Как использовать термопары в вашем следующем проекте

Термопары являются последним типом датчиков в серии, где мы рассматриваем все основные типы температурных датчиков, которые вы можете использовать в электронном проекте. В этой серии мы рассмотрели различные способы реализации разных температурных датчиков в вашем проекте. В конце серии мы проведем сравнение датчиков и методов их реализации в реальных условиях. Благодаря этому тестированию в реальных условиях мы лучше поймем, как различные датчики ведут себя и реагируют на изменяющиеся условия, а также насколько линейны и точны их показания измеренной температуры.

Файлы дизайна для этого проекта, опубликованные под открытой лицензией MIT, можно найти на GitHub, так же как и все мои другие проекты. Вы можете свободно использовать схемы или проект как пожелаете, даже для коммерческих проектов.

Температурные датчики жизненно важны для многих отраслей, и термопары в этом отношении особенно важны. Термопары могут быть невероятно точными и иметь огромный диапазон измеряемых температур, что делает их идеальными для многих промышленных термостатических, контрольных и мониторинговых приложений. В этой серии мы рассмотрим ряд различных типов датчиков и лучшие способы их использования. Мы будем рассматривать:

• Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)
• Термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC)
• Датчики температуры сопротивления (RTD)
• Аналоговые микросхемы датчиков температуры
• Цифровые микросхемы датчиков температуры
• Термопары

Ранее мы создали два шаблона проекта во введении к этой серии статей о датчиках температуры. Каждый из этих шаблонов проектов имеет одинаковый интерфейс и расположение разъемов, что позволит нам иметь стандартную установку для тестирования всех различных датчиков температуры, которые мы рассматриваем. Один из этих проектов предназначен для цифровых датчиков температуры, а другой - для аналоговых датчиков температуры. В этой статье мы будем использовать оба, используя цифровой шаблон проекта для высокоразрешающего АЦП и аналоговый шаблон для всех остальных реализаций.

В заключение этой серии мы будем строить две основные платы для этих карт датчиков, одна предназначена для тестирования одной карты для целей валидации, а другая предназначена для интерфейса со стопкой карт. Эта вторая основная плата, как только на ней будут установлены несколько датчиков, будет использоваться, когда мы оцениваем производительность всех реализаций датчиков.

Термопары

Если вы хотите измерить крайние температуры, выходящие за пределы возможностей всех датчиков, о которых мы уже говорили, тогда вам может понадобиться термопара. Термопары работают совершенно иначе, чем все другие датчики, о которых мы говорили: вместо измерения изменения сопротивления, термопары генерируют разность потенциалов (напряжение) из двух разных сплавов металла, сваренных вместе. Это позволяет измерять температуру от абсолютного нуля до температур выше точки плавления железа и стали с помощью подходящей термопары. Термопары также очень надежны в конструкции и не ломаются так легко, как любые другие датчики, которые мы рассматривали в этом проекте. Термопары не так точны, как датчики температуры на основе сопротивления, но достаточно точны для большинства приложений, особенно учитывая огромный диапазон температур.

Тот факт, что термопары генерируют электричество от температуры, также делает их ценными в космических исследованиях как источник питания. Тысячи термопар, соединенных последовательно вокруг радиоактивного источника тепла, создают радиоизотопный термоэлектрический генератор, который использовался в миссиях глубокого космоса, таких как зонды Voyager, Cassini и New Horizons, а также марсоход Curiosity среди прочих.

Для наших целей термопара типа K, состоящая из никель-хрома для положительного провода и никель-алюминия для отрицательного, является самым распространенным и самым дешевым типом термопары, который мы будем использовать. С термопарой типа K можно измерять температуру от -270°C до примерно 1372°C, что соответствует генерации напряжения от -6,458 мВ до 54,886 мВ соответственно. Как видите, количество генерируемого напряжения на этом огромном диапазоне температур довольно минимально, поэтому нам понадобится некоторая схемотехника, чтобы иметь возможность измерять температуру от этого небольшого напряжения. Стоит отметить, что не все термопары типа K способны выдерживать максимальную температуру термического соединения - многие очень дешевые термопары типа K могут выдерживать только 500-700°C до того, как их изоляция начнет деградировать. Реализация недорогой термопары типа K для низких температур и более дорогой термопары типа K для высоких температур, как правило, будет одинаковой, поскольку именно термическое соединение обеспечивает потенциал напряжения, который мы считываем. Тем не менее, не все металлы созданы одинаково, и некоторые более дешевые термопары могут использовать менее чистые металлы или иметь другие упрощения, которые могут сделать более дорогие варианты более предпочтительным выбором.

