Come Utilizzare i Termocoppie nel Tuo Prossimo Progetto

I termocoppie rappresentano l'ultimo sensore in una serie in cui abbiamo esaminato tutti i principali tipi di sensori di temperatura che potresti utilizzare in un progetto elettronico. In questa serie, abbiamo esplorato i vari modi per implementare diversi sensori di temperatura nel tuo progetto. Alla fine della serie, metteremo a confronto i sensori e le implementazioni in una competizione testa a testa utilizzando condizioni reali. Attraverso questi test nel mondo reale, otterremo una migliore comprensione di come i diversi sensori si comportano e rispondono alle condizioni variabili, così come quanto lineare e accurata sia la loro uscita di temperatura rilevata.

Puoi trovare i file di progetto per questo progetto rilasciati sotto la licenza open-source MIT su GitHub, come tutti i miei altri progetti. Sei libero di utilizzare i circuiti o il progetto come desideri, anche per progetti commerciali.

I sensori di temperatura sono vitali per molte industrie, e le termocoppie più di molti altri. Le termocoppie possono essere incredibilmente precise e hanno un'enorme gamma di temperature rilevabili, rendendole ideali per molte applicazioni industriali termostatiche, di controllo dei processi e di monitoraggio. In questa serie, esamineremo una gamma di diversi tipi di sensori e come utilizzarli al meglio. Esamineremo:

• Termistori a Coefficiente di Temperatura Negativo (NTC)
• Termistori a Coefficiente di Temperatura Positivo (PTC)
• Detectori di Temperatura a Resistenza (RTD)
• Sensori di Temperatura Analogici a Circuito Integrato
• Sensori di Temperatura Digitali a Circuito Integrato
• Termocoppie

In precedenza, abbiamo costruito due modelli di progetto, nell'introduzione a questa serie sui sensori di temperatura. Questi modelli di progetto hanno ciascuno la stessa interfaccia e disposizione dei connettori, il che ci permetterà di avere un set di test standard per tutti i diversi sensori di temperatura che stiamo esaminando. Uno di questi progetti è progettato per i sensori di temperatura digitali, e l'altro è progettato per i sensori di temperatura analogici. In questo articolo, utilizzeremo entrambi, utilizzando il modello di progetto digitale per un ADC ad alta risoluzione e il modello analogico per tutte le altre implementazioni.

Per la conclusione di questa serie, costruiremo due schede host per queste schede sensore, una progettata per testare una singola scheda a scopo di validazione, e l'altra progettata per interfacciarsi a un insieme di schede. Questa seconda scheda host, una volta che avremo montato su di essa più sensori, sarà utilizzata quando valuteremo le prestazioni di tutte le implementazioni dei sensori.

Termocoppie

Se stai cercando di misurare temperature estreme, oltre a qualsiasi sensore che abbiamo già esaminato, allora potresti essere alla ricerca di un termocoppia. Le termocoppie funzionano in modo molto diverso da tutti gli altri sensori che abbiamo esaminato, piuttosto che misurare un cambiamento nella resistenza, le termocoppie generano una differenza di potenziale (tensione) da due diverse leghe di metallo saldate insieme. Ciò ti consente di misurare da zero assoluto fino oltre il punto di fusione di ferro e acciaio con la termocoppia giusta. Le termocoppie sono anche molto robuste nella costruzione e non si rompono facilmente come qualsiasi altro sensore che abbiamo esaminato in questo progetto. Le termocoppie non sono precise quanto può essere un rilevatore di temperatura a resistenza, ma sono abbastanza accurate per la maggior parte delle applicazioni, specialmente considerando l'enorme intervallo di temperatura.

Il fatto che le termocoppie generino elettricità dalla temperatura le rende anche preziose nell'esplorazione spaziale come una fonte di energia. Migliaia di termocoppie in serie attorno a una fonte di calore radioattiva creano un Generatore Termoelettrico a Radioisotopi che è stato utilizzato in missioni spaziali profonde come le sonde Voyager, Cassini e New Horizons, così come il rover Curiosity su Marte tra gli altri.

