Comment utiliser des thermocouples dans votre prochain projet

Les thermocouples sont le dernier capteur type dans une série où nous examinons tous les principaux types de capteurs de température que vous pourriez utiliser dans un projet électronique. Dans cette série, nous avons exploré les différentes manières d'implémenter différents capteurs de température dans votre projet. À la fin de la série, nous mettrons les capteurs et les implémentations dans une compétition en tête à tête en utilisant des conditions réelles. Grâce à ces tests dans le monde réel, nous obtiendrons une meilleure compréhension de la manière dont différents capteurs se comportent et répondent aux conditions changeantes, ainsi que de la linéarité et de la précision de leur sortie de température détectée.

Vous pouvez trouver les fichiers de conception pour ce projet publiés sous la licence open-source MIT sur GitHub, tout comme tous mes autres projets. Vous êtes libre d'utiliser les circuits ou le projet comme vous le souhaitez, même pour des projets commerciaux.

Les capteurs de température sont vitaux pour de nombreuses industries, et les thermocouples plus encore que la plupart. Les thermocouples peuvent être incroyablement précis et ont une énorme gamme de températures de détection, les rendant idéaux pour de nombreuses applications industrielles thermostatisées, de contrôle de processus et de surveillance. Dans cette série, nous examinerons une gamme de différents types de capteurs et la meilleure façon de les utiliser. Nous allons examiner :

• Thermistances à Coefficient de Température Négatif (NTC)
• Thermistances à Coefficient de Température Positif (PTC)
• Détecteurs de Température à Résistance (RTD)
• Circuits Intégrés de Capteurs de Température Analogiques
• Circuits Intégrés de Capteurs de Température Numériques
• Thermocouples

Auparavant, nous avons construit deux modèles de projets, dans l'introduction de cette série sur les capteurs de température. Ces modèles de projets ont chacun la même interface et le même emplacement de connecteur, ce qui nous permettra d'avoir une configuration de test standard pour tous les différents capteurs de température que nous examinons. L'un de ces projets est conçu pour les capteurs de température numériques, et l'autre est conçu pour les capteurs de température analogiques. Dans cet article, nous utiliserons les deux, en utilisant le modèle de projet numérique pour un convertisseur analogique-numérique haute résolution et le modèle analogique pour toutes les autres mises en œuvre.

Pour la conclusion de cette série, nous construirons deux cartes hôtes pour ces cartes de capteurs, l'une conçue pour tester une seule carte à des fins de validation, et l'autre conçue pour se connecter à une pile de cartes. Cette deuxième carte hôte, une fois que nous aurons monté plusieurs capteurs dessus, sera utilisée lorsque nous évaluerons la performance de toutes les mises en œuvre de capteurs.

Thermocouples

Si vous cherchez à mesurer des températures extrêmes, au-delà de tous les capteurs que nous avons déjà examinés, alors vous pourriez rechercher un thermocouple. Les thermocouples fonctionnent de manière assez différente de tous les autres capteurs que nous avons examinés, au lieu de mesurer un changement de résistance, les thermocouples génèrent une différence de potentiel (tension) à partir de deux alliages de métal soudés ensemble. Cela vous permet de mesurer depuis le zéro absolu jusqu'au-delà du point de fusion du fer et de l'acier avec le bon thermocouple. Les thermocouples sont également très robustes dans leur construction et ne se cassent pas aussi facilement que les autres capteurs que nous avons examinés dans ce projet. Les thermocouples ne sont pas aussi précis qu'un détecteur de température à résistance peut l'être, mais sont suffisamment précis pour la plupart des applications, surtout compte tenu de l'énorme plage de température.

Le fait que les thermocouples génèrent de l'électricité à partir de la température les rend également précieux dans l'exploration spatiale en tant que source d'énergie. Des milliers de thermocouples en série autour d'une source de chaleur radioactive créent un générateur thermoélectrique à radioisotope qui a été utilisé lors de missions dans l'espace profond telles que les sondes Voyager, Cassini et New Horizons, ainsi que le rover Curiosity sur Mars, entre autres.

