Wie man Thermoelemente in Ihrem nächsten Projekt verwendet

Thermoelemente sind der letzte Sensor-Typ in einer Reihe, in der wir uns alle Haupttypen von Temperatursensoren ansehen, die Sie in einem Elektronikprojekt verwenden könnten. In dieser Serie haben wir die verschiedenen Möglichkeiten betrachtet, wie man unterschiedliche Temperatursensoren in Ihrem Projekt implementieren kann. Am Ende der Serie werden wir die Sensoren und Implementierungen in einem Wettbewerb unter realen Bedingungen gegeneinander antreten lassen. Durch diese Tests unter realen Bedingungen werden wir ein besseres Verständnis dafür gewinnen, wie sich verschiedene Sensoren verhalten und auf wechselnde Bedingungen reagieren, sowie wie linear und genau ihre Ausgabe der gemessenen Temperatur ist.

Sie können die Design-Dateien für dieses Projekt unter der Open-Source-MIT-Lizenz auf GitHub finden, genau wie bei all meinen anderen Projekten. Sie dürfen die Schaltungen oder das Projekt verwenden, wie Sie möchten, auch für kommerzielle Projekte.

Temperatursensoren sind für viele Industrien von entscheidender Bedeutung, und Thermoelemente mehr als die meisten. Thermoelemente können unglaublich präzise sein und haben einen enormen Bereich von Messtemperaturen, was sie ideal für viele industrielle thermostatische, Prozesssteuerungs- und Überwachungsanwendungen macht. In dieser Serie werden wir uns eine Reihe verschiedener Sensortypen ansehen und wie man sie am besten verwendet. Wir werden uns ansehen:

• Negative Temperaturkoeffizient (NTC) Thermistoren
• Positive Temperaturkoeffizient (PTC) Thermistoren
• Widerstandstemperaturfühler (RTD)
• Analoge Temperatursensor-ICs
• Digitale Temperatursensor-ICs
• Thermoelemente

Zuvor haben wir zwei Projektvorlagen im Einführungsartikel dieser Serie über Temperatursensoren erstellt. Diese Projektvorlagen haben jeweils die gleiche Schnittstelle und Steckplatzanordnung, was uns ermöglicht, ein standardisiertes Test-Setup für alle verschiedenen Temperatursensoren, die wir betrachten, zu haben. Eines dieser Projekte ist für digitale Temperatursensoren konzipiert und das andere für analoge Temperatursensoren. In diesem Artikel werden wir beide nutzen, wobei wir die digitale Projektvorlage für einen hochauflösenden ADC und die analoge Vorlage für alle anderen Implementierungen verwenden.

Zum Abschluss dieser Serie werden wir zwei Host-Boards für diese Sensorkarten bauen, eines ist dafür ausgelegt, eine einzelne Karte für Validierungszwecke zu testen, und das andere ist dafür konzipiert, eine Stapelung von Karten zu verbinden. Dieses zweite Host-Board, sobald wir mehrere Sensoren darauf montiert haben, wird verwendet, wenn wir die Leistung aller Sensorenimplementierungen bewerten.

Thermoelemente

Wenn Sie extreme Temperaturen messen möchten, die über alle Sensoren hinausgehen, die wir bereits betrachtet haben, dann könnten Sie auf der Suche nach einem Thermoelement sein. Thermoelemente funktionieren ganz anders als alle anderen Sensoren, die wir betrachtet haben. Anstatt eine Änderung des Widerstands zu messen, erzeugen Thermoelemente eine Potentialdifferenz (Spannung) aus zwei verschiedenen Metalllegierungen, die zusammen geschweißt sind. Dies ermöglicht es Ihnen, von absolutem Nullpunkt bis über den Schmelzpunkt von Eisen und Stahl hinaus zu messen, mit dem richtigen Thermoelement. Thermoelemente sind auch sehr robust gebaut und brechen nicht so leicht wie alle anderen Sensoren, die wir in diesem Projekt betrachtet haben. Thermoelemente sind nicht so genau wie ein Widerstandstemperaturdetektor sein kann, aber für die meisten Anwendungen genau genug, besonders wenn man den riesigen Temperaturbereich bedenkt.

Die Tatsache, dass Thermoelemente Elektrizität aus Temperatur erzeugen, macht sie auch wertvoll in der Raumfahrt als Energiequelle. Tausende von Thermoelementen in Serie um eine radioaktive Wärmequelle erzeugen einen Radioisotopenthermoelektrischen Generator, der bei Tiefraummissionen wie den Voyager-Sonden, Cassini und New Horizons sowie dem Curiosity-Rover auf dem Mars unter anderem verwendet wurde.

Für unsere Zwecke ist ein K-Typ Thermoelement, bestehend aus Nickel-Chrom für die positive Leitung und Nickel-Aluminium für die negative Leitung, bei weitem der häufigste und günstigste Typ eines Thermoelements, den wir verwenden werden. Mit einem K-Typ Thermoelement können Sie Temperaturen von -270C bis etwa 1372C messen, was jeweils -6,458mV bis 54,886mV erzeugt. Wie Sie sehen können, ist die Menge der Spannung, die über diesen weiten Temperaturbereich erzeugt wird, ziemlich minimal, daher benötigen wir einige Schaltkreise, um die Temperatur aus dieser winzigen Spannung messen zu können. Es ist erwähnenswert, dass nicht alle K-Typ Thermoelemente in der Lage sind, die maximale Temperatur, die die thermische Verbindung aushalten kann, zu widerstehen - viele sehr kostengünstige K-Typ Thermoelemente können möglicherweise nur 500-700C aushalten, bevor ihre Isolierung sich verschlechtert. Die Implementierung eines kostengünstigen, niedrigtemperatur K-Typ und eines höherpreisigen, hochtemperatur K-Typ Thermoelements wird typischerweise gleich sein, da es die thermische Verbindung ist, die das Spannungspotenzial liefert, das wir lesen. Das heißt, nicht alle Metalle sind gleich geschaffen, und einige billigere Thermoelemente verwenden möglicherweise weniger reine Metalle oder haben andere Abkürzungen, die die teureren Optionen zu einer besseren Wahl machen könnten.

Neben der Leistung des Thermoelements gibt es weitere Überlegungen, die man beachten sollte, wenn man mit Thermoelementen arbeitet, um sicherzustellen, dass die Genauigkeit wie erwartet ist. Sie sollten den größtmöglichen Drahtdurchmesser für das Thermoelement verwenden, solange dieser nicht die Wärme vom Messbereich wegleitet. Ich habe K-Typ-Thermoelemente von McMaster Carr verwendet, die einen 8-Gauge-Draht mit gegossenen Keramikabschnitten zur Isolierung haben - perfekt für Druckguss- und Wärmebehandlungsanwendungen. Der dicke Draht ermöglicht einen geringeren Drahtwiderstand, um eine präzisere Messung zu liefern, sowie eine geringere Chance, den Draht zu zerstören. Mechanischer Stress und Vibrationen können die Leitung eines Thermoelements schnell beschädigen, daher sollte Ihr Thermoelement so weit wie möglich von beidem isoliert sein. Wenn Sie lange Thermoelementdrähte haben, verwenden Sie eine verdrillte Paarverlängerung, die abgeschirmt ist, um die Immunität gegen Störungen zu verbessern, die das Ablesen der kleinen Spannungen, die von der heißen Verbindungsstelle erzeugt werden, erschweren könnten. Wenn Sie ein Verlängerungskabel verwenden, sollte die Verbindung zum Kabel des Thermoelements so nah wie möglich an der Temperatur des Umwandlungs-ICs sein, da sich an dieser Schnittstelle zwischen Verlängerung und Thermoelement die kalte Verbindungsstelle befindet.

Die Temperatur genau von einem Thermoelement abzulesen, ist nicht ganz so einfach, wie nur die Spannung zu verstärken. Um eine genaue Messung zu erhalten, benötigen wir auch einen Referenzpunkt für die Messung, der üblicherweise als Kaltstelle bezeichnet wird. Wenn Sie das Thermoelement mit Ihrer Platine oder einfach einem Verlängerungskabel verbinden, erstellen Sie eine Verbindung zwischen zwei weiteren unterschiedlichen Metallen. Daher erzeugen Sie zwei weitere thermo-elektrische Verbindungen an der "Kaltstelle" - wobei das Ende des Thermoelements, das die Temperatur misst, die "Heißstelle" ist.

