Jak używać termopar w Twoim kolejnym projekcie

Termopary są ostatnim czujnikiem w serii, w której przyglądamy się wszystkim głównym typom czujników temperatury, które możesz użyć w projekcie elektronicznym. W tej serii przyjrzeliśmy się różnym sposobom implementacji różnych czujników temperatury w twoim projekcie. Na koniec serii, będziemy porównywać czujniki i ich implementacje w bezpośrednim starciu, używając warunków rzeczywistych. Dzięki tym testom w realnych warunkach, zyskamy lepsze zrozumienie, jak różne czujniki zachowują się i reagują na zmieniające się warunki, jak również jak liniowe i dokładne jest ich wyjście mierzonej temperatury.

Projektowe pliki do tego projektu zostały udostępnione na licencji open-source MIT na GitHubie, tak jak wszystkie moje inne projekty. Możesz swobodnie używać obwodów lub projektu, jak chcesz, nawet w projektach komercyjnych.

Czujniki temperatury są niezbędne w wielu branżach, a termopary jeszcze bardziej niż większość. Termopary mogą być niezwykle precyzyjne i mają ogromny zakres pomiaru temperatur, co czyni je idealnymi do wielu przemysłowych zastosowań termostatycznych, kontroli procesów i monitorowania. W tej serii przyjrzymy się różnym typom czujników i najlepszym sposobom ich użycia. Będziemy przyglądać się:

• Termistory o ujemnym współczynniku temperatury (NTC)
• Termistory o dodatnim współczynniku temperatury (PTC)
• Detektory temperatury oporowej (RTD)
• Układy scalone czujników temperatury analogowych
• Układy scalone czujników temperatury cyfrowych
• Termopary

Wcześniej zbudowaliśmy dwa szablony projektów, na wstępie do tej serii na temat czujników temperatury. Te szablony projektów mają ten sam interfejs i rozmieszczenie złącz, co pozwoli nam na standardowe ustawienie testowe dla wszystkich różnych czujników temperatury, które badamy. Jeden z tych projektów jest przeznaczony dla czujników temperatury cyfrowych, a drugi dla czujników temperatury analogowych. W tym artykule wykorzystamy oba, używając cyfrowego szablonu projektu dla wysokorozdzielczego przetwornika ADC oraz analogowego szablonu dla wszystkich innych implementacji.

Na zakończenie tej serii zbudujemy dwie płyty główne dla tych kart czujników, jedną zaprojektowaną do testowania pojedynczej karty w celach weryfikacyjnych, a drugą zaprojektowaną do interfejsu ze stosiem kart. Ta druga płyta główna, po zamontowaniu na niej wielu czujników, zostanie użyta, gdy będziemy oceniać wydajność wszystkich implementacji czujników.

Termopary

Jeśli szukasz sposobu na pomiar ekstremalnych temperatur, poza wszystkimi czujnikami, na które już patrzyliśmy, być może szukasz termopary. Termopary działają zupełnie inaczej niż wszystkie inne czujniki, które omawialiśmy, zamiast mierzyć zmianę oporu, termopary generują różnicę potencjału (napięcie) z dwóch różnych stopów metalu zespawanych ze sobą. Pozwala to na pomiar od zera absolutnego do temperatury powyżej punktu topnienia żelaza i stali przy użyciu odpowiedniej termopary. Termopary są również bardzo solidne w konstrukcji i nie łamią się tak łatwo jak inne czujniki, które omawialiśmy w tym projekcie. Termopary nie są tak dokładne jak detektor temperatury oporowej, ale są wystarczająco dokładne dla większości zastosowań, szczególnie biorąc pod uwagę ogromny zakres temperatur.

Fakt, że termopary generują elektryczność z temperatury, czyni je również cennymi w eksploracji kosmosu jako źródło zasilania. Tysiące termopar połączonych szeregowo wokół radioaktywnego źródła ciepła tworzą Radioizotopowy Generator Termoelektryczny, który był używany w misjach głębokiego kosmosu, takich jak sondy Voyager, Cassini i New Horizons, a także łazik Curiosity na Marsie, między innymi.

W naszym przypadku termopara typu K, składająca się z niklu-chromu dla przewodu dodatniego i niklu-aluminium dla przewodu ujemnego, jest zdecydowanie najbardziej powszechnym i najtańszym typem termopary, którego będziemy używać. Dzięki termoparze typu K można mierzyć temperaturę od -270°C do około 1372°C, co generuje odpowiednio -6,458mV do 54,886mV. Jak widać, ilość generowanego napięcia na tej ogromnej skali temperatur jest raczej minimalna, więc będziemy potrzebować pewnych układów elektronicznych, aby móc zmierzyć temperaturę z tego niewielkiego napięcia. Warto zauważyć, że nie wszystkie termopary typu K są zdolne wytrzymać maksymalną temperaturę, jaką może wytrzymać złącze termiczne - wiele bardzo tanich termopar typu K może wytrzymać tylko 500-700°C, zanim ich izolacja się zdegraduje. Implementacja niskokosztowej termopary typu K o niższej temperaturze i droższej termopary typu K o wyższej temperaturze będzie zazwyczaj taka sama, ponieważ to złącze termiczne dostarcza potencjał napięcia, który odczytujemy. To powiedziawszy, nie wszystkie metale są stworzone równe, i niektóre tańsze termopary mogą używać mniej czystych metali lub mieć inne skróty, co może sprawić, że droższe opcje będą lepszym wyborem.

Poza wydajnością termopary, istnieją inne czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy pracy z termoparami, aby zapewnić oczekiwaną dokładność. Należy używać możliwie najgrubszych przewodów dla termopary, pod warunkiem, że nie odprowadzają one ciepła z obszaru pomiaru. Używałem termopar typu K z McMaster Carr, które mają przewody o grubości 8 gauge z odlewanymi ceramicznymi sekcjami izolacji - idealne do odlewania ciśnieniowego i zastosowań w obróbce cieplnej. Gruby przewód pozwala na mniejszy opór przewodów, co zapewnia bardziej precyzyjny pomiar, a także mniejsze ryzyko zniszczenia przewodu. Mechaniczne naprężenia i wibracje mogą szybko uszkodzić przewód termopary, dlatego należy izolować termoparę od nich w jak największym stopniu. Jeśli masz długie przewody termopary, użyj skręconej pary przedłużającej, która jest ekranowana, aby poprawić odporność na zakłócenia, które mogą utrudnić dokładne odczytanie niewielkich napięć generowanych przez gorące złącze. Jeśli używasz przewodu przedłużającego, połączenie z kablem termopary powinno być jak najbliżej temperatury układu konwersji IC, ponieważ to interfejs między przedłużeniem a termoparą jest miejscem, gdzie znajduje się zimne złącze.

Dokładne odczytanie temperatury z termopary nie jest tak proste, jak wzmacnianie napięcia, jednakże. Aby uzyskać dokładny pomiar, potrzebujemy również punktu odniesienia dla pomiaru, powszechnie nazywanego zimnym złączem. Gdy łączysz termoparę z płytą lub po prostu z przewodem przedłużającym, tworzysz połączenie między dwoma różnymi metalami. W związku z tym, tworzysz dwa dodatkowe termoelektryczne złącza przy "zimnym złączu" - gdzie koniec termopary, który czuje temperaturę, jest "gorącym złączem".

Istnieje kilka metod kompensacji zimnego złącza; jednak większość z nich nie jest praktyczna dla PCB. Metoda, której używają większość układów konwersji termopary, polega na użyciu temperatury układu scalonego jako przesunięcia dla temperatury złącza, dlatego zapewnienie, że złącze dla termopary jest blisko układu konwersji i ma taką samą temperaturę jak układ konwersji, jest kluczowe dla dokładnego pomiaru. W tym projekcie będziemy się zajmować tylko użyciem termopary z układem konwersji. Znacznie to upraszcza proces bez wysokich kosztów w porównaniu z dodawaniem dodatkowych komponentów, nie wspominając o czasie na inżynierię i testowanie, aby wykonać kompensację zimnego złącza w kodzie mikrokontrolera.

W tym projekcie zaimplementujemy dwa wzmacniacze termopary odczytujące termoparę typu K.

Implementacja termopary: MAX31855

To jest prawdopodobnie najpopularniejszy układ scalony do interfejsu termopar dostępny na rynku, z różnym modelem układu dla każdego typu termopary. MAX31855 obsługuje termopary typu K, J, N, T, S, R i E, co pokrywa wszystko, z czym prawdopodobnie się spotkasz w rzeczywistości. Litera po MAX31855 jest oznaczeniem typu termopary, więc do tego projektu używam MAX31855K, aby pracować z moją termoparą typu K. MAX31855 ma wewnętrznie 14-bitowy przetwornik ADC i komunikuje swoje odczyty za pomocą magistrali SPI. Pomimo możliwości odczytu temperatur tak wysokich jak 1800°C i tak niskich jak -270°C, ADC oferuje rozdzielczość 0,25°C z dokładnością +/- 2°C dla termopar typu K w zakresie od -200°C do +700°C. Jak wspomniano powyżej, kompensacja złącza zimnego jest kluczowa dla dokładnego pomiaru termoparą, a MAX31855 zajmuje się tym transparentnie wraz z kondycjonowaniem sygnału wyjściowego termopary.

Podczas gdy MAX31855 używa SPI, jest to urządzenie tylko do odczytu, więc nie wykorzystuje pinu MOSI, co wymaga tylko 3 linii danych do układu scalonego. W zależności od innych urządzeń SPI, których możesz używać, może to zaoszczędzić Ci pin mikrokontrolera lub przynajmniej ułatwić trasowanie do przetwornika termopary na cyfrowy układ scalony. Skoro mówimy o protokole komunikacyjnym, z praktycznego doświadczenia nie powinieneś dokonywać szybkich żądań konwersji do MAX31855 - jeśli to zrobisz, prawdopodobne jest wygenerowanie błędnych wyników. Uważam, że 4 żądania na sekundę to bezpieczna prędkość żądania temperatury, aby zapewnić wiarygodne dane.

Implementacja dla MAX31855 jest niesamowicie prosta, wymaga tylko 2 elementów pasywnych i portu SPI w twoim mikrokontrolerze. Ten czujnik bezpośrednio przekształca napięcie wyjściowe termopary na cyfrowy odczyt temperatury, co sprawia, że implementacja z mikrokontrolerem jest bardzo szybka i łatwa.

Używam niskoprofilowego złącza typu poke home do połączenia termopary z AVX, tej samej serii, której użyłem w moim kontrolerze oświetlenia RGBW. To złącze jest idealne dla tych płyt testowych, ponieważ jego niska wysokość pozwala na układanie płyt bez przeszkód ze strony złącza, a także zapewnia naprawdę łatwy sposób na bezpieczne połączenie termopary.

Zostawiam przerwę termiczną na tej płytce, ponieważ chcę utrzymać spójność mierzonych temperatur między różnymi testowanymi płytkami, które budujemy. Przymocuję złącze termopary do płytki obwodu w tym samym miejscu co inne czujniki, używając taśmy Kapton. To umiejscowienie powinno zapewnić nam spójny pomiar w stosunku do innych płyt testowych w serii.

Jak wspomniano wcześniej, złącze musi być jak najbliżej układu konwersji. Dlatego oba znajdują się obok siebie z kondensatorem odsprzęgającym dla termopary umieszczonym między nimi.

Implementacja termopary: AD8495

Od Analog Devices mamy wzmacniacz instrumentalny z wbudowanym kompensowaniem zimnego złącza. Wyjście z tego urządzenia jest analogowe i dlatego może być używane do ograniczania temperatury i zastosowań bezpieczeństwa, które wspierają mikrokontroler, lub w czysto analogowym obwodzie. Możesz nadal odczytywać wyjście za pomocą mikrokontrolera, jednak przy 5mV/°C prawdopodobnie będziesz chciał użyć zewnętrznego przetwornika ADC o wysokiej liczbie bitów, aby zapewnić dokładny odczyt temperatury.

Seria wzmacniaczy termoparowych AD849x działa z pojedynczego źródła zasilania, jednak może odczytywać temperatury poniżej zera, gdzie napięcie termopary jest ujemne. Chociaż AD8495 może dostarczać do obciążenia prąd do 5mA, prowadzi to do samonagrzewania, co, jak omówiono w wcześniejszych artykułach serii, prowadzi do nieprecyzyjnych odczytów. W tym przypadku nie chodzi o temperaturę termopary, ale o temperaturę zimnego złącza i zatem o kompensację temperatury zimnego złącza. Jeśli twoja aplikacja używająca AD8495 wymaga więcej niż symbolicznej ilości prądu, powinieneś użyć wtórnika napięcia do dostarczania prądu i zapewnienia wysokiej impedancji wejściowej dla wyjścia AD8495. Implementacja wzmacniacza instrumentalnego AD849x oferuje doskonałe odrzucenie wspólnego trybu szumów, które mogą być zbierane z długich kabli termoparowych.

AD8495, którego używamy w tym projekcie, jest zoptymalizowany do pracy w zakresie temperatur od 0°C do 50°C, jednak może odczytywać pełny zakres termopary typu K. AD8494 ma ten sam zakres temperatur dla termopary typu J. Jeśli wymagany jest wyższy zakres temperatur dla zimnego złącza/konwertera, AD8496 i AD8497 oferują zoptymalizowany zakres działania od 25°C do 100°C odpowiednio dla termopar typu J i K.

Załóżmy, że pracujesz z bardzo wysokimi temperaturami w swoim projekcie i chcesz dodać funkcjonalność bezpieczeństwa, która będzie działać niezależnie od tego, co się stanie z mikrokontrolerem. W takim przypadku możesz użyć AD8495 z analogowym komparatorem, aby zapewnić wyłączenie elementu grzewczego. Wyjścia cyfrowe są proste i pozwalają na precyzyjne odczyty; jednak czasami potrzebujesz analogowego wyjścia jako drugorzędnej (lub głównej) funkcji bezpieczeństwa w urządzeniu.

Implementacja AD8495 nie jest tak prosta jak MAX31855, ponieważ do odczytu ujemnych temperatur musimy dostarczyć stałe napięcie polaryzujące do sygnału, jeśli chcemy używać pojedynczego źródła zasilania i chcemy uzyskać dodatnie napięcie wyjściowe na całym zakresie czujnika. Napięcie wyjściowe jest zdefiniowane jako:

Dlatego wiemy, że 100°C spowoduje wzrost napięcia wyjściowego o 0,5V, ponieważ ta implementacja termopary będzie miała termoparę dołączoną do płytki drukowanej, która gości układ przetwornika, nie będziemy doświadczać tego, co termopara typu K uznałaby za ekstremalne temperatury. Dostarczając 1,25V polaryzacji, tak więc 0°C będzie równać się 1,25V, możemy mierzyć temperatury od -250°C do 410°C, obie przekraczają możliwości układu przetwornika i płytki, na której jest montowany. Mogłbym użyć niższego napięcia odniesienia. Jednakże działam wbrew notie katalogowej tutaj, i 1,25V jest dla mnie bardzo wygodne.

Aby zapewnić napięcie odniesienia, notka katalogowa zaleca nie używanie bezpośrednio dzielnika napięcia, ale zamiast tego użyć wzmacniacza operacyjnego lub wzmacniacza buforowego do buforowania napięcia dzielnika do pinu Ref. Porównując koszty, 1,25V referencyjne napięcie MAX6070 jest tańszym rozwiązaniem i bardziej precyzyjnym, to najniższe napięcie wyjściowe ze wszystkich referencji napięciowych w mojej bibliotece.

Zaimplementowany schemat jest nadal stosunkowo prosty dla wzmacniacza termopary z kompensacją zimnego złącza, ale nie tak prosty jak cyfrowy przetwornik. Co mnie interesuje w pinie REF, to fakt, że zamiast używać tylko referencji napięcia lub dzielnika napięcia, moglibyśmy również dodać potencjometr do dzielnika rezystancyjnego, aby zapewnić precyzyjne dostrojenie termopary i zaoferować wysoko precyzyjny kalibrowany obwód, jeśli byśmy chcieli.

Płytka obwodu jest bardzo podobna do MAX31855, z złączem termopary i kondensatorem odsprzęgającym umieszczonymi obok siebie, aby zapewnić dobrą referencję kompensacji zimnego złącza. Podobnie jak w MAX31855, będziemy mocować gorące złącze termopary do PCB za pomocą taśmy Kapton w tym samym miejscu, co inne typy czujników, które rozpatrywaliśmy w tej serii.

Filtr RF dla termopary

Jeśli spodziewasz się używać termopary w niekorzystnym środowisku RF/EMI, rozważ dodanie prostego filtra RC do linii termopary. Nie będę tego dodawał do PCB, które tworzymy w tym projekcie, jednak, biorąc pod uwagę powszechne stosowanie termopar w aplikacjach przemysłowych i monitoringu procesów, uważam, że warto to zauważyć.

Podsumowanie

Możesz znaleźć szczegóły każdej z tych płyt testowych obwodów wraz ze wszystkimi innymi implementacjami czujników temperatury na GitHubie. Te płyty są udostępnione na licencji open-source MIT, więc możesz śmiało je zbudować samodzielnie, zaimplementować ich obwody w swoich projektach lub użyć ich w dowolny sposób, jaki chcesz.

Upewnij się, że przyjrzysz się innym projektom z tej serii, jeśli interesują Cię czujniki temperatury, ponieważ możesz znaleźć tańszą alternatywę dla użycia termopary lub inną opcję, która może działać w Twoim projekcie. Na końcu tej serii zobaczysz porównanie między wszystkimi różnymi typami czujników, więc będziesz mógł bezpośrednio porównać, jak różne implementacje czujników sprawdzają się w różnych warunkach względem siebie.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium Designer® może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.