Cách Sử Dụng Cặp Nhiệt Điện trong Dự Án Tiếp Theo của Bạn

Thermocouple là loại cảm biến cuối cùng trong loạt bài nơi chúng ta xem xét tất cả các loại cảm biến nhiệt độ chính mà bạn có thể sử dụng trong dự án điện tử của mình. Trong loạt bài này, chúng tôi đã xem xét các cách khác nhau để triển khai các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau trong dự án của bạn. Cuối loạt bài, chúng tôi sẽ đặt các cảm biến và cách triển khai vào một cuộc thi đối đầu dưới điều kiện thực tế. Thông qua việc thử nghiệm thực tế này, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về cách các cảm biến khác nhau phản ứng và thích ứng với điều kiện thay đổi, cũng như độ tuyến tính và chính xác của chúng trong việc đầu ra nhiệt độ cảm nhận được.

Bạn có thể tìm thấy các tệp thiết kế cho dự án này được phát hành dưới giấy phép mã nguồn mở MIT trên GitHub, giống như tất cả các dự án khác của tôi. Bạn có quyền tự do sử dụng mạch hoặc dự án theo ý muốn, kể cả cho các dự án thương mại.

Cảm biến nhiệt độ là thiết yếu cho nhiều ngành công nghiệp, và thermocouple càng quan trọng hơn. Thermocouple có thể cực kỳ chính xác và có phạm vi cảm nhận nhiệt độ rộng lớn, làm cho chúng lý tưởng với nhiều ứng dụng kiểm soát nhiệt độ công nghiệp, kiểm soát quy trình và giám sát. Trong loạt bài này, chúng tôi sẽ xem xét một loạt các loại cảm biến khác nhau và cách tốt nhất để sử dụng chúng. Chúng tôi sẽ xem xét:

• Cảm biến nhiệt độ hệ số nhiệt độ âm (NTC)
• Cảm biến nhiệt độ hệ số nhiệt độ dương (PTC)
• Cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD)
• Mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ tương tự (Analog Temperature Sensor ICs)
• Mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ số (Digital Temperature Sensor ICs)
• Thermocouples

Trước đây, chúng tôi đã xây dựng hai mẫu dự án trong bài giới thiệu về loạt bài về cảm biến nhiệt độ. Mỗi mẫu dự án này đều có giao diện và vị trí kết nối giống nhau, điều này sẽ cho phép chúng tôi có một bộ thiết lập kiểm tra tiêu chuẩn cho tất cả các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau mà chúng tôi đang xem xét. Một trong những dự án này được thiết kế cho cảm biến nhiệt độ số, và dự án kia được thiết kế cho cảm biến nhiệt độ tương tự. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ sử dụng cả hai, sử dụng mẫu dự án số cho một ADC độ phân giải cao và mẫu dự án tương tự cho tất cả các triển khai khác.

Để kết thúc loạt bài này, chúng tôi sẽ xây dựng hai bảng chủ cho các thẻ cảm biến này, một được thiết kế để kiểm tra một thẻ đơn lẻ cho mục đích xác thực, và cái kia được thiết kế để kết nối với một chồng thẻ. Bảng chủ thứ hai này, một khi chúng tôi có nhiều cảm biến được lắp đặt trên đó, sẽ được sử dụng khi chúng tôi đánh giá hiệu suất của tất cả các triển khai cảm biến.

Thermocouples

Nếu bạn đang tìm cách đo nhiệt độ cực đoan, vượt qua bất kỳ cảm biến nào mà chúng tôi đã xem xét, thì bạn có thể đang tìm kiếm một cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện hoạt động khá khác biệt so với tất cả các cảm biến khác mà chúng tôi đã xem xét, thay vì đo sự thay đổi trong điện trở, cặp nhiệt điện tạo ra một sự chênh lệch tiềm năng (điện áp) từ hai hợp kim kim loại khác nhau được hàn lại với nhau. Điều này cho phép bạn đo từ điểm không tuyệt đối đến vượt qua điểm nóng chảy của sắt và thép với cặp nhiệt điện phù hợp. Cặp nhiệt điện cũng rất chắc chắn về cấu trúc và không dễ vỡ như bất kỳ cảm biến nào khác mà chúng tôi đã xem xét trong dự án này. Cặp nhiệt điện không chính xác như một bộ phát hiện nhiệt độ điện trở có thể, nhưng chính xác đủ cho hầu hết các ứng dụng, đặc biệt là xem xét phạm vi nhiệt độ rộng lớn.

Thực tế là cặp nhiệt điện tạo ra điện từ nhiệt độ cũng làm cho chúng có giá trị trong việc khám phá không gian vũ trụ như một nguồn năng lượng. Hàng ngàn cặp nhiệt điện nối tiếp xung quanh một nguồn nhiệt phóng xạ tạo ra một Máy phát điện nhiệt điện phóng xạ được sử dụng trong các sứ mệnh không gian sâu như các tàu thăm dò Voyager, Cassini và New Horizons, cũng như rover Curiosity trên Sao Hỏa trong số khác.

Với mục đích của chúng tôi, một loại nhiệt điện cặp K được tạo thành từ nickel-chromium cho dây dẫn dương, và nickel-aluminium cho dây dẫn âm là loại phổ biến và rẻ nhất, và đó là loại chúng tôi sẽ sử dụng. Với nhiệt điện cặp loại K, bạn có thể đo từ -270C đến khoảng 1372C, tạo ra -6.458mV đến 54.886mV tương ứng. Như bạn có thể thấy, lượng điện áp tạo ra trên phạm vi nhiệt độ rộng lớn này khá nhỏ, vì vậy chúng ta sẽ cần một số mạch điện để có thể đo nhiệt độ từ điện áp nhỏ này. Đáng chú ý là không phải tất cả nhiệt điện cặp loại K đều có khả năng chịu được nhiệt độ tối đa mà điểm nối nhiệt có thể - nhiều nhiệt điện cặp loại K giá rẻ có thể chỉ chịu được 500-700C trước khi cách điện của chúng bị suy giảm. Việc triển khai một nhiệt điện cặp loại K giá rẻ, nhiệt độ thấp và một nhiệt điện cặp loại K giá cao, nhiệt độ cao thường sẽ giống nhau, tuy nhiên, vì chính điểm nối nhiệt cung cấp tiềm năng điện áp mà chúng ta đang đọc. Tuy nhiên, không phải tất cả các kim loại đều được tạo ra như nhau, và một số nhiệt điện cặp rẻ tiền có thể sử dụng kim loại ít tinh khiết hơn hoặc có những phương pháp tiết kiệm khác có thể khiến các lựa chọn đắt tiền hơn trở nên tốt hơn.

Ngoài hiệu suất của cặp nhiệt điện, còn có những yếu tố khác cần xem xét khi làm việc với cặp nhiệt điện để đảm bảo độ chính xác như mong đợi. Bạn nên sử dụng đường kính dây lớn nhất có thể cho cặp nhiệt điện miễn là nó không làm giảm nhiệt lượng khỏi khu vực đo lường. Tôi đã sử dụng cặp nhiệt điện loại K từ McMaster Carr có dây 8 gauge với phần cách điện bằng gốm đúc - hoàn hảo cho các ứng dụng đúc chết và xử lý nhiệt. Dây dày cho phép giảm điện trở dây để cung cấp phép đo chính xác hơn, cũng như giảm khả năng hỏng dây. Áp lực cơ học và rung động có thể nhanh chóng làm hỏng dẫn của cặp nhiệt điện, vì vậy cặp nhiệt điện của bạn nên được cách ly khỏi cả hai càng nhiều càng tốt. Nếu bạn có dây cặp nhiệt điện dài, hãy sử dụng một đôi dây xoắn có bảo vệ để cải thiện khả năng miễn dịch từ nhiễu có thể làm cho điện áp nhỏ được tạo ra bởi điểm nóng khó đọc chính xác hơn. Nếu bạn sử dụng dây nối dài, kết nối với cáp cặp nhiệt điện nên được thực hiện càng gần nhiệt độ của IC chuyển đổi càng tốt, vì giao diện giữa dây nối dài và cặp nhiệt điện là nơi có điểm nối lạnh.Đọc nhiệt độ một cách chính xác từ một cặp nhiệt điện không đơn giản chỉ là khuếch đại điện áp, tuy nhiên. Để có được một phép đo chính xác, chúng ta cũng cần một điểm tham chiếu cho phép đo, thường được gọi là điểm nối lạnh. Khi bạn kết nối cặp nhiệt điện với bảng mạch của mình hoặc chỉ là một dây nối, bạn đang tạo ra một kết nối giữa hai kim loại khác nhau. Do đó, bạn đang tạo ra thêm hai điểm nối nhiệt điện tại "điểm nối lạnh" - nơi đầu của cặp nhiệt điện đang cảm nhận nhiệt độ là "điểm nối nóng".