Pour nos besoins, un thermocouple de type K composé de nickel-chrome pour la borne positive et de nickel-aluminium pour la borne négative est de loin le type de thermocouple le plus courant et le moins cher, et c'est celui que nous utiliserons. Avec un thermocouple de type K, vous pouvez mesurer de -270C à environ 1372C, ce qui produit respectivement -6,458mV à 54,886mV. Comme vous pouvez le voir, la quantité de tension générée sur cette vaste plage de températures est plutôt minime, donc nous aurons besoin de certains circuits pour pouvoir mesurer la température à partir de cette faible tension. Il est important de noter que tous les thermocouples de type K ne sont pas capables de supporter la température maximale que la jonction thermique peut atteindre - de nombreux thermocouples de type K à très bas coût peuvent seulement supporter 500-700C avant que leur isolation ne se dégrade. La mise en œuvre d'un thermocouple de type K à bas coût et à basse température et d'un thermocouple de type K à coût plus élevé et à température plus élevée sera généralement la même, cependant, car c'est la jonction thermique qui fournit le potentiel de tension que nous lisons. Cela dit, tous les métaux ne sont pas créés égaux, et certains thermocouples moins chers peuvent utiliser des métaux moins purs ou avoir d'autres raccourcis qui peuvent rendre les options plus coûteuses un meilleur choix.

Au-delà des performances du thermocouple, il existe d'autres considérations à prendre en compte lors de l'utilisation de thermocouples pour garantir que la précision est conforme aux attentes. Vous devriez utiliser le diamètre de fil le plus grand possible pour le thermocouple tant qu'il ne détourne pas la chaleur de la zone de mesure. J'ai utilisé des thermocouples de type K de chez McMaster Carr qui ont un fil de calibre 8 avec des sections en céramique moulée pour l'isolation - parfait pour les applications de coulée sous pression et de traitement thermique. Le fil épais permet une résistance du fil plus faible pour fournir une mesure plus précise, ainsi qu'une moindre chance de détruire le fil. Le stress mécanique et les vibrations peuvent rapidement endommager la tête d'un thermocouple, donc votre thermocouple devrait être isolé de ces deux facteurs autant que possible. Si vous avez des fils de thermocouple longs, utilisez une extension en paire torsadée qui est blindée pour améliorer l'immunité contre les interférences qui pourraient rendre les petites tensions générées par la jonction chaude plus difficiles à lire précisément. Si vous utilisez un fil d'extension, la connexion au câble du thermocouple devrait être aussi proche que possible de la température du circuit intégré de conversion, car c'est à cette interface entre l'extension et le thermocouple que se trouve la jonction froide.

Lire la température de manière précise à partir d'un thermocouple n'est pas aussi simple que d'amplifier la tension, cependant. Pour obtenir une mesure précise, nous avons également besoin d'un point de référence pour la mesure, communément appelé une jonction froide. Lorsque vous connectez le thermocouple à votre carte ou juste à un fil d'extension, vous créez une connexion entre deux métaux dissemblables supplémentaires. Par conséquent, vous créez deux autres jonctions thermo-électriques au niveau de la "jonction froide" - où l'extrémité du thermocouple qui détecte la température est la "jonction chaude".

Il existe plusieurs méthodes pour effectuer la compensation de la jonction froide ; cependant, la plupart ne sont pas pratiques pour un PCB. La méthode que la plupart des circuits intégrés de conversion de thermocouple utilisent consiste à utiliser la température du CI comme décalage pour la température de la jonction, assurant ainsi que le connecteur pour le thermocouple est proche de votre CI de conversion et est à la même température que le CI de conversion est crucial pour une mesure précise. Dans ce projet, nous allons uniquement examiner l'utilisation d'un thermocouple avec un CI de conversion. Cela simplifie grandement le processus sans coût élevé par rapport à l'ajout des composants supplémentaires, sans parler du temps d'ingénierie et de test, pour effectuer la compensation de la jonction froide dans votre code de microcontrôleur.

Dans ce projet, nous allons implémenter deux amplificateurs de thermocouple lisant un thermocouple de type K.

Implémentation du thermocouple : MAX31855

Ceci est sans doute le circuit intégré d'interface de thermocouple le plus populaire disponible, avec un modèle de CI différent pour chaque type de thermocouple. Le MAX31855 prend en charge les thermocouples de type K, J, N, T, S, R et E, ce qui couvre tout ce que vous êtes susceptible de rencontrer dans le monde réel. Le suffixe en lettre après MAX31855 indique le type de thermocouple, donc pour ce projet, j'utilise le MAX31855K pour travailler avec mon thermocouple de type K. Le MAX31855 dispose d'un CAN de 14 bits à l'intérieur et communique ses lectures via un bus SPI. Malgré la capacité de lire des températures aussi élevées que 1800°C et aussi basses que -270°C, le CAN offre une résolution de 0,25°C avec une précision de +/- 2°C pour les thermocouples de type K entre -200°C et +700°C. Comme mentionné ci-dessus, la compensation de jonction froide est essentielle pour une mesure précise avec un thermocouple, et le MAX31855 s'occupe de cela de manière transparente ainsi que du conditionnement du signal de sortie du thermocouple.