Per i nostri scopi, un termocoppia di tipo K composta da nichel-cromo per il conduttore positivo e nichel-alluminio per quello negativo è di gran lunga il tipo più comune e più economico di termocoppia e quello che utilizzeremo. Con una termocoppia di tipo K, è possibile misurare da -270°C a circa 1372°C, che produce rispettivamente da -6,458mV a 54,886mV. Come potete vedere, la quantità di tensione generata attraverso questo vasto intervallo di temperature è piuttosto minima, quindi avremo bisogno di un po' di circuiti per poter misurare la temperatura da questa piccola tensione. È importante notare che non tutte le termocoppie di tipo K sono in grado di sopportare la temperatura massima che la giunzione termica può - molte termocoppie di tipo K a basso costo potrebbero solo gestire 500-700°C prima che il loro isolamento si degradi. L'implementazione di una termocoppia di tipo K a basso costo e a bassa temperatura e di una termocoppia di tipo K a costo più elevato e a temperatura più alta sarà tipicamente la stessa, tuttavia, poiché è la giunzione termica che fornisce il potenziale di tensione che stiamo leggendo. Detto questo, non tutti i metalli sono creati uguali e alcune termocoppie più economiche potrebbero utilizzare metalli meno puri o avere altre scorciatoie che possono rendere le opzioni più costose una scelta migliore.

Oltre alle prestazioni del termocoppia, ci sono altre considerazioni da tenere in mente quando si lavora con termocoppie per assicurarsi che l'accuratezza sia quella attesa. Si dovrebbe utilizzare il diametro del filo più grande possibile per la termocoppia, purché questo non disperda il calore lontano dall'area di misurazione. Ho utilizzato termocoppie di tipo K di McMaster Carr che hanno un filo di calibro 8 con sezioni in ceramica colata per l'isolamento - perfette per applicazioni di pressofusione e trattamento termico. Il filo spesso permette una minore resistenza del filo per fornire una misurazione più precisa, così come una minore possibilità di distruggere il filo. Lo stress meccanico e le vibrazioni possono danneggiare rapidamente il cavo di una termocoppia, quindi la vostra termocoppia dovrebbe essere isolata da entrambi il più possibile. Se avete fili di termocoppia lunghi, utilizzate un'estensione a coppia intrecciata che sia schermata per migliorare l'immunità dalle interferenze che potrebbero rendere più difficile leggere con precisione le piccole tensioni generate dalla giunzione calda. Se utilizzate un filo di estensione, la connessione al cavo della termocoppia dovrebbe essere il più vicino possibile alla temperatura del circuito integrato di conversione, poiché quell'interfaccia tra l'estensione e la termocoppia è dove si trova la giunzione fredda.

Leggere la temperatura in modo accurato da un termocoppia non è così semplice come amplificare la tensione, tuttavia. Per ottenere una misurazione accurata, abbiamo bisogno anche di un punto di riferimento per la misurazione, comunemente chiamato giunzione fredda. Quando connetti la termocoppia alla tua scheda o semplicemente a un filo di prolunga, stai creando una connessione tra due metalli dissimili aggiuntivi. Pertanto, stai creando altre due giunzioni termoelettriche alla "giunzione fredda" - dove l'estremità della termocoppia che rileva la temperatura è la "giunzione calda".

Ci sono diversi metodi per eseguire la compensazione della giunzione fredda; tuttavia, la maggior parte non è pratica per un PCB. Il metodo che la maggior parte dei circuiti integrati di conversione della termocoppia utilizza è quello di usare la temperatura del CI come offset per la temperatura della giunzione, quindi assicurarsi che il connettore per la termocoppia sia vicino al tuo CI di conversione e abbia la stessa temperatura del CI di conversione è fondamentale per una misurazione accurata. In questo progetto, ci limiteremo a esaminare l'uso di una termocoppia con un CI di conversione. Questo semplifica notevolmente il processo senza costi elevati rispetto all'aggiunta di componenti aggiuntivi, per non parlare del tempo di ingegneria e di test, per eseguire la compensazione della giunzione fredda nel codice del microcontrollore.

In questo progetto, implementeremo due amplificatori di termocoppia che leggono una termocoppia di tipo K.

Implementazione della termocoppia: MAX31855

Questo è probabilmente il circuito integrato di interfaccia per termocoppie più popolare disponibile, con un modello di IC diverso per ogni tipo di termocoppia. Il MAX31855 supporta le termocoppie di tipo K, J, N, T, S, R ed E, che coprono tutto ciò che è probabile incontrare nel mondo reale. Il suffisso letterale dopo MAX31855 indica il tipo di termocoppia, quindi per questo progetto sto utilizzando il MAX31855K per lavorare con la mia termocoppia di tipo K. Il MAX31855 ha un ADC interno a 14 bit e comunica le sue letture tramite un bus SPI. Nonostante la capacità di leggere temperature fino a 1800°C e fino a -270°C, l'ADC offre una risoluzione di 0,25°C con una precisione di +/- 2°C per le termocoppie di tipo K tra -200°C e +700°C. Come menzionato sopra, la compensazione della giunzione fredda è fondamentale per una misurazione accurata con una termocoppia, e il MAX31855 si occupa di questo in modo trasparente insieme alla condizionamento del segnale dell'uscita della termocoppia.

