Термопары

Содержание:

• Назначение и принцип работы.
• Типы термопар.
• Пример измерения температуры с помощью термопары на Ардуино.
• Вывод.
• FAQ.

Назначение и принцип работы

Для измерения температуры окружающей среды, интересующей нас жидкости, прибора или механизма существует довольно большой выбор датчиков - от аналоговых до цифровых. Например, точный и удобный BS18B20, подробно описанный на нашем сайте. Однако у всех “традиционных” датчиков есть одно важное ограничение - диапазон измеряемых температур. Большинство из них способно работать от 155 до +125 ℃, чего для большинства нужд более чем достаточно, но если измеряемая температура выходит за указанный диапазон, они становятся бесполезными или даже безвозвратно испорченными.

Когда требуется работать с неимоверными холодами и безумной жарой, на помощь приходят термопары, их температурный диапазон куда шире: от -250 до +2500 ℃. Горелки, промышленные и паяльные фены, камины, дымовые и выхлопные трубы, горячо нами любимые хот-енды и многое, многое другое - вот клиенты для термопар. Они компактны, надежны и весьма точны, при тонкой калибровке можно добиться погрешности в пределах 0,01 ℃. Главным недостатком можно считать довольно сложную и требовательную схему измерителя, которая должна быть способна различать десятые и сотые доли вольт, а также учитывать нелинейность измерений, компенсировать ЭДС холодного спая и прочие тонкости.

Как известно, одним из источников электрического тока, наряду с химическим и механическим, является превращение внутренней энергии в электрическую при нагревании двух спаянных проволок из разного металла, на концах которых возникает разность потенциалов. Это так называемый эффект Зеебека, благодаря которому работает термопара.

Рабочая точка спая помещается в измеряемую среду, при этом на концах металлических проволок появляется небольшая ЭДС, вызывающая электрический ток, который следует усилить, очистить от помех и влияния холодных спаев, наконец распознать и привести в числовой вид, что является не такой простой инженерной задачей.

Благо в природе существуют готовые измерители, которые берут на себя всю работу, избавляя нас от множества проблем, включая оцифровку полученной информации. С одним таким измерителем мы ознакомимся на практике чуть позже.

Типы термопар

Характеристики термопар зависят от металлов, из которых сделаны. Наиболее универсальными, а потому и распространенными являются хромо-копелевые и хромель-алюмелевые, остальные применяются уж в очень суровых условиях. Несколько примеров типов термопар приведено в таблице ниже, в реальности их гораздо больше.

При подключении термопары необходимо соблюдать полярность, иначе ничего не испортится, но и работать не будет, или будет, но неправильно. Полярность определяется цветом изоляции на проводах. Цвет изоляции положительного и отрицательного контакта зависит от типа термопары и производителя, может быть всех цветов радуги от белого до черного, если существует сомнение, лучше воспользоваться таблицей с цветовой кодировкой.

Кроме состава термопары отличаются размерами, способом крепления и конструкцией размещения горячего спая: открытым, изолированным и неизолированным. Выбор конкретной термопары зависит от условий каждой задачи. Перед покупкой следует максимально точно сформулировать задачу и ознакомиться с документацией на предлагаемые термопары.

Пример измерения температуры с помощью термопары на Ардуино

Как уже было сказано выше, задача получения точных данных с термопары достаточно сложная и многоэтапная. К счастью, для большинства типов термопар существуют готовые решения, многократно упрощающие жизнь DIY-мастерам. Самым ярким примером является микросхема MAX6675, включающая усилитель и АЦП, подходящая для K и L типов и способная измерять температуру до +600 °С.

Зачастую термопары сразу комплектуются модулем на основе MAX6675.

Основные характеристики MAX6675:

• Тип преобразователя: аналого-цифровой (АЦП) с компенсацией холодного спая;
• Разрядность преобразователя: 12 бит;
• Шаг измерения: 0,25°C ;
• Точность: 1,5°C;
• Интерфейс подключения к контроллеру: SPI;
• Напряжение питания: 3 – 5,5 В постоянного тока;
• Габариты модуля: 32 x 15 x 14 мм;
• Тип термопары: К (хромель-алюмелевая);
• Диапазон измеряемой температуры: 0 – +600°С.

