenia signálu s malým posunom napätia na vstupe.

Ako bolo uvedené vyššie, termoemf je úmerná teplotnému rozdielu medzi studeným a horúcim spojom. To znamená, že na výpočet skutočnej teploty horúceho spoja musí byť známa teplota studeného spoja. Na to budete potrebovať kompenzačný obvod studeného konca, ktorý automaticky zavedie korekciu nameraného termo-EMF (obrázok 3).

Na získanie hodnoty teploty pomocou termočlánku budete potrebovať analógové obvody, ako je presný operačný zosilňovač a obvod kompenzácie studeného spoja. Existuje však niekoľko typov špecializovaných mikroobvodov so zabudovaným termočlánkovým rozhraním. Tieto čipy integrujú vyššie uvedené analógové obvody a výrazne zjednodušujú dizajn. V našom prípade sme zvolili čip MAX31855 od firmy. Obsahuje analógový obvod a analógovo-digitálny prevodník, preto na výstupe mikroobvodu dostaneme digitálne dáta. Pred zakúpením mikroobvodu je potrebné vopred určiť typ termočlánku, ktorý sa bude v zariadení používať.

Hlavné charakteristiky čipu MAX31855:

• Rozsah merania teploty: od -270 °C do +1800 °C;
• Rozlíšenie: 14 bitov, krok 0,25 °C;
• Jednoduché rozhranie kompatibilné s SPI (režim čítania údajov);
• Obvod kompenzácie referenčného spoja termočlánku;
• Obvod na detekciu skratu termočlánkových vodičov k napájacej zbernici a spoločnej zbernici;
• Obvod na detekciu prerušenia meracieho obvodu;
• Verzie pre termočlánky typu K, J, N, T a E;
• 8-pinové balenie.

Kompenzácia studených spojov je realizovaná pomocou teplotného snímača integrovaného do čipu, takže jednou z dôležitých podmienok pri montáži merača je umiestnenie čipu priamo ku konektoru termočlánku. Dôležitou podmienkou je aj izolácia tejto jednotky od vonkajšieho tepla. Na pripojenie sme použili konektor znázornený na obrázku 4. Je možné použiť aj iné typy konektorov.

Schematický diagram merača teploty je znázornený na obrázku 5.

Srdcom zariadenia je mikrokontrolér AVR. Čip MAX31855 sa pripája k mikrokontroléru cez rozhranie SPI.

Ako zdroj energie je použitá batéria LR1 s napätím 1,5 V Na napájanie mikrokontroléra a čipu rozhrania termočlánku je použitý obvod boost DC/DC prevodníka, založený na čipe série XC9111, ktorý poskytuje výstupné napätie 3,0 V. Mikrokontrolér riadi napájanie a monitoruje napätie batérie.

Keďže na napájanie je použitá 1,5 V batéria, na zobrazenie údajov je optimálne použiť segmentový statický LCD indikátor TWV1302W, ktorý sa používa v digitálnych prístrojoch na meranie teploty (obrázok 6). Prevádzkové napätie tohto indikátora je 3 V. Pri použití indikátora s prevádzkovým napätím 5 V bude potrebný dodatočný obvod meniča napätia (obrázok 7). Funkcie riadenia indikátorov sú vykonávané mikrokontrolérom. Pri tomto riešení bude prúd spotrebovaný zariadením 4 mA a batéria vydrží minimálne 100 hodín.

V poslednej dobe z dôvodu častého používania rôznych zostupných, zostupných, nabíjacích a riadiacich modulov vznikla potreba teplomeru so širokým rozsahom merania. Keďže dostupný multimeter nedisponoval funkciou merania teploty, uvažoval som o kúpe samostatného prístroja. Ponorné teplomery som hneď zavrhol – sú príliš zotrvačné. Pyrometre síce umožňujú merať teplotu na diaľku, no odrádza ich cena a nesvietia kvalitou. Aspoň tie, ktoré sa mi dostali do rúk, neboli pôsobivé.
Výsledkom hľadania bol elektronický teplomer TM 902C za 3,99 USD


Na Aliexpress je veľa podobných zariadení, ale rozhodol som sa pre toto z nasledujúcich dôvodov:
- vysoko špecializované zariadenie bez dodatočných funkcií;
- široký rozsah merania;
- prístroj je vybavený termočlánkom TR-02 s horným limitom merania 750 stupňov Celzia.

Existuje ďalšia modifikácia teplomera - poháňaná dvoma AAA prvkami, ale doplnená termočlánkom TP01 s limitom merania 350 (400 podľa niektorých zdrojov) stupňov. Nevidel som zmysel v kúpe termočlánku TP02 samostatne a prižmúril som oči pred napájaním od spoločnosti Krona.
Čo nám deklaruje výrobca a predajca podľa návodu v jazyku, ktorému všetci rozumieme)?

Hoci málokto z nás skutočne rozumie jazyku, aspoň pár technicky zdatných ľudí pochopí, že zariadenie:
- s rozmermi 24 * 72 * 108
- napájané 9 V (Krona, 9F22);
- relatívna vlhkosť ≤ 75 %;
- schopný merať teploty od -50 do 1300 stupňov Celzia (1370 podľa návodu);
- pracuje s termočlánkami typu K zodpovedajúceho rozsahu.

Podľa informácií v pokynoch sú chyby zariadenia nasledovné (v stupňoch Celzia):
Od – 40 do – 20: -± 3 stupne;
Od -20 do - 0: -± 2 stupne;
Od 0 do 500: -± 0,75-1 stupeň;
Od 500 do 750: -± 1 %;
Od 750 do 1000 a od 1000 do 1370: nebolo možné presne interpretovať.
Najbežnejšie termočlánky sú TP01 a TP02 s rozsahmi od -50 do 350 (400) a od -50 do 750 stupňov Celzia.
Pri nákupe bola predajcovi položená otázka, aký druh termočlánku bude súčasťou súpravy.
Dostali sa ubezpečenia, že teplomer bude merať teploty od -50 do 750 stupňov, t.j. Súprava bude obsahovať sondu TP02, čo potvrdzujú ďalšie testy.
Vonkajšie je zariadenie vyrobené veľmi starostlivo, odliatok je vysoko kvalitný.

Hmotnosť s batériou a termočlánkom

Zadný kryt je zaistený dvoma skrutkami. Doska je tiež zaistená rovnakými skrutkami - jednoducho, spoľahlivo a ekonomicky.
Displej je pripevnený k doske pomocou dvoch skrutiek a dvoch západiek.

Pozorovacie uhly sú široké.
Vo vnútri je odlievanie puzdra menej starostlivé, čo nie je kritické.

Doska je vyrobená z getinaxu.
Kvalita spracovania jedného zo štyroch koncov dosky (nezabudnite na cenu zariadenia)

1,9-palcový displej je pripojený k doske pomocou vodivej gumičky, takže som obrazovku neodstránil - je nepravdepodobné, že by to bolo možné, a potom som ju správne vrátil späť.

Na okraji obrazovky sú očká na upevnenie pomocou skrutiek k puzdru - v tomto prípade sa takáto schéma upevnenia nepoužíva.
Sú tam ľahké stopy toku, ale myslím si, že to žiadnym spôsobom neovplyvní výkon.

Ako vidíte, na doske nie sú takmer žiadne prvky - pod obrazovkou je pravdepodobne skrytý mikroobvod blob, ktorý je zodpovedný za spracovanie signálu zo sondy, vykonávanie výpočtov a zobrazovanie informácií na obrazovke.
Po štúdiu vnútorný svet zariadenie, pristúpilo k testovaniu v teréne.
Najprv som na porovnanie nameraných hodnôt použil ponorný kuchynský teplomer a izbový teplomer. Tá halová dlho nevzbudzovala dôveru a následne bola vyradená z programu súťaže.
Chladnička s mrazničkou

Tá ponorná hneď po vybratí z mrazničky ukazovala o 0,2 stupňa nižšie, no nie je možné súčasne fotografovať pre rýchlu reakciu na zmeny teploty sledovaného objektu a zotrvačnosť ponorného teplomera.
Vonku

Veranda

Izba

Horúca voda


Bod varu vody


Ďalej boli ako zdroj tepla použité spájkovačky. Ponorný teplomer sa už nepoužíva, pretože je ťažké ho pripevniť na bodový zdroj tepla a je ťažké zahriať celé telo.






Posledná fotografia ukazuje, že teplota vykurovacieho telesa je nad 400 stupňov, čo naznačuje, že súprava skutočne obsahuje termočlánok TP02.
Pri testoch sa mierne poškodil sklolaminátový oplet termočlánkovej šnúry – zachytil sa v plameňoch plynová pec. Aj to sa však dá považovať za test – nebol prepálený, ale len mierne zmenil farbu.


Medzi výhody patrí:
- úzka špecializácia zariadenia;
- slušný vzhľad a kvalitu prevedenia;
- kompletný s termočlánkom TP02;
- zdá sa mi dostatočná presnosť merania a vďaka tomu široká škála meraní;
Nenašiel som žiadne nevýhody okrem 9V napájacieho zdroja a chýbajúceho ochranného uzáveru termočlánku.