Medição de temperatura com termopar e microcontrolador AVR. Controlador de alta temperatura em termopar tipo K

Hoje vamos ensinar como fazer um termômetro eletrônico de três partes com suas próprias mãos.

Um termômetro muito simples e bastante preciso pode ser feito se você acidentalmente tiver um amperímetro de ponteiro antigo com uma escala de 100 μA por aí.
Isso exigirá apenas duas partes.
A temperatura é medida por um sensor LM 35. Este silício integrado inclui um elemento sensível à temperatura - um conversor primário e um circuito de processamento de sinal, feito no mesmo chip e encerrado em uma caixa, como, por exemplo, no KT 502 ( PARA-92). O sensor LM 35 possui uma variação de design com os mesmos parâmetros, mas com pinagem e dissipador de calor diferentes, o que é muito conveniente para medições de temperatura de contato.
A tensão de saída do sensor LM 35 é proporcional à escala Celsius (10mV/C). A uma temperatura de 25 graus, este sensor tem uma tensão de saída de 250 mV e a 100 graus a saída é de 1,0 V.
A designação do sensor é um tanto incomum. A pinagem é mostrada na figura.

No diagrama, o sensor é representado como um retângulo com a designação do tipo do dispositivo e a numeração dos pinos.
termômetro é mostrado na figura e é tão simples que não requer explicação.
O termômetro montado deve ser calibrado.
Ative o esquema. Pressione firmemente o sensor LM 35 contra o tanque do termômetro de mercúrio, por exemplo com fita isolante, enrole a junção ou simplesmente coloque tudo embaixo do travesseiro. Como qualquer processo térmico é inercial, você terá que esperar meia hora ou mais para que as temperaturas do sensor e do termômetro se equalizem e, em seguida, usar o potenciômetro para ajustar a agulha do microamperímetro para o número correspondente à temperatura do termômetro. Isso é tudo. Você pode usar um termômetro.

Na versão do autor, um termômetro de 0 a 50 graus Celsius foi usado para calibração com valor de divisão de 0,1 graus, então o termômetro acabou sendo bastante preciso.
Infelizmente, encontrar tal termômetro é problemático. Para uma calibração aproximada, você pode simplesmente colocar o sensor próximo a um termômetro que mede, digamos, a temperatura ambiente, esperar duas horas e definir a temperatura desejada na escala do microamperímetro.
Se um termômetro preciso ainda for encontrado, um multímetro digital, como o chinês VT-308V, pode ser usado como indicador em vez de um medidor com mostrador, então as leituras de temperatura podem ser lidas até décimos de grau.
Para quem deseja se familiarizar detalhadamente com os sensores integrados, visite kit-e.ru ou rcl-radio.ru (pesquise LM 35).

Uma série de artigos sobre medição de temperatura com controladores Arduino estaria incompleta sem uma história sobre termopares. Além disso, não há mais nada para medir altas temperaturas.

Termopares (conversores termoelétricos).

Todos os sensores de temperatura das lições anteriores permitiram medir a temperatura na faixa não maior que - 55 ... + 150 °C. Para medir temperaturas mais altas, os termopares são os sensores mais comuns. Eles:

• possuem uma faixa de medição de temperatura extremamente ampla de -250 … +2500 °C;
• pode ser calibrado para alta precisão de medição, até um erro não superior a 0,01 ° C;
• geralmente têm um preço baixo;
• são considerados sensores de temperatura confiáveis.

A principal desvantagem dos termopares é a necessidade de um medidor de precisão bastante complexo, que deve fornecer:

• medição de valores termo-EMF baixos com o valor superior da faixa de dezenas, e às vezes até unidades de mV;
• compensação termo-EMF de junção fria;
• linearização das características do termopar.

O princípio de funcionamento dos termopares.

O princípio de funcionamento de sensores deste tipo é baseado no efeito termoelétrico (efeito Seebeck). Portanto, outro nome para termopar é conversor termoelétrico.

Num circuito entre metais diferentes conectados, forma-se uma diferença de potencial. Seu valor depende da temperatura. Portanto, é chamado de termo-EMF. Diferentes materiais têm diferentes valores termo-EMF.

Se no circuito as juntas (junções) de condutores diferentes estiverem conectadas em um anel e tiverem a mesma temperatura, então a soma do termo-EMF é zero. Se as junções dos fios estiverem em temperaturas diferentes, então a diferença de potencial total entre eles depende da diferença de temperatura. Como resultado, chegamos à construção de um termopar.

Dois metais diferentes 1 e 2 em um ponto formam uma junção de trabalho. A junção de trabalho é colocada no ponto cuja temperatura deve ser medida.

Junções frias são os pontos nos quais os metais do termopar se conectam a outro metal, geralmente cobre. Podem ser blocos terminais de medidores ou fios de cobre para comunicação de termopares. Em qualquer caso, a temperatura da junta fria deve ser medida e levada em consideração no cálculo da temperatura medida.

Os principais tipos de termopares.

Os termopares mais utilizados são XK (chromel - kopel) e XA (chromel - alumel).

Como medir praticamente a temperatura com um termopar. Técnica de medição.

A característica estática nominal (NSH) do termopar é dada na forma de uma tabela com duas colunas: a temperatura da junção de trabalho e o termo-EMF. GOST R 8.585-2001 contém NSH de termopares de diferentes tipos, especificados para cada grau. Ele pode ser baixado em formato PDF neste link.

Para medir a temperatura com um termopar, siga estas etapas:

• medir o termo-EMF do termopar (E geral);
• medir a temperatura da junção fria (junção fria T);
• de acordo com a tabela NSH do termopar, determine o termo-EMF da junta fria usando a temperatura da junta fria (junção fria E);
• determinar o termo-EMF da junção de trabalho, ou seja, adicione o EMF da junta fria ao termo-EMF total (E junção de trabalho = E comum + E junção fria);
• de acordo com a tabela NSH, determine a temperatura da junção de trabalho usando o termo-EMF da junção de trabalho.

Aqui está um exemplo de como medi a temperatura de uma ponta de ferro de solda usando um termopar THA.

• Toquei a junção de trabalho na ponta do ferro de solda e medi a tensão nos terminais do termopar. Descobriu-se 10,6 mV.
• Temperatura ambiente, ou seja, a temperatura da junta fria é de aproximadamente 25 °C. O EMF de junção fria da tabela GOST R 8.585-2001 para um termopar tipo K a 25 °C é de 1 mV.
• A fem térmica da junção de trabalho é 10,6 + 1 = 11,6 mV.
• A temperatura da mesma tabela para 11,6 mV é 285 °C. Este é o valor medido.

Precisamos implementar essa sequência de ações no programa do termômetro Arduino.

Termômetro Arduino para medição de altas temperaturas usando um termopar THA.

Encontrei um termopar TP-01A. Um termopar THA típico e amplamente utilizado de um testador. Vou usá-lo no termômetro.

Os parâmetros do pacote são:

• tipo K;
• faixa de medição – 60 … + 400 °C;
• precisão ±2,5% até 400 °C.

A faixa de medição é especificada para cabos de fibra de vidro. Existe um termopar semelhante ao TP-02, mas com sonda de 10 cm.

O TP-02 possui um limite superior de medição de 700 °C. Então, vamos desenvolver um termômetro:

• para termopar tipo ТХА;
• com faixa de medição – 60 … + 700 °C.

Tendo entendido o programa e o esquema do dispositivo, você pode criar um medidor para termopares de qualquer tipo com qualquer faixa de medição.

As demais funcionalidades do termômetro são as mesmas dos aparelhos das três aulas anteriores, incluindo a função de registrar mudanças de temperatura.

Mas você mesmo pode montá-lo pela metade do preço.
Quem se importa - bem-vindo ao gato.

Vamos começar em ordem.
Um termopar... como um termopar. Medidor exatamente, tipo K, 0-800C

Pode ser cortado na carcaça, possui uma parte roscada que gira livremente. Diâmetro 5,8 mm, passo 0,9 ~ 1,0 mm, semelhante a M6 x 1,0 mm. Chave na mão para 10


Está tudo bem, o que fazer a seguir? É necessário converter o sinal (energia termoelétrica) em sinal digital ou analógico para ser lido pelo arduino. Isso nos ajudará. Este é um conversor de sinal termopar para digital tipo K, possui uma interface adequada para nós.
Aí vem nosso herói - ($ 4,20)


Custou $ 4,10, mas esse lote não existe mais (mesmo vendedor).