Es gibt mehrere Methoden zur Durchführung der Kaltstellenkompensation; jedoch sind die meisten für eine PCB nicht praktikabel. Die Methode, die die meisten Thermoelement-Umsetzungs-ICs verwenden, besteht darin, die Temperatur des ICs als Offset für die Verbindungstemperatur zu verwenden. Daher ist es entscheidend für eine genaue Messung, dass der Anschluss für das Thermoelement nahe an Ihrem Umsetzungs-IC liegt und die gleiche Temperatur wie der Umsetzungs-IC hat. In diesem Projekt werden wir uns nur darauf konzentrieren, ein Thermoelement mit einem Umsetzungs-IC zu verwenden. Dies vereinfacht den Prozess erheblich, ohne hohe Kosten im Vergleich zum Hinzufügen zusätzlicher Komponenten, ganz zu schweigen von Ingenieur- und Testzeit, um die Kaltstellenkompensation in Ihrem Mikrocontroller-Code durchzuführen.

In diesem Projekt werden wir zwei Thermoelement-Verstärker implementieren, die ein K-Typ-Thermoelement lesen.

Thermoelement-Implementierung: MAX31855

Dies ist zweifellos der beliebteste Thermoelement-Schnittstellen-IC, der verfügbar ist, mit einem unterschiedlichen IC-Modell für jeden Thermoelementtyp. Der MAX31855 unterstützt K-, J-, N-, T-, S-, R- und E-Typ-Thermoelemente, was alles abdeckt, was Sie in der realen Welt wahrscheinlich antreffen werden. Der Buchstabenzusatz nach MAX31855 ist der Thermoelementtyp, also verwende ich für dieses Projekt den MAX31855K, um mit meinem K-Typ-Thermoelement zu arbeiten. Der MAX31855 verfügt intern über einen 14-Bit-ADC und kommuniziert seine Messwerte über einen SPI-Bus. Trotz der Fähigkeit, Temperaturen bis zu 1800C zu lesen und bis zu 270c herunter, bietet der ADC eine Auflösung von 0,25c mit einer Genauigkeit von +/- 2C für K-Typ-Thermoelemente zwischen -200c und +700c. Wie oben erwähnt, ist die Kaltstellenkompensation entscheidend für eine genaue Messung mit einem Thermoelement, und der MAX31855 kümmert sich transparent um diese sowie um die Signalverarbeitung des Ausgangs des Thermoelements.

Während der MAX31855 SPI verwendet, handelt es sich um ein reines Lese-Gerät, sodass der MOSI-Pin nicht genutzt wird, was bedeutet, dass nur 3 Datenleitungen zum integrierten Schaltkreis erforderlich sind. Je nachdem, welche anderen SPI-Geräte Sie verwenden, könnte dies Ihnen einen Mikrocontroller-Pin sparen oder zumindest das Routing zum Thermoelement-zu-Digital-Wandler-IC erleichtern. Da wir über das Kommunikationsprotokoll sprechen, sollten Sie aus praktischer Erfahrung keine schnellen Umwandlungsanfragen an den MAX31855 stellen - wenn Sie dies tun, sind fehlerhafte Ergebnisse wahrscheinlich. Ich finde, dass 4 Anfragen pro Sekunde eine sichere Geschwindigkeit für Temperaturanfragen sind, um zuverlässige Daten zu gewährleisten.

Die Implementierung für den MAX31855 ist unglaublich einfach, es werden nur 2 passive Bauelemente und ein SPI-Port an Ihrem Mikrocontroller benötigt. Dieser Sensor wandelt die Ausgangsspannung des Thermoelements direkt in eine digitale Temperaturanzeige um, was die Implementierung mit einem Mikrocontroller sehr schnell und einfach macht.

Ich verwende einen flachen Poke-Home-Typ Draht-zu-Platine-Steckverbinder von AVX für den Anschluss des Thermoelements, die gleiche Serie, die ich in meinem RGBW-Beleuchtungscontroller verwendet habe. Dieser Steckverbinder ist ideal für diese Testplatinen, da seine geringe Höhe das Stapeln der Platinen ohne Behinderung durch den Steckverbinder ermöglicht und zudem eine wirklich einfache Möglichkeit bietet, das Thermoelement sicher zu verbinden.