Для подключения к Ардуино MAX6675 использует интерфейс SPI, для чего годится как программная, так и аппаратная его реализация. На модуле имеется 5 контактов для питания и обмена данными.

Назначение контактов:

• GND – «-», питание модуля;
• VCC – «+», питание модуля;
• SCK – тактовые импульсы;
• CS – вывод интерфейс SPI;
• SO – вывод интерфейс SPI.

Существует несколько библиотек для работы с MAX6675, самая простая из которых реализована для работы с программным SPI и носит соответствующее название - “MAX6675 with hardware SPI”. Устанавливаем ее в свою IDE при помощи управления библиотеками.

Узнать подробности об интерфейсе SPI и его аппаратной реализации в Arduino можно в статье на нашем сайте. Если срезать углы, то на примере платы UNO подключаем модуль термопары так:

Подключить термопару к модулю: красный контакт к плюсу, синий к минусу.

Заливаем в контроллер пример:

#include #define CS_PIN 10 // можно использовать любой свободный пин MAX6675 tcouple(CS_PIN); void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("****MAX6675****"); Serial.println(); } void loop() { float celsius = tcouple.readTempC(); float fahrenheit = tcouple.readTempF(); Serial.print("T in С = "); Serial.print(celsius); Serial.print(". T in Fahrenheit = "); Serial.println(fahrenheit); delay(500); }

Запускаем и смотрим в монитор, удерживая датчик в воздухе.

Модуль измерителя выполняет всю черную работу и сразу передает контроллеру готовые данные в градусах Цельсия и Фаренгейта в цифровом виде. Показания плавают в обещанном диапазоне 0,25 ℃, что нормально. Измеряемая температура соответствует действительности, комнатный термометр показывает 31 ℃.

А вот так выглядит погружение датчика в стакан с теплой водой и извлечение из него.

Прекрасно виден процесс нагрева с “комнатных” 31 ℃ до 70 ℃ воды в стакане. Термопара отлично работает.

Вывод

Термопары, особенно в комплекте с подходящим измерителем, отличное устройство для измерения широчайшего диапазона температур с достаточно высокой точностью. Они компактны, просты в подключении и настройке, неприхотливы в эксплуатации и обслуживании, прочны, герметичны, что позволяет применять их в агрессивных средах, и долговечны. Знать о них и уметь ими пользоваться должен каждый DIY- мастер.

FAQ

Можно ли обойтись без готового измерителя, снять и обработать показания с термопары самостоятельно?

Конечно, нужно всего лишь собрать схему усилителя с обвязкой, вроде той, что на рисунке ниже, а также написать программу, которая будет приводить соотношение напряжения к градусам. Причем соотношение должно быть ступенчатым на разных поддиапазонах, то есть придется поработать не только руками и головой, но и с литературой. Хорошая практика для начинающего DIY-мастера.

Отличается ли точность термопар разного типа?

Разумеется, чем больше диапазон измерений, тем ниже вольтаж каждого градуса, а значит ниже точность и больше влияние шумов и помех. Не следует выбирать термопару с большим запасом. К тому же каждый следующий тип дороже предыдущего. К примеру, если речь идет о контроле температуры горения дров в камине, более чем достаточно термопары L или K-типа с пределом измерений 800 ℃.

Что такое “термистор” и чем он отличается от термопары?

Это название термопары в сборе, с корпусом, проводами, креплением и прочим. По сути это готовый прибор, созданный на основе термопары.

Какого типа термопары используется в 3D-принтерах?

Чаще всего хромель-алюмелевые K-типа. Они оптимальны по цене, характеристикам и качеству. В большинстве случаев поставляются в корпусной неизолированной сборке, что упрощает монтаж и минимизирует вероятность поломки.

Есть ли недостатки и ограничения у измерителя MAX6675?

Конечно, он не способен измерять температуру ниже 0 °С и выше 600 °С. Если нужно выйти за пределы в ту и/или другую сторону, используются другие измерители, например AD7793, работающий в диапазоне от -250 °С до +850 °С. Есть и множество других, на еще более экстремальные температуры, и выбор их достаточно широк.