Bien que le MAX31855 utilise SPI, il s'agit d'un dispositif en lecture seule, il n'utilise donc pas la broche MOSI, ce qui nécessite seulement 3 lignes de données vers le circuit intégré. Selon les autres dispositifs SPI que vous pourriez utiliser, cela pourrait vous économiser une broche de microcontrôleur ou au moins rendre le routage plus accessible au convertisseur numérique de thermocouple. Comme nous parlons du protocole de communication, d'après l'expérience pratique, vous ne devriez pas faire de demandes de conversion rapides au MAX31855 - si vous le faites, des résultats erronés sont susceptibles d'être générés. Je trouve que 4 demandes par seconde constituent une vitesse de demande de température sûre pour garantir que des données fiables sont fournies.

L'implémentation pour le MAX31855 est incroyablement simple, avec seulement 2 composants passifs requis et un port SPI sur votre microcontrôleur. Ce capteur convertit directement la tension de sortie du thermocouple en une lecture de température numérique, rendant l'implémentation avec un microcontrôleur très rapide et facile.

J'utilise un connecteur de type poke home à profil bas de chez AVX pour connecter le thermocouple, de la même série que celle que j'ai utilisée dans mon contrôleur d'éclairage RGBW. Ce connecteur est idéal pour ces cartes de test car sa faible hauteur permet d'empiler les cartes sans que le connecteur ne gêne, et il offre également un moyen très facile de connecter le thermocouple de manière sécurisée.

Je laisse la coupure thermique en place pour cette conception de carte, car je souhaite maintenir des températures mesurées cohérentes entre les différentes cartes d'essai que nous construisons. Je fixerai la jonction chaude du thermocouple à la carte de circuit imprimé au même endroit que les autres capteurs sont placés avec du ruban Kapton. Ce placement devrait nous donner une mesure cohérente par rapport aux autres cartes de test de la série.

Comme mentionné précédemment, le connecteur doit être aussi proche que possible du CI de conversion. Par conséquent, les deux sont juste l'un à côté de l'autre avec le condensateur de découplage pour le thermocouple placé entre eux.

Implémentation du thermocouple : AD8495

De chez Analog Devices, nous avons un amplificateur d'instrumentation avec compensation de jonction froide intégrée. La sortie de ce dispositif est analogique et peut donc être utilisée pour la limitation de température et les applications de sécurité qui soutiennent un microcontrôleur, ou dans un circuit purement analogique. Vous pouvez toujours lire la sortie avec un microcontrôleur, cependant, à 5mV/°C, vous voudrez probablement utiliser un CAN externe à grand nombre de bits pour vous assurer de pouvoir obtenir une lecture précise de la température.

La série AD849x d'amplificateurs de thermocouple fonctionne avec une alimentation unique, mais peut néanmoins lire des températures inférieures à zéro, où la tension du thermocouple est négative. Bien que l'AD8495 puisse fournir jusqu'à 5mA de courant à une charge, cela entraînera un auto-échauffement qui, comme discuté dans des articles précédents de la série, conduit à des lectures inexactes. Dans ce cas, il ne s'agit pas de la température du thermocouple, mais de la température de la jonction froide et donc de la compensation de la température de la jonction froide. Si votre application utilisant l'AD8495 nécessite plus qu'une quantité symbolique de courant, vous devriez utiliser un suiveur de tension pour fournir du courant et offrir une entrée à haute impédance pour la sortie de l'AD8495. La mise en œuvre de l'amplificateur d'instrumentation de l'AD849x offre une excellente réjection du mode commun du bruit qui peut être capté à partir de longs câbles de thermocouple.

L'AD8495 que nous utilisons dans ce projet est optimisé pour fonctionner entre 0°C et 50°C, cependant, il peut lire la gamme complète d'un thermocouple de type K. L'AD8494 a la même plage de température pour un thermocouple de type J. Si une température plus élevée pour la plage de fonctionnement de la jonction froide/convertisseur est requise, les AD8496 et AD8497 offrent une plage de fonctionnement optimisée de 25°C à 100°C pour les thermocouples de type J et K respectivement.