Ich lasse den thermischen Unterbrecher für dieses Platinendesign an Ort und Stelle, da ich die gemessenen Temperaturen zwischen den verschiedenen Testcoupon-Platinen, die wir bauen, konsistent halten möchte. Ich werde die heiße Verbindungsstelle des Thermoelements mit etwas Kaptonband an derselben Stelle auf der Platine befestigen, an der auch die anderen Sensoren platziert sind. Diese Platzierung sollte uns eine konsistente Messung im Verhältnis zu den anderen Testplatinen in der Serie geben.

Wie früher erwähnt, muss der Stecker so nah wie möglich am Umwandlungs-IC sein. Daher befinden sich die beiden direkt nebeneinander mit dem Entkopplungskondensator für das Thermoelement zwischen ihnen.

Thermoelement-Implementierung: AD8495

Von Analog Devices haben wir einen Instrumentenverstärker mit integrierter Kaltstellenkompensation. Der Ausgang dieses Geräts ist analog und kann daher für Temperaturbegrenzungs- und Sicherheitsanwendungen verwendet werden, die einen Mikrocontroller unterstützen, oder in einem rein analogen Schaltkreis. Sie können den Ausgang immer noch mit einem Mikrocontroller lesen, jedoch möchten Sie bei 5mV/°C wahrscheinlich einen externen ADC mit hoher Bitanzahl verwenden, um sicherzustellen, dass Sie eine genaue Temperaturmessung erhalten können.

Die AD849x-Serie von Thermoelement-Verstärkern arbeitet mit einer einzigen Versorgung, kann jedoch immer noch Temperaturen unter null Grad lesen, bei denen die Spannung des Thermoelements negativ ist. Obwohl der AD8495 bis zu 5mA Strom an eine Last liefern kann, führt dies zu Eigenerwärmung, die, wie in früheren Artikeln der Serie besprochen, zu ungenauen Messungen führt. In diesem Fall nicht der Temperatur des Thermoelements, sondern der Temperatur der Kaltstelle und daher der Kompensation der Kaltstellen-Temperatur. Wenn Ihre Anwendung mit dem AD8495 mehr als eine geringe Menge an Strom erfordert, sollten Sie einen Spannungsfolger verwenden, um Strom zu liefern und einen hochohmigen Eingang für den Ausgang des AD8495 bereitzustellen. Die Implementierung des Instrumentenverstärkers von AD849x bietet eine ausgezeichnete Gleichtaktunterdrückung von Störungen, die von langen Thermoelementkabeln aufgenommen werden können.

Der AD8495, den wir in diesem Projekt verwenden, ist für den Betrieb zwischen 0°C und 50°C optimiert, kann jedoch den vollen Bereich eines K-Typ-Thermoelements lesen. Der AD8494 hat denselben Temperaturbereich für ein J-Typ-Thermoelement. Wenn eine höhere Temperatur für den Betriebsbereich der Kaltstelle/Wandlers erforderlich ist, bieten der AD8496 und AD8497 einen optimierten Betriebsbereich von 25°C bis 100°C für J-Typ- bzw. K-Typ-Thermoelemente.

Angenommen, Sie arbeiten in Ihrem Projekt mit sehr hohen Temperaturen und möchten eine Sicherheitsfunktion hinzufügen, die unabhängig davon funktioniert, was mit dem Mikrocontroller passiert. In diesem Fall könnten Sie den AD8495 zusammen mit einem analogen Komparator verwenden, um ein Heizelement abzuschalten. Digitale Ausgänge sind einfach und ermöglichen präzise Ablesungen; jedoch benötigt man manchmal einen analogen Ausgang für eine sekundäre (oder primäre) Sicherheitsfunktion in einem Gerät.