Mentre il MAX31855 utilizza SPI, è un dispositivo solo di lettura, quindi non utilizza il pin MOSI, il che richiede solo 3 linee dati per il circuito integrato. A seconda degli altri dispositivi SPI che potresti utilizzare, ciò potrebbe farti risparmiare un pin del microcontrollore o almeno rendere il routing più accessibile al convertitore da termocoppia a digitale IC. Parlando del protocollo di comunicazione, dall'esperienza pratica non dovresti fare richieste di conversione rapide al MAX31855 - se lo fai, è probabile che vengano generati risultati spurii. Trovo che 4 richieste al secondo siano una velocità sicura di richiesta della temperatura per garantire che i dati affidabili vengano forniti.

L'implementazione per il MAX31855 è incredibilmente semplice, con solo 2 componenti passivi richiesti e una porta SPI sul tuo microcontrollore. Questo sensore converte direttamente la tensione di uscita della termocoppia in una lettura della temperatura digitale rendendo l'implementazione con un microcontrollore molto rapida e semplice.

Sto utilizzando un connettore da filo a scheda di tipo poke home a basso profilo di AVX per collegare la termocoppia, la stessa serie che ho usato nel mio controller per illuminazione RGBW. Questo connettore è ideale per queste schede di test poiché la sua bassa altezza permette alle schede di impilarsi senza che il connettore intralci, e offre anche un modo davvero semplice per collegare la termocoppia in modo sicuro.

Lascio l'interruzione termica al suo posto per questo design della scheda, poiché voglio mantenere le temperature misurate consistenti tra le diverse schede di prova che stiamo costruendo. Fisserò la giunzione calda del termocoppia alla scheda elettronica nello stesso punto in cui sono posizionati gli altri sensori con del nastro Kapton. Questo posizionamento dovrebbe darci una misurazione consistente rispetto alle altre schede di prova della serie.

Come menzionato in precedenza, il connettore deve essere il più vicino possibile al circuito integrato di conversione. Pertanto, i due si trovano uno accanto all'altro con il condensatore di disaccoppiamento per il termocoppia posizionato tra di loro.

Implementazione del Termocoppia: AD8495

Da Analog Devices abbiamo un amplificatore di strumentazione con compensazione della giunzione fredda integrata. L'uscita da questo dispositivo è analogica e quindi può essere utilizzata per applicazioni di limitazione della temperatura e di sicurezza che supportano un microcontrollore, o in un circuito puramente analogico. È comunque possibile leggere l'uscita con un microcontrollore, tuttavia, con 5mV/°C probabilmente vorrai utilizzare un ADC esterno ad alta risoluzione per assicurarti di poter ottenere una lettura precisa della temperatura.

La serie AD849x di amplificatori per termocoppie funziona con un'unica alimentazione, tuttavia, può ancora leggere temperature al di sotto dello zero, dove la tensione della termocoppia è negativa. Mentre l'AD8495 può fornire fino a 5mA di corrente a un carico, ciò porterà all'autoriscaldamento che, come discusso in articoli precedenti della serie, porta a letture inaccurate. In questo caso, non della temperatura della termocoppia, ma della temperatura della giunzione fredda e quindi della compensazione della temperatura della giunzione fredda. Se la tua applicazione che utilizza l'AD8495 richiede più di una quantità simbolica di corrente, dovresti usare un seguitore di tensione per fornire corrente e fornire un ingresso ad alta impedenza per l'uscita dell'AD8495. L'implementazione dell'amplificatore per strumentazione dell'AD849x offre un'eccellente reiezione del modo comune del rumore che può essere raccolto dai lunghi cavi della termocoppia.