Có một số phương pháp thực hiện bù nhiệt độ điểm nối lạnh; tuy nhiên, hầu hết không thực tế cho một PCB. Phương pháp mà hầu hết các IC chuyển đổi cặp nhiệt điện sử dụng là sử dụng nhiệt độ của IC làm độ lệch cho nhiệt độ điểm nối, do đó đảm bảo rằng bộ kết nối cho cặp nhiệt điện gần với IC chuyển đổi của bạn và có cùng nhiệt độ với IC chuyển đổi là rất quan trọng để có được một phép đo chính xác. Trong dự án này, chúng ta chỉ sẽ xem xét việc sử dụng một cặp nhiệt điện với một IC chuyển đổi. Điều này đơn giản hóa quy trình mà không tốn kém so với việc thêm các thành phần bổ sung, chưa kể đến thời gian kỹ thuật và thử nghiệm, để thực hiện bù nhiệt độ điểm nối lạnh trong mã vi điều khiển của bạn.

Trong dự án này, chúng ta sẽ triển khai hai bộ khuếch đại cặp nhiệt điện đọc cặp nhiệt điện loại K.

Triển khai nhiệt điện cặp: MAX31855

Đây có lẽ là IC giao tiếp nhiệt điện cặp phổ biến nhất hiện có, với một mô hình IC khác nhau cho mỗi loại nhiệt điện cặp. MAX31855 hỗ trợ các loại nhiệt điện cặp K, J, N, T, S, R và E, bao gồm mọi thứ bạn có thể gặp phải trong thế giới thực. Hậu tố chữ cái sau MAX31855 là loại nhiệt điện cặp, vì vậy cho dự án này, tôi đang sử dụng MAX31855K để làm việc với nhiệt điện cặp loại K của mình. MAX31855 có một ADC 14bit bên trong và truyền dữ liệu đọc qua bus SPI. Mặc dù có khả năng đọc nhiệt độ cao tới 1800C và thấp đến 270c, ADC cung cấp độ phân giải 0.25c với độ chính xác +/- 2C cho nhiệt điện cặp loại K trong khoảng từ -200c đến +700c. Như đã đề cập ở trên, bù nhiệt độ mối nối lạnh là rất quan trọng để đo lường chính xác với nhiệt điện cặp, và MAX31855 xử lý điều này một cách minh bạch cùng với điều kiện tín hiệu của đầu ra nhiệt điện cặp.

Trong khi MAX31855 sử dụng SPI, đây là thiết bị chỉ đọc, do đó nó không sử dụng chân MOSI, chỉ yêu cầu 3 dây dữ liệu đến mạch tích hợp. Tùy thuộc vào các thiết bị SPI khác mà bạn có thể đang sử dụng, điều này có thể giúp bạn tiết kiệm một chân microcontroller hoặc ít nhất làm cho việc định tuyến trở nên dễ dàng hơn đối với IC chuyển đổi nhiệt độ từ thermocouple sang số. Khi chúng ta đang nói về giao thức truyền thông, từ kinh nghiệm thực tế, bạn không nên yêu cầu chuyển đổi nhanh chóng từ MAX31855 - nếu bạn làm vậy, kết quả sai lệch có khả năng được tạo ra. Tôi thấy rằng 4 yêu cầu mỗi giây là tốc độ yêu cầu nhiệt độ an toàn để đảm bảo dữ liệu đáng tin cậy được cung cấp.

Việc triển khai cho MAX31855 cực kỳ đơn giản, chỉ yêu cầu 2 linh kiện thụ động và một cổng SPI trên microcontroller của bạn. Cảm biến này trực tiếp chuyển đổi điện áp đầu ra của thermocouple thành đọc nhiệt độ số, làm cho việc triển khai với microcontroller trở nên nhanh chóng và dễ dàng.

Tôi đang sử dụng loại kết nối dây với bảng cắm thấp từ AVX để kết nối thermocouple, cùng một loạt như tôi đã sử dụng trong bộ điều khiển ánh sáng RGBW của mình. Kết nối này lý tưởng cho các bảng thử nghiệm này vì chiều cao thấp của nó cho phép các bảng xếp chồng lên nhau mà không bị kết nối cản trở, và nó cũng cung cấp một cách thực sự dễ dàng để kết nối thermocouple một cách an toàn.

Tôi sẽ giữ nguyên phần cách nhiệt cho thiết kế bảng mạch này, vì tôi muốn giữ cho nhiệt độ đo được nhất quán giữa các bảng mạch thử nghiệm khác nhau mà chúng tôi đang xây dựng. Tôi sẽ dùng băng Kapton để dán nối nhiệt của cặp nhiệt điện vào bảng mạch ở cùng một vị trí với các cảm biến khác. Vị trí này nên cho chúng tôi một phép đo nhất quán so với các bảng thử nghiệm khác trong loạt.

Như đã đề cập trước đó, kết nối phải càng gần với IC chuyển đổi càng tốt. Do đó, hai thành phần này nằm ngay cạnh nhau với tụ điện lọc cho cặp nhiệt điện được đặt giữa chúng.

Triển khai Cặp Nhiệt Điện: AD8495

Từ Analog Devices, chúng tôi có một khuếch đại đo lường với bù nhiệt độ nối lạnh tích hợp. Tín hiệu ra từ thiết bị này là tương tự và do đó có thể được sử dụng cho các ứng dụng giới hạn nhiệt độ và an toàn hỗ trợ cho vi điều khiển, hoặc trong một mạch hoàn toàn tương tự. Bạn vẫn có thể đọc tín hiệu ra với một vi điều khiển, tuy nhiên, với 5mV/°C bạn sẽ muốn sử dụng một ADC có độ phân giải cao bên ngoài để đảm bảo bạn có thể đọc chính xác nhiệt độ.

Dòng khuếch đại nhiệt điện cặp AD849x hoạt động với nguồn cung cấp đơn, tuy nhiên, vẫn có thể đọc được nhiệt độ dưới không, nơi mà điện áp của nhiệt điện cặp là âm. Mặc dù AD8495 có thể cung cấp lên đến 5mA dòng điện cho tải, điều này sẽ dẫn đến tự nhiệt, như đã được thảo luận trong các bài viết trước trong loạt bài, dẫn đến các đọc giá trị không chính xác. Trong trường hợp này, không phải nhiệt độ của nhiệt điện cặp, mà là nhiệt độ của điểm nối lạnh và do đó là bù nhiệt độ cho điểm nối lạnh. Nếu ứng dụng của bạn sử dụng AD8495 yêu cầu nhiều hơn một lượng dòng điện nhỏ, bạn nên sử dụng một bộ theo dõi điện áp để cung cấp dòng điện và cung cấp một đầu vào trở kháng cao cho đầu ra của AD8495. Việc triển khai khuếch đại đo lường trong AD849x cung cấp một khả năng loại bỏ nhiễu chế độ chung xuất sắc có thể được thu từ các cáp nhiệt điện cặp dài.

AD8495 mà chúng tôi đang sử dụng trong dự án này được tối ưu hóa cho hoạt động trong khoảng từ 0°C đến 50°C, tuy nhiên, có thể đọc được toàn bộ phạm vi của nhiệt điện cặp loại K. AD8494 có cùng phạm vi nhiệt độ cho nhiệt điện cặp loại J. Nếu cần một phạm vi nhiệt độ cao hơn cho điểm nối lạnh/bộ chuyển đổi hoạt động, AD8496 và AD8497 cung cấp phạm vi hoạt động được tối ưu hóa từ 25°C đến 100°C cho nhiệt điện cặp loại J và loại K tương ứng.

Giả sử bạn đang làm việc với nhiệt độ rất cao trong dự án của mình và muốn thêm chức năng an toàn sẽ hoạt động bất kể điều gì xảy ra với vi điều khiển. Trong trường hợp đó, bạn có thể sử dụng AD8495 với một bộ so sánh tương tự để cung cấp chức năng tắt cho một phần tử sưởi. Các đầu ra số đơn giản và cho phép đọc chính xác; tuy nhiên, đôi khi bạn cần một đầu ra tương tự cho một tính năng an toàn thứ cấp (hoặc chính) trong một thiết bị.

Việc triển khai AD8495 không đơn giản như MAX31855, vì để đọc nhiệt độ âm chúng ta cần cung cấp một điện áp lệch dc cho tín hiệu nếu chúng ta muốn sử dụng một nguồn cung cấp đơn và muốn một điện áp đầu ra dương trên toàn bộ phạm vi của cảm biến. Điện áp đầu ra được xác định như sau:

Vì vậy, chúng ta biết rằng 100°C sẽ tạo ra một sự tăng 0.5V trong điện áp đầu ra, vì cài đặt nhiệt điện cặp này sẽ có nhiệt điện cặp được gắn vào bảng mạch chứa IC chuyển đổi, chúng ta sẽ không trải qua những nhiệt độ cực đoan mà một nhiệt điện cặp loại K có thể xem xét. Bằng cách cung cấp một điện áp lệch 1.25V, vì vậy 0°C sẽ tương đương với 1.25V, chúng ta có thể đo nhiệt độ xuống tới -250°C và lên tới 410°C, cả hai đều vượt quá khả năng của IC chuyển đổi và bảng mạch nó được lắp đặt. Tôi có thể sử dụng một điện áp tham chiếu thấp hơn. Tuy nhiên, tôi đang đi ngược lại với tài liệu dữ liệu ở đây, và 1.25V rất thuận tiện cho tôi.

Để cung cấp một điện áp tham chiếu, tài liệu dữ liệu khuyến nghị không sử dụng một bộ chia điện áp trực tiếp, mà thay vào đó sử dụng một bộ khuếch đại hoạt động hoặc bộ khuếch đại đệm để đệm điện áp của bộ chia tới chân Ref. Khi so sánh chi phí, một điện áp tham chiếu 1.25V MAX6070 là một giải pháp rẻ hơn và cũng chính xác hơn, đó là điện áp đầu ra thấp nhất trong tất cả các điện áp tham chiếu trong thư viện của tôi.

Mạch sơ đồ được triển khai vẫn còn tương đối đơn giản cho một bộ khuếch đại nhiệt điện cặp với bù nhiệt độ mối nối lạnh, nhưng không hẳn là đơn giản như bộ chuyển đổi số. Điều tôi thấy thú vị về chân REF là thay vì chỉ sử dụng một điện áp tham chiếu hoặc bộ chia điện áp ở đây, chúng ta cũng có thể thêm một biến trở vào bộ chia điện trở để cung cấp khả năng điều chỉnh tinh tế cho nhiệt điện cặp, nhằm cung cấp một mạch được hiệu chuẩn chính xác cao nếu chúng ta muốn.

Bảng mạch rất giống với MAX31855, với bộ kết nối nhiệt điện cặp và tụ bù ngay cạnh nhau, để cung cấp một tham chiếu bù nhiệt độ mối nối lạnh tốt. Giống như MAX31855, chúng tôi sẽ gắn mối nối nóng của nhiệt điện cặp vào PCB bằng băng Kapton ở cùng một vị trí với các loại cảm biến khác mà chúng tôi đã xem xét trong loạt bài này.

Bộ lọc RF cho Nhiệt điện cặp

Nếu bạn dự định sử dụng nhiệt điện cặp trong môi trường RF/EMI bất lợi, hãy xem xét việc thêm một bộ lọc RC đơn giản vào các dây nhiệt điện cặp của bạn. Tuy nhiên, tôi sẽ không thêm điều này vào PCB mà chúng tôi đang làm trong dự án này, tuy nhiên, với sự phổ biến của nhiệt điện cặp trong các ứng dụng công nghiệp và giám sát quy trình, tôi cảm thấy đáng để lưu ý.

Kết luận

Bạn có thể tìm thấy chi tiết của từng loại bảng mạch thử nghiệm này cùng với tất cả các cách thực hiện cảm biến nhiệt độ khác trên GitHub. Những bảng mạch này được phát hành dưới giấy phép mã nguồn mở MIT, vì vậy bạn hoàn toàn có thể tự xây dựng chúng, áp dụng các mạch của chúng vào dự án của bạn hoặc sử dụng chúng theo bất kỳ cách nào bạn muốn.

Hãy chắc chắn rằng bạn xem xét các dự án khác trong loạt bài này nếu bạn quan tâm đến cảm biến nhiệt độ, vì bạn có thể tìm thấy một phương án rẻ hơn so với việc sử dụng cặp nhiệt điện hoặc một lựa chọn khác có thể phù hợp với dự án của bạn. Cuối loạt bài này, bạn sẽ thấy một sự so sánh giữa tất cả các loại cảm biến khác nhau, vì vậy bạn có thể trực tiếp so sánh hiệu suất của các cách thực hiện cảm biến khác nhau trong các điều kiện khác nhau so với nhau.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium Designer® có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.