Vamos conectar em um arduino, você pode pegar um simples ($ 5,25, você encontra mais barato, aqui você vê exatamente este)


Os dados serão gravados no cartão de memória (e enviados para a porta ao mesmo tempo) usando US$ 1,25.


A propósito, a interface também é SPI. Mas nem todos os cartões suportam isso. Se não funcionar, tente outro primeiro.
Em teoria, todas as linhas de dispositivos SPI (MOSI ou SI, MISO ou SO, SCLK ou SCK), exceto CS (CS ou SS - escolha do chip), podem ser conectadas aos mesmos pinos do Arduino, mas então o MAX6675 não funciona adequadamente. Portanto, quebrei tudo em pinos diferentes.
O esboço foi baseado em um exemplo de trabalho com cartões de memória com formato .
Biblioteca e esboço para MAX6675. Diagrama de fiação MAX6675:

#incluir
#incluir

unidades internas = 1; // Unidades para leitura da temperatura (0 = F, 1 = C)
erro flutuante = 0,0; // erro de compensação de temperatura
float temp_out = 0,0; // Variável de saída de temperatura

MAX6675 temp0(9,8,7,unidades,erro);

Configuração nula()
{
Serial.begin(9600);
Serial.print("Inicializando cartão SD...");

PinMode(10, SAÍDA);
se (!SD.begin(10)) (
Serial.println("falha na inicialização!");
retornar;
}
Serial.println("inicialização concluída.");

// Verifique se o arquivo data.csv existe no mapa, em caso afirmativo, exclua-o.
if(SD.exists("temp.csv")) (
SD.remove("temp.csv");
}
// abrir arquivo. observe que apenas um arquivo pode ser aberto por vez,
// então você tem que fechar este para abrir outro.
meuArquivo = SD.open("temp.csv", FILE_WRITE); //aberto para escrita

if (meuArquivo) (
Serial.print("Escrevendo em temp.csv...");
//fecha o arquivo:
meuArquivo.close();
Serial.println("concluído");
}
outro(


}

}
loop vazio()
{

Temp_out = temp0.read_temp(5); //Lê a temperatura 5 vezes e retorna o valor médio para a var

Tempo = tempo + 1; //Aumenta o tempo em 1

MeuArquivo = SD.open("temp.csv", FILE_WRITE);

// se o arquivo abriu normalmente, escreva nele:
if (meuArquivo) (
//tempo de gravação
meuArquivo.print(hora);
Impressão serial(tempo);
//adiciona um ponto e vírgula
meuArquivo.print(";");
impressão em série(";");
//escreve temperatura e avanço de linha
meuArquivo.println(temp_out);
Serial println(temp_out);
//fecha o arquivo:
meuArquivo.close();
}
outro(
// e se não abrir, imprime uma mensagem de erro:
Serial.println("erro ao abrir temp.csv");
}
atraso(1000); // Espere um segundo
}

Recentemente, devido ao uso frequente de vários módulos de controle de carga redutores e redutores, surgiu a necessidade de um termômetro com uma ampla faixa de medição. Como o multímetro disponível não possuía função de medição de temperatura, pensei em adquirir um aparelho separado. Os termômetros de imersão foram imediatamente afastados - muito inerciais. Os pirômetros, embora permitam medir remotamente a temperatura, assustam o preço e não brilham com qualidade. Pelo menos aqueles que caíram nas mãos não ficaram impressionados.
Como resultado da busca, foi encomendado um termômetro eletrônico TM 902C por US$ 3,99


Existem muitos dispositivos semelhantes nos espaços abertos do Aliexpress, mas parei aí pelos seguintes motivos:
- um dispositivo altamente especializado sem funções adicionais;
- ampla gama de medidas;
- conjunto completo do instrumento com termopar TR-02 com limite superior de medição de 750 graus Celsius.

Há outra modificação do termômetro - alimentado por dois elementos AAA, mas completo com um termopar TR01 com limite de medição de 350 (400, segundo algumas fontes) graus. Não vi sentido em comprar um termopar TR02 separadamente e fechei os olhos para a energia da Krona.
O que o fabricante e o vendedor nos declaram de acordo com as instruções em um idioma compreensível para todos nós)?

Embora a linguagem seja realmente compreendida por poucos de nós, pelo menos uma pessoa com conhecimento técnico entenderá que o dispositivo:
- com suas dimensões 24*72*108
- alimentado por 9 Volts (Krona, 9F22);
- umidade relativa ≤ 75%;
- capaz de medir temperaturas de -50 a 1300 graus Celsius (1370 - conforme instruções);
- funciona com termopares tipo K da faixa correspondente.

A julgar pelas informações nas instruções sobre o erro do dispositivo, os intervalos são os seguintes (em Celsius):
De -40 a -20: -± 3 graus;
-20 a -0: -± 2 graus;
0 a 500: -± 0,75-1 grau;
De 500 a 750: -± 1%;
750 a 1000 e 1000 a 1370: não foi possível interpretar com precisão.
Os mais comuns são os termopares TP01 e TP02 com faixas de -50 a 350 (400) e de -50 a 750 graus Celsius, respectivamente.
No momento da compra, foi perguntado ao vendedor que tipo de termopar estaria no kit.
Foram recebidas garantias de que o termômetro mediria temperaturas de -50 a 750 graus, ou seja, o kit incluirá uma sonda TP02, o que é confirmado por testes adicionais.
Externamente, o dispositivo é feito com muito cuidado e com fundição de alta qualidade.

Peso com bateria e termopar

A tampa traseira é fixada com dois parafusos. A placa também é fixada com os mesmos parafusos - de forma simples, confiável e econômica.
O display é preso à placa com dois parafusos e duas travas.

Os ângulos de visão são amplos.
Por dentro, a fundição da carroceria é menos completa, o que não é crítico.

O tabuleiro é feito de getinaks.
Qualidade de processamento de uma das quatro pontas da placa (não se esqueça do preço do aparelho)

A tela de 1,9 polegadas é conectada à placa por meio de um elástico condutor, então não removi a tela - é improvável que funcione, então a coloquei de volta no lugar corretamente.

Na borda da tela existem alças para fixação com parafusos ao gabinete - neste caso, tal esquema de fixação não é utilizado.
Existem leves traços de fluxo, mas acho que isso não afetará o desempenho de forma alguma.

Como você pode ver, quase não há elementos na placa - provavelmente há um microcircuito borrado sob a tela, que é responsável por processar o sinal da sonda, calcular e exibir as informações na tela.
Depois de estudar o mundo interno do dispositivo, ele procedeu aos testes de campo.
No início, usei um termômetro de cozinha de imersão e um termômetro de ambiente para comparar as leituras. A sala não inspirou confiança por muito tempo e, posteriormente, foi excluída do programa da competição.
Freezer

O submersível imediatamente após ser retirado do freezer apresentou 0,2 graus mais baixo, mas é impossível fotografar ao mesmo tempo devido à rápida reação às mudanças de temperatura do monitorado e à inércia dos termômetros submersíveis.
Ao ar livre

Varanda

Sala

água quente


Ponto de ebulição da água


Além disso, ferros de solda foram usados ​​como fonte de calor. O termômetro de imersão não tem sido usado porque é difícil conectá-lo a uma fonte pontual de calor e é difícil aquecer todo o corpo.






A última foto mostra que a temperatura do elemento de aquecimento está acima de 400 graus, o que indica que o termopar TR02 está realmente incluso no kit.
Durante os testes, a bainha de fibra de vidro do cabo do termopar ficou levemente danificada - caiu na chama de um fogão a gás. No entanto, isso também pode ser considerado um teste - não queimou, apenas mudou ligeiramente de cor.


Vou listar as vantagens:
- especialização estreita do dispositivo;
- aparência e acabamento decentes;
- Completo com termopar TR02;
- parece-me, precisão de medição suficiente e, por isso, uma ampla gama de medições;
Não encontrei nenhum ponto negativo, exceto uma fonte de alimentação de 9 Volts e a ausência de tampa protetora para o termopar.