L'AD8495 che stiamo utilizzando in questo progetto è ottimizzato per funzionare tra 0°C e 50°C, tuttavia, può leggere l'intera gamma di una termocoppia di tipo K. L'AD8494 ha lo stesso intervallo di temperatura per una termocoppia di tipo J. Se è richiesta una temperatura più alta per l'intervallo di funzionamento della giunzione fredda/converter, l'AD8496 e l'AD8497 offrono un intervallo di funzionamento ottimizzato da 25°C a 100°C rispettivamente per termocoppie di tipo J e K.

Supponiamo che tu stia lavorando con temperature molto alte nel tuo progetto e voglia aggiungere una funzionalità di sicurezza che funzioni indipendentemente da ciò che accade al microcontrollore. In tal caso, potresti utilizzare l'AD8495 con un comparatore analogico per fornire uno spegnimento a un elemento riscaldante. Le uscite digitali sono semplici e consentono letture precise; tuttavia, a volte hai bisogno di un'uscita analogica per una funzionalità di sicurezza secondaria (o primaria) in un dispositivo.

L'implementazione dell'AD8495 non è semplice come quella del MAX31855, poiché per leggere temperature negative dobbiamo fornire un bias in corrente continua al segnale se vogliamo utilizzare un'alimentazione singola e desideriamo un uscita di tensione positiva su tutta la gamma del sensore. La tensione di uscita è definita come:

Pertanto sappiamo che 100°C provocheranno un aumento di 0,5V nella tensione di uscita, poiché questa implementazione del termocoppia avrà il termocoppia attaccato alla scheda circuitale che ospita l'IC convertitore, non andremo a sperimentare quelle che un termocoppia di tipo K considererebbe temperature estreme. Fornendo un bias di 1,25V, così 0°C saranno uguali a 1,25V, possiamo misurare temperature fino a -250°C e fino a 410°C, entrambe supereranno le capacità dell'IC convertitore e della scheda su cui è montato. Potrei usare una tensione di riferimento più bassa. Tuttavia, sto andando contro il datasheet qui, e 1,25V è molto conveniente per me.

Per fornire una tensione di riferimento, il datasheet raccomanda di non usare un divisore di tensione direttamente, ma invece usare un amplificatore operazionale o un amplificatore buffer per bufferizzare la tensione del divisore al pin Ref. Quando si confrontano i costi, un riferimento di tensione MAX6070 da 1,25V è una soluzione più economica e anche più precisa, è l'uscita di tensione più bassa di tutti i riferimenti di tensione nella mia libreria.

Lo schema implementato è ancora relativamente semplice per un amplificatore di termocoppia con compensazione della giunzione fredda, ma non così semplice come il convertitore digitale. Ciò che trovo interessante riguardo al pin REF è che, piuttosto che usare semplicemente un riferimento di tensione o un divisore di tensione qui, potremmo anche aggiungere un potenziometro a un divisore resistivo per fornire una regolazione fine della termocoppia, offrendo un circuito calibrato ad alta precisione se lo desiderassimo.

La scheda circuitale è molto simile alla MAX31855, con il connettore della termocoppia e il condensatore di disaccoppiamento uno accanto all'altro, per fornire un buon riferimento per la compensazione della giunzione fredda. Come per la MAX31855, attaccheremo la giunzione calda della termocoppia al PCB con nastro Kapton nella stessa posizione degli altri tipi di sensori che abbiamo esaminato in questa serie.

Filtro RF per Termocoppia

Se prevedi di utilizzare la termocoppia in un ambiente avverso RF/EMI, considera l'aggiunta di un semplice filtro RC alle tue linee di termocoppia. Tuttavia, non aggiungerò questo al PCB che stiamo realizzando in questo progetto, data però la prevalenza delle termocoppie nelle applicazioni industriali e di monitoraggio dei processi, ritengo che sia degno di nota.

Conclusione

Puoi trovare i dettagli di ciascuno di questi circuiti di prova con tutte le altre implementazioni di sensori di temperatura su GitHub. Queste schede sono rilasciate sotto la licenza open-source MIT, quindi sei libero di costruirle da solo, implementare i loro circuiti nei tuoi progetti o usarli nel modo che preferisci.

Assicurati di dare un'occhiata agli altri progetti di questa serie se sei interessato ai sensori di temperatura, poiché potresti trovare un'alternativa più economica all'uso di un termocoppia o un'altra opzione che potrebbe funzionare per il tuo progetto. Alla fine di questa serie, vedrai un confronto tra tutti i diversi tipi di sensori, così potrai confrontare direttamente come le diverse implementazioni dei sensori si comportano in condizioni variabili l'una rispetto all'altra.

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