Помимо производительности термопары, существуют и другие аспекты, которые следует учитывать при работе с термопарами, чтобы обеспечить ожидаемую точность. Следует использовать провод термопары максимально возможного диаметра, при условии, что это не будет отводить тепло от зоны измерения. Я использовал термопары типа K от McMaster Carr с проводом 8-го калибра и отливками из керамики в качестве изоляции - идеально подходят для литья под давлением и термообработки. Толстый провод обеспечивает меньшее сопротивление провода, что позволяет получить более точные измерения, а также снижает вероятность повреждения провода. Механическое напряжение и вибрация могут быстро повредить вывод термопары, поэтому вашу термопару следует максимально изолировать от обоих. Если у вас длинные провода термопары, используйте экранированную скрученную пару для удлинения, чтобы улучшить защиту от помех, которые могут затруднить точное считывание небольших напряжений, генерируемых горячим спаем. Если вы используете удлинительный провод, соединение с кабелем термопары должно быть максимально близко к температуре микросхемы преобразования, поскольку именно на этом интерфейсе между удлинителем и термопарой располагается холодный спай.

Чтение температуры с термопары точно не так просто, как усиление напряжения, однако. Для получения точного измерения нам также нужна точка отсчета для измерения, обычно называемая холодным спаем. Когда вы подключаете термопару к своей плате или просто к удлинительному проводу, вы создаете соединение между двумя различными металлами. Следовательно, вы создаете еще два термоэлектрических спая на "холодном спае" - где конец термопары, который чувствует температуру, является "горячим спаем".

Существует несколько методов компенсации холодного спая; однако большинство из них не практичны для печатной платы. Метод, который используют большинство микросхем преобразования термопар, заключается в использовании температуры микросхемы в качестве смещения для температуры спая, поэтому обеспечение того, чтобы разъем для термопары был близок к вашей микросхеме преобразования и имел ту же температуру, что и микросхема преобразования, критически важно для точного измерения. В этом проекте мы будем рассматривать только использование термопары с микросхемой преобразования. Это значительно упрощает процесс без высоких затрат по сравнению с добавлением дополнительных компонентов, не говоря уже о времени на инженерию и тестирование, для выполнения компенсации холодного спая в вашем коде микроконтроллера.

В этом проекте мы реализуем два усилителя термопары для чтения термопары типа K.

Реализация термопары: MAX31855

Это, пожалуй, самый популярный интегральный микросхемный интерфейс для термопар, доступный на рынке, с различными моделями микросхем для каждого типа термопар. MAX31855 поддерживает термопары типов K, J, N, T, S, R и E, что покрывает все, с чем вы, скорее всего, столкнетесь в реальном мире. Буквенный суффикс после MAX31855 указывает на тип термопары, так что для этого проекта я использую MAX31855K для работы с моей термопарой типа K. MAX31855 имеет внутренний 14-битный АЦП и передает свои показания по шине SPI. Несмотря на возможность считывать температуры до 1800°C и до -270°C, АЦП обеспечивает разрешение 0,25°C с точностью +/- 2°C для термопар типа K в диапазоне от -200°C до +700°C. Как упоминалось выше, компенсация холодного спая имеет решающее значение для точного измерения с помощью термопары, и MAX31855 обеспечивает это прозрачно вместе с кондиционированием сигнала выхода термопары.

В то время как MAX31855 использует SPI, это устройство только для чтения, поэтому оно не использует вывод MOSI, что требует всего лишь 3 линии данных к интегральной схеме. В зависимости от других устройств SPI, которые вы можете использовать, это может сэкономить вам вывод микроконтроллера или, по крайней мере, сделать маршрутизацию более доступной к преобразователю термопары в цифровой сигнал. Поскольку мы говорим о протоколе связи, на практике вы не должны делать частые запросы на преобразование к MAX31855 - если вы это сделаете, вероятно, будут получены неверные результаты. Я обнаружил, что 4 запроса в секунду - это безопасная скорость запроса температуры, чтобы обеспечить надежность данных.

Реализация для MAX31855 невероятно проста, требуется всего лишь 2 пассивных компонента и SPI-порт на вашем микроконтроллере. Этот датчик напрямую преобразует выходное напряжение термопары в цифровое значение температуры, что делает реализацию с микроконтроллером очень быстрой и простой.

Я использую низкопрофильный разъем типа poke home для подключения термопары от AVX, той же серии, что и в моем контроллере освещения RGBW. Этот разъем идеален для этих тестовых плат, так как его низкая высота позволяет складывать платы без помех от разъема, а также обеспечивает действительно простой способ надежного подключения термопары.

Я оставляю тепловой разрыв на месте для этого дизайна платы, так как хочу сохранить согласованность измеренных температур между различными тестовыми платами, которые мы собираем. Я закреплю горячий спай термопары к плате с помощью каптона в том же месте, где расположены другие датчики. Такое размещение должно обеспечить нам согласованное измерение по отношению к другим тестовым платам в серии.

Как было упомянуто ранее, разъем должен быть расположен как можно ближе к микросхеме преобразования. Поэтому они расположены рядом друг с другом с развязывающим конденсатором для термопары, установленным между ними.

Реализация термопары: AD8495

От компании Analog Devices у нас есть усилитель инструментальный с встроенной компенсацией холодного спая. Выход этого устройства аналоговый, поэтому его можно использовать для ограничения температуры и в приложениях безопасности, которые поддерживают микроконтроллер, или в чисто аналоговой схеме. Вы все еще можете считывать выходные данные с микроконтроллера, однако при 5 мВ/°C вам, вероятно, захочется использовать внешний АЦП с высоким разрешением, чтобы обеспечить точное считывание температуры.