Supposons que vous travaillez avec des températures très élevées dans votre projet et que vous souhaitez ajouter une fonctionnalité de sécurité qui fonctionnera quoi qu'il arrive au microcontrôleur. Dans ce cas, vous pourriez utiliser l'AD8495 avec un comparateur analogique pour fournir un arrêt à un élément chauffant. Les sorties numériques sont simples et permettent des lectures précises ; cependant, parfois vous avez besoin d'une sortie analogique pour une fonctionnalité de sécurité secondaire (ou primaire) dans un dispositif.

L'implémentation de l'AD8495 n'est pas aussi simple que celle du MAX31855, car pour lire des températures négatives, nous devons fournir un biais continu au signal si nous voulons utiliser une alimentation unique et obtenir une tension de sortie positive sur toute la plage du capteur. La tension de sortie est définie comme :

Par conséquent, nous savons que 100°C entraîneront une augmentation de 0,5V de la tension de sortie, comme cette mise en œuvre de thermocouple aura le thermocouple attaché à la carte de circuit qui héberge le convertisseur IC, nous n'allons pas expérimenter ce qu'un thermocouple de type K considérerait comme des températures extrêmes. En fournissant un biais de 1,25V, donc 0°C équivaudra à 1,25V, nous pouvons mesurer des températures allant jusqu'à -250°C et jusqu'à 410°C, les deux dépassant les capacités du convertisseur IC et de la carte sur laquelle il est monté. Je pourrais utiliser une tension de référence plus basse. Cependant, je vais à l'encontre de la fiche technique ici, et 1,25V est très pratique pour moi.

Pour fournir une tension de référence, la fiche technique recommande de ne pas utiliser un diviseur de tension directement, mais plutôt d'utiliser un amplificateur opérationnel ou un ampli tampon pour tamponner la tension du diviseur vers la broche Ref. Lors de la comparaison des coûts, une référence de tension de 1,25V MAX6070 est une solution moins chère et aussi plus précise, c’est la tension de sortie la plus basse de toutes les références de tension dans ma bibliothèque.

Le schéma implémenté reste relativement simple pour un amplificateur de thermocouple avec compensation de jonction froide, mais pas aussi simple que le convertisseur numérique. Ce que je trouve intéressant à propos de la broche REF, c'est que plutôt que d'utiliser simplement une référence de tension ou un diviseur de tension ici, nous pourrions également ajouter un potentiomètre à un diviseur résistif pour fournir un réglage fin du thermocouple afin d'offrir un circuit calibré de haute précision si nous le voulions.

Le circuit imprimé est très similaire au MAX31855, avec le connecteur de thermocouple et le condensateur de découplage juste l'un à côté de l'autre, pour fournir une bonne référence de compensation de jonction froide. Comme le MAX31855, nous allons fixer la jonction chaude du thermocouple au PCB avec du ruban Kapton au même endroit que les autres types de capteurs que nous avons examinés dans cette série.

Filtre RF pour thermocouple

Si vous prévoyez d'utiliser le thermocouple dans un environnement RF/EMI défavorable, envisagez d'ajouter un simple filtre RC à vos lignes de thermocouple. Je n'ajouterai pas cela au PCB que nous fabriquons dans ce projet, cependant, étant donné la prévalence des thermocouples dans les applications industrielles et de surveillance des processus, je pense que cela vaut la peine d'être noté.

Conclusion

Vous pouvez trouver les détails de chacun de ces circuits d'essai avec toutes les autres mises en œuvre de capteurs de température sur GitHub. Ces cartes sont publiées sous la licence open-source MIT, donc vous êtes libre de les construire vous-même, d'implémenter leurs circuits dans vos projets ou de les utiliser de la manière que vous souhaitez.

Assurez-vous de jeter un œil aux autres projets de cette série si vous êtes intéressé par les capteurs de température, car vous pourriez trouver une alternative moins chère à l'utilisation d'un thermocouple ou une autre option qui pourrait fonctionner pour votre projet. À la fin de cette série, vous verrez une comparaison entre tous les différents types de capteurs, afin que vous puissiez comparer directement comment les différentes mises en œuvre des capteurs se comportent dans des conditions variées les unes par rapport aux autres.

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