Преобразователь для термопары типа К |
В современной промышленности и судоходстве наибольшее распространение получили термодатчики на базе термосопротивлений и термопар различных видов. Для подключения к контроллерам они требуют специальных преобразователей, один из которых, для термопары типа К, представлен на этой страничке. ![]() Преобразователь для термопары типа К Сразу скажу, что данный преобразователь создавался исключительно в учебно-тренировочных целях для освоения работы с термопарой, с большими коэффициентами усиления, термисторами и источниками опорного напряжения. Для практического применения лучше купить готовый модуль, например, на базе микросхемы MAX6675. В чем же трудности при создании преобразователя для термопары? Во-первых, большой коэффициент усиления : поднять напряжение с термопары необходимо более чем в 100 раз. От сюда вытекают проблемы, связанные с характеристиками применяемых операционных усилителей : усиливается не только полезный сигнал, но и шумы, наводки и напряжение смещения ОУ. Во-вторых, термо-ЭДС в термопаре возникает благодаря разнице между температурами холодного и рабочего спая, то есть замерив это напряжение, мы узнаем только разницу между температурами спаев, а чтобы определить полную величину, нам нужно знать еще и температуру холодного спая (или ее эквивалент напряжения), а значит нужен еще один датчик. В-третьих, термо-ЭДС нужно пересчитать в температуру, что требует от контроллера много памяти или вычислительных мощностей, если воспользоваться таблицами или полиномами из ГОСТ Р 8.585-2001. Ниже представлена попытка решить или обойти эти проблемы. На следующем рисунке вы увидите электросхему преобразователя температуры. Под ней приведены пояснения, которые помогут лучше понять принцип работы устройства. |
ЭЛЕКТРОСХЕМА |
Как работает схема. Термопара подсоединяется к клеммнице K-TYPE (1-плюс, 2-минус). Сигнал с разъема 1 фильтруется, усиливается в операционном усилителе LM358.1, снова фильтруется, после чего подается на аналоговый вход Arduino. Нижняя часть схемы на базе усилителя LM358.2 и микросхемы TL431A служит для создания опорного напряжения, чтобы "приподнять" сигнал с датчика. Это нужно для возможности замера отрицательных температур, а также, чтобы решить проблему напряжения смещения ОУ. Для компенсации температуры холодного спая используется термистор MF52. Он выполнен отдельным модулем и на этой схеме не показан. ![]() Электросхема преобразователя для термопары типа К Рассмотрим назначение элементов схемы подробней.
|
СБОРКА ПЛАТЫ |
Схема пайки элементов преобразователя температуры представлена на рисунке ниже. За базу взята макетная плата 45х60 мм. Конечно вы можете расположить элементы по другому и более компактно. ![]() Схема пайки преобразователя температуры на макетной плате Примечания :
|
ТЕСТОВЫЙ СТЕНД |
Для проверки работы преобразователя температуры вы можете собрать тестовый стенд, схема которого представлена ниже. ![]() Схема подключения преобразователя температуры Управлять системой можно с помощью трех кнопок : НАСТРОЙКИ, ВВЕРХ, ВНИЗ. Рассмотрим их функции подробно : Кнопка НАСТРОЙКИПри нажатии этой кнопки вы попадете в меню настроек. Продолжая нажимать эту кнопку, вы будете последовательно переходить по пунктам меню. После последнего пункта вы снова выйдите в основной экран. Изменение параметров осуществляется кнопками ВВЕРХ и ВНИЗ. Изменение цифровых параметров сразу принимается системой, подтверждение не нужно. Пройдемся по пунктам меню Настройки.
Кнопки ВВЕРХ-ВНИЗЭтими кнопками меняются значения параметров. Индикация LCDВерхняя строчка Нижняя строчка |
КАЛИБРОВКА ДАТЧИКА |
В теории, для того, чтобы рассчитать температуру в точке замера, необходимо замеренное напряжение на термопаре перевести в разницу температур между рабочим и холодным спаем (по таблице из ГОСТ Р 8.585-2001 или по формуле из того же ГОСТа), а затем прибавить к полученному результату температуру холодного спая, полученного с датчика MF52. Для этого понадобится забить таблицу из ГОСТ в контроллер, на что его памяти может не хватить, или придется воспользоваться довольно пространной формулой, что может сильно загрузить контроллер. Можно ли обойтись без этого и применить простую интерполяцию по двум точкам? Давайте проверим точность замера при использовании этого допущения. По расчетам выше, крайние точки диапазона замера напряжения лежат в пределах от -1,709 мВ до +7,939 мВ при температурах рабочего спая от -45ºС до +195ºС (температуру холодного спая берем за 0ºС, как в таблице). Если предположить, что характеристика термопары линейная, то в ее центре мы получим +3,115 мВ при +75ºС. Сверим это допущение с таблицей : при +3,115 мВ по таблице мы получим +76,35ºС. Разница в 1,35ºС, что составляет 0,56% от всего диапазона замера (240ºС). Посмотрев на график характеристики термопары типа К, можно заметить, что небольшой перелом линейности происходит в нулевой точке. Если калибровать датчик только по положительной части характеристики от 0 мВ до +7,939 мВ при температурах рабочего спая от 0ºС до +195ºС, то в средней части этого диапазона мы должны иметь +3,9695 мВ при температуре +97,5ºС. Сверившись с таблицей, при +3,9695 мВ мы получим +96,94ºС. Погрешность составляет 0,56ºС или 0,28% от диапазона измерения. Я думаю, что такая погрешность не является критичной при обычном использовании данного преобразователя температуры (нагревательные приборы, котлы). К тому же всегда можно применить программную поправку для корректировки температуры в рабочей области прибора. ![]() Проверка преобразователя для термопары типа К Итак, опишем процесс калибровки преобразователя. Прежде всего, установите модуль термистора MF52 как можно ближе к месту подсоединения проводов термопары (холодный спай). После включения контроллера проверьте показания температуры термистора. При необходимости скорректируйте. Туда же поднесите датчик термопары (рабочий спай), чтобы температуры обоих спаев и термистора были одинаковы. В этом случае термо-ЭДС термопары будет равна нулю. Но так как мы "подняли" напряжение с термопары, чтобы иметь возможность замерять отрицательные температуры, в верхней строчке в скобках будет какое-то число - это вольтаж с аналогового порта датчика температуры, переведенный в цифровой вид. Занесите это число в MinVolt, а в MinTemp 0ºС (ноль). Это будет нижняя точка температурной характеристики датчика. Далее нагрейте чайник или потер с водой, доведя ее до кипения и опустите в нее датчик. Цифру в скобках верхней строчки экрана занесите в MaxVolt. В MaxTemp вбейте температуру, равную 100ºС минус температура холодного спая. Ее можно взять из нижней строчки экрана в скобках. Если все прошло нормально, в нижней строчке под буквой "Т" вы получите итоговую температуру датчика (разница температур между рабочим и холодным спаем плюс температура холодного спая, полученная с датчика MF52). Если вам надо поднять или опустить характеристику термопары, воспользуйтесь потенциометром POTI2. Чтобы расширить или сузить диапазон работы преобразователя, измените коэффициент усиления с помощью потенциометра POTI1. |
ЧТО НУЖНО ДЛЯ ПРОЕКТА |
Термопреобразователь
Тестовый стенд
|
ТЕСТОВЫЙ СКЕТЧ |
Ниже представлен скетч системы управления. В этом окне он неудобочитаем, поэтому скачать его в формате ino вы можете по этой ссылке. Обратите внимание, если вы захотите подать на LM358 двухполярное питание, то его отрицательную часть можно сформировать с помощью ШИМ-сигнала от Arduino и специального модуля. Для его работы в скетче есть несколько закомментированных строк. |
|