Серия усилителей термопар AD849x работает от одного источника питания, но при этом может измерять температуры ниже нуля, когда напряжение термопары отрицательное. Хотя AD8495 может обеспечить нагрузку током до 5 мА, это приведет к самонагреву, который, как обсуждалось в предыдущих статьях серии, приводит к неточным показаниям. В данном случае речь идет не о температуре термопары, а о температуре холодного спая и, следовательно, о компенсации температуры холодного спая. Если ваше приложение с использованием AD8495 требует более чем символического количества тока, вы должны использовать повторитель напряжения для подачи тока и обеспечения высокого входного импеданса для выхода AD8495. Реализация инструментального усилителя AD849x предлагает отличное подавление общего режима шума, который может быть подхвачен от длинных кабелей термопары.

AD8495, который мы используем в этом проекте, оптимизирован для работы в диапазоне от 0°C до 50°C, однако может считывать полный диапазон термопары типа K. AD8494 имеет такой же диапазон температур для термопары типа J. Если требуется более высокая температура для рабочего диапазона холодного спая/преобразователя, AD8496 и AD8497 предлагают оптимизированный диапазон работы от 25°C до 100°C для термопар типа J и K соответственно.

Предположим, вы работаете с очень высокими температурами в вашем проекте и хотите добавить функцию безопасности, которая будет работать независимо от того, что произойдет с микроконтроллером. В этом случае вы можете использовать AD8495 с аналоговым компаратором для обеспечения отключения нагревательного элемента. Цифровые выходы просты и позволяют получать точные показания; однако иногда вам может потребоваться аналоговый выход для вторичной (или первичной) функции безопасности в устройстве.

Реализация AD8495 не так проста, как MAX31855, поскольку для считывания отрицательных температур нам нужно обеспечить постоянное смещение сигнала, если мы хотим использовать однополярное питание и хотим получить положительное напряжение на выходе на полном диапазоне датчика. Выходное напряжение определяется как:

Следовательно, мы знаем, что 100°C приведут к увеличению выходного напряжения на 0,5 В, поскольку в этой реализации термопара будет прикреплена к печатной плате, на которой установлен микросхема-преобразователь, мы не столкнемся с теми экстремальными температурами, которые термопара типа K считала бы критичными. Предоставляя смещение в 1,25 В, так что 0°C будет равно 1,25 В, мы можем измерять температуры от -250°C до 410°C, оба значения превышают возможности микросхемы-преобразователя и платы, на которой она установлена. Я мог бы использовать более низкое опорное напряжение. Однако я иду против технического описания здесь, и 1,25 В очень удобно для меня.

Для предоставления опорного напряжения в техническом описании рекомендуется не использовать делитель напряжения напрямую, а вместо этого использовать операционный усилитель или буферный усилитель для буферизации напряжения делителя на вывод Ref. Сравнивая стоимость, опорное напряжение 1,25 В MAX6070 является более дешевым решением и также более точным, это самое низкое выходное напряжение среди всех опорных напряжений в моей библиотеке.

Реализованная схема все еще относительно проста для усилителя термопары с компенсацией холодного спая, но не так проста, как цифровой преобразователь. Меня интересует особенность контакта REF, заключающаяся в том, что вместо использования просто опорного напряжения или делителя напряжения здесь, мы могли бы также добавить потенциометр к резистивному делителю для точной настройки термопары, если бы мы хотели предложить высокоточную калиброванную схему.

Печатная плата очень похожа на MAX31855, с разъемом термопары и развязывающим конденсатором, расположенными рядом друг с другом, чтобы обеспечить хорошую компенсацию холодного спая. Как и в случае с MAX31855, мы будем крепить горячий спай термопары к печатной плате с помощью каптона в том же месте, что и другие типы датчиков, на которые мы смотрели в этой серии.

Фильтр РЧ для термопары

Если вы ожидаете использовать термопару в неблагоприятной среде РЧ/ЭМП, рассмотрите возможность добавления простого RC-фильтра к вашим линиям термопары. Я не буду добавлять это на печатную плату, которую мы делаем в этом проекте, однако, учитывая распространенность термопар в промышленных и процессных приложениях, я считаю, что это стоит отметить.

Заключение

Вы можете найти подробности о каждой из этих тестовых плат с температурными датчиками на GitHub. Эти платы распространяются под открытой лицензией MIT, так что вы можете свободно собрать их сами, использовать их схемы в своих проектах или применять их любым другим способом, который сочтете нужным.

Обязательно посмотрите другие проекты из этой серии, если вас интересуют температурные датчики, так как вы можете найти более дешевую альтернативу использованию термопары или другой вариант, который подойдет для вашего проекта. В конце этой серии вы увидите сравнение всех различных типов датчиков, так что вы сможете напрямую сравнить, как различные реализации датчиков работают в разных условиях относительно друг друга.

Хотите узнать больше о том, как Altium Designer® может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium.