Подключение термопары

Изотермическое подключение к терминалу пары выводов термопары происходит путем спайки. Этот спай должен находиться при такой же температуре, как и AD594/AD595, что обеспечивает эффективную внутреннюю компенсацию холодного спая. С хема соединения, обеспечивающая равенство температур – печатная плата соединения выходов показана на рисунке 3. здесь температурная часть чипа AD594/AD595 и печатная плата припаяны к медным дорожкам 1 и 14. в этом случае холодный спай представляет собой медь-константан (или медь-алюмель) и медь-железо (или медь-хромель), оба из них имеют такую же температуру, как и AD594/AD595. Представленная печатная плата также имеет выводы для расположения резисторов на выходе нагрузки сигнализации, калибровочных резисторов и компенсационного конденсатора для ограничения пропускной способности. Для улучшения контакта перед пайкой необходимо зачистить конци термопары, чтобы убрать слой оксида. Чтобы избежать коррозии спаев для железа, константана, хромели и алюмели необходимо применять флюсы следующего состава: 95% олова – 5% сурьмы, 95% олова - 5% серебра или 90% олова – 10% свинца.

Функциональное описание работы

AD594 действует как два дифференциальных усилителя. Выходные сигналы суммируются и используются для управления повышающим усилителем, как показано на рисунке 4. П ри нормальном режиме работы выходы главного усилителя, на ножке 9, подключены к цепи обратной связи на ножке 8. Сигналы термопары, подключенные к буферу выходного уровня на ножках 1 и 14, усиливаются в блоке G дифференциального усилителя и дальше усиливаются в блоке А главного усилителя. Выход главного усилителя подключен ко второму уровню дифференцирования путем обратной связи. На этом уровне сигнал обратной связи усиливается и тоже подается на вход главного усилителя через суммирующую цепь. Из-за инверсии усилитель в обратной цепи приводит к снижению дифференциального сигнала до маленького значения. Два дифференциальных усилителя G сделаны таким образом, чтобы соответствовать друг другу и иметь одинаковый коэффициент усиления. В результате сигнал обратной связи, который подается на правый дифференциальный усилитель будет в точности соответствовать входному сигналу термопары, когда дифференциальный сигнал был снижен до нуля. Цепь обратной связи настроена таким образом, что эффективное усиление на выходе, на ножках 8 и 9 соответствует напряжению в 10 мВ на °С возбуждения термопары. В добавление к сигналу обратной связи на правый дифференциальный усилитель подается напряжение компенсации холодного спая. Компенсацией является дифференциальное напряжение, пропорциональное температуре чипа по Цельсию. Этот сигнал влияет на дифференциальный вход таким образом, что выходной сигнал усилителя должен регулировать возвратным сигналом входа, который равен напряжению термопары. Компенсационный сигнал подается через встроенные резисторы таким образом, что влияние на главный выход тоже равно 10 мВ/°С. В результате компенсационное напряжение добавляется к эффективному напряжению термопары как сигнал, прямопропорциональный разнице между 0°С и температурой чипа. Если температура холодного спая термопары соответствует температуре AD594/AD595, выходной сигнал чипа будет соответствовать читаемому сигналу, который получен путем усиления сигнала термопары погруженной в ледяную ванну. AD594/AD595 также содержит в себе детектор разрыва цепи входа, который открывает транзистор сигнализации. Этот транзистор фактически является токоограниченным выходным буфером, но в пределе может быть использован как переключающий транзистор для операций включения и выключения внешней сигнализации. Цепь компенсации «ледяной» точки обладает напряжением, позволяющим получить как положительные, так и отрицательные температурные коэффициенты. Эти напряжения могут использоваться вместе с внешними резисторами для изменения точки плавления льда и калибровки AD594/AD595. Резистор обратной связи подключен таким образом, что значение его сопротивления может быть увеличено последовательным подключением резистора, или уменьшено подключением внешнего резистора на ножках 5 и 9.

Усилитель для термопары

На конец то дошли руки до системы нижнего подогрева. Перелопатив массу проектов, найденных в интернете, не нашел того идеального подходящего мне.

Были не плохие варианты, но то на отсутствующей у меня элементной базе, то с невнятной концепцией устройства. В итоге решил делать проект сам.

В то время как с управлением силовой части, как собственно и отображением информации на дисплее будущего устройства, присутствует ясность. Остался вопрос измерения температуры.

Наткнулся на приведенную ниже схему.

 

Понравилась тем, что для измерения температуры используется низкоомная термопара (от цифровых мультиметров), которую легко приобрести в радио магазинах со средним Российским ценником около $3.

ОУ LM358 очень распространен, можно снять бесплатно с материнских плат ПК. LM358 несмотря на относительно большой температурный дрейф, погрешность измерения будет не более 2 градусов. Большой плюс LM358, что в ней два ОУ, легко реализовать два канала измерения на одной микросхеме.

Резистор R12 корректирует коэффициент усиления в зависимости от применяемой термопары. В диапазоне до 400 градусов термопары обычно достаточно линейны, поэтому появляется возможность применения любой подходящей термопары.

В оригинальной статье говорилось о том, что микросхема питается 5В, поэтому максимально можно измерить реально 375 градусов. Однако данную схему можно применить и для измерения более высоких температур, до 1000 градусов. Единственно, надо знать тип термопары. Распространенные советские термопары хромель-копель измеряют до 800 градусов и немного не линейны с 300 — 600 градусов. Если применить термопары К-типа, то получим хорошие результаты измерения до 1000 градусов, с точностью +\- 2 градуса. Так же нужно повысить напряжение питания ОУ или применить делитель напряжения на выходе ОУ. Нужно чтобы выходное напряжение было в допустимом диаппазоне входных напряжений АЦП применяемого микроконтроллера.

Было сказано, что при изготовлении, термо-компенсационный диод VD1 желательно разместить снизу печатной платы, так чтобы его корпус был как можно физически был ближе к разъему. Хорошо применить термопасту. Резисторы можно применить как SMD типа, так и обычные 0,125 Вт. Я обычно применяю последовательно соединенные резисторы стандартного ряда.

2,74К=2,7К+39, 53,6=27+27, 3,95К=3,9К+51, столь точный подбор делителя, на мой взгляд произведен для получения заданной пропорциональности выходного напряжения ОУ в зависимости от температуры (т.е. 1 вольт на 100 градусов Цельсия).

После изготовления усилителя, его необходимо откалибровать. В домашних условиях калибровку проще сделать по двум температурам 0 и 100 градусов. Первое, термопара погружается в талую воду, выставляется показания 0 градусов R6. Второе, термопара погружается в кипящую воду, выставляется показания 100 градусов R12. Можно проверить показания датчика на других заведомо известных температурах.

Как это использовать с МК.

Напряжение на выходе ОУ прямо пропорционально измеренной температуре. Если на вых. ОУ 1,00В, то это соответствует температуре 100 градусов . Если на выходе 2,58В, то 258 градусам. Для измерения применяя встроенный АЦП микроконтроллера фирмы МИКРОЧИП. Опорное напряжение равно напряжению питания 5,12В, АЦП 10 разрядное, 1024 уровней квантования. Один уровень квантования 0,005В. При измерении напряжения на выходе ОУ с помощью АЦП получаем следующий результат:

При: Uвых = 2,87В /0,005=574, уровней квантования АЦП. Для упрощения вывода результата на индикацию, необходимо полученный результат разделить на два.

574/2= 287 (0х11F) остается преобразовать полученное число в двоично-десятичный вид и вывести на применяемый индикатор.

Если необходимо измерять температуру больше 400 градусов, то напряжение питания ОУ и соответственно выходное напряжение ОУ будет больше опорного напряжения АЦП. В этом случае, как самый простой вариант, удобно использовать делитель напряжения на выходе ОУ с коэф. 2. (можно применить два одинаковых резистора по 10 кОм). При таком подходе программное деление необходимо исключить.