Die Implementierung des AD8495 ist nicht so einfach wie die des MAX31855, da wir, um negative Temperaturen ablesen zu können, dem Signal eine Gleichspannungsvorspannung hinzufügen müssen, wenn wir eine einzelne Versorgung verwenden und einen positiven Spannungsausgang über den gesamten Bereich des Sensors wünschen. Die Ausgangsspannung ist definiert als:

Daher wissen wir, dass 100°C eine Erhöhung der Ausgangsspannung um 0,5V bewirken werden, da diese Thermoelement-Implementierung das Thermoelement an der Platine befestigt haben wird, die den Wandler-IC trägt, werden wir nicht die Temperaturen erleben, die ein K-Typ-Thermoelement als extrem betrachten würde. Indem wir eine Vorspannung von 1,25V bereitstellen, sodass 0°C 1,25V entsprechen, können wir Temperaturen bis zu -250°C und bis zu 410°C messen, beides übersteigt die Fähigkeiten des Wandler-ICs und der Platine, auf der er montiert ist. Ich könnte eine niedrigere Referenzspannung verwenden. Allerdings widerspreche ich hier dem Datenblatt, und 1,25V sind sehr praktisch für mich.

Um eine Referenzspannung zu liefern, empfiehlt das Datenblatt, nicht direkt einen Spannungsteiler zu verwenden, sondern stattdessen einen Operationsverstärker oder Pufferverstärker zu nutzen, um die Spannung des Teilers zum Ref-Pin zu puffern. Wenn man die Kosten vergleicht, ist eine 1,25V MAX6070 Spannungsreferenz eine günstigere Lösung und auch präziser, es ist die niedrigste Ausgangsspannung aller Spannungsreferenzen in meiner Bibliothek.

Das implementierte Schaltbild ist noch relativ einfach für einen Thermoelement-Verstärker mit Kaltstellenkompensation, aber nicht ganz so einfach wie der digitale Wandler. Was ich am REF-Pin interessant finde, ist, dass wir hier statt nur eine Spannungsreferenz oder einen Spannungsteiler zu verwenden, auch ein Potentiometer zu einem Widerstandsteiler hinzufügen könnten, um eine Feinabstimmung des Thermoelements zu ermöglichen und so einen hochpräzisen kalibrierten Schaltkreis zu erhalten, wenn wir das möchten.

Die Platine ähnelt sehr der des MAX31855, mit dem Thermoelementanschluss und dem Entkopplungskondensator direkt nebeneinander, um eine gute Referenz für die Kaltstellenkompensation zu bieten. Wie beim MAX31855 werden wir das heiße Ende des Thermoelements mit Kaptonband an der gleichen Stelle auf der PCB befestigen, wie wir es bei den anderen Sensortypen in dieser Serie betrachtet haben.

Thermoelement-RF-Filter

Wenn Sie erwarten, das Thermoelement in einer von RF/EMI beeinträchtigten Umgebung zu verwenden, sollten Sie in Betracht ziehen, einen einfachen RC-Filter zu Ihren Thermoelementleitungen hinzuzufügen. Ich werde dies jedoch nicht zu der PCB hinzufügen, die wir in diesem Projekt herstellen, aber angesichts der Verbreitung von Thermoelementen in industriellen und Prozessüberwachungsanwendungen, halte ich es für erwähnenswert.

Schlussfolgerung

Sie können Details zu jedem dieser Testplatinen zusammen mit allen anderen Temperatursensor-Implementierungen auf GitHub finden. Diese Platinen sind unter der MIT Open-Source-Lizenz veröffentlicht, daher können Sie sie gerne selbst bauen, ihre Schaltungen in Ihren Projekten implementieren oder sie auf beliebige Weise verwenden.

Stellen Sie sicher, dass Sie sich auch die anderen Projekte in dieser Serie ansehen, wenn Sie sich für Temperatursensoren interessieren, da Sie möglicherweise eine günstigere Alternative zur Verwendung eines Thermoelements oder eine andere Option finden, die für Ihr Projekt funktionieren könnte. Am Ende dieser Serie sehen Sie einen Vergleich zwischen allen verschiedenen Sensortypen, sodass Sie direkt vergleichen können, wie die verschiedenen Sensorimplementierungen unter unterschiedlichen Bedingungen im Verhältnis zueinander abschneiden.

Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie Altium Designer® Ihnen bei Ihrem nächsten PCB-Design helfen kann? Sprechen Sie mit einem Experten bei Altium.