Нормализатор сигнала термопары К-типа, max6675 (Trema-модуль)

Общие сведения:

Trema-модуль Адаптер термопары с термопарой K-типа— позволяет измерять температуру объектов и окружающей среды. Адаптер позволяет измерять температуру в диапазоне от 0 до 800 °С (при температурах от 800 до 1023 °С точность показаний резко снижается), а корпус термопары рассчитан на температуру до 600 °C, значит и измерения необходимо производить в диапазоне от 0 до 600 °С. Адаптер можно использовать для измерения температуры различных нагревательных элементов: паяльники, печи, камины, бойлеры и т.д. Можно использовать для реализации газ-контроля в газовых плитах, горелках, бойлерах и т.д.

Видео:

<center></center>

Характеристики:

• Напряжение питания модуля (Vcc): 3,0 … 5,5 В постоянного тока.
• Ток потребляемый модулем: до 1,5 мА.
• Уровень логической «1» на шине модуля: > 0,7 Vcc.
• Уровень логического «0» на шине модуля: < 0,3 Vcc.
• Диапазон измеряемых температур чипом: 0 … 800 °C.
• Диапазон рабочих температур термопары: 0 … 600 °С.
• Резьба термопары 6M x 1.0 мм (для крепления нужен ключ на 10).
• Длина кабеля термопары 0,5 м.

Подключение:

Выводы термопары подключаются к клеммнику на модуле:

• синий контакт — термопары к выводу «T-»;
• красный контакт — термопары к выводу «T+»;

Выводы модуля DO, CS и CSK подключаются к любым выводам Arduino, номера которых указываются в скетче при объявлении объекта библиотеки max6675.

• Модуль удобно подключать 3 способами, в зависимости от ситуации:

Способ — 1 :  Используя проводной шлейф и Piranha UNO

Используя провода «Папа — Мама», подключаем  напрямую к контроллеру Piranha UNO.

Способ — 2 :  Используя Trema Set Shield

Модуль можно подключить к любому из цифровых или аналоговых входов Trema Set Shield.

Способ — 3 :  Используя проводной шлейф и Shield

Используя 3-х и 2-х проводной шлейфы, к  Trema Shield, Trema-Power Shield, Motor Shield, Trema Shield NANO и тд.

Питание:

Входное напряжение питания от 3,3 или 5 В подаётся на выводы Vcc и GND.

Подробнее о датчике температуры:

В основу работы термопары заложен термоэлектрический эффект, это процесс возникновения ЭДС (электродвижущей силы) на спайке (соединении) разнородных металлов, интенсивность которой прямо пропорциональна температуре в месте этого соединения. Возникающая в термопаре ЭДС очень мала и её нельзя измерить используя аналоговые входы Arduino, но с этой задачей справляется чип max6675. Сигнал с термопары сначала поступает на операционные усилители чипа, а уже потом на 12 битный АЦП, далее данные выводятся по шине SPI в виде двух байт, старшие 12 бит которых являются числом температуры. Для преобразования 12 битного числа в °C его нужно разделить на 4, получается что температура выводится с разрешением 0,25 °C. Так как данные из чипа только читаются, без отправки данных чипу, то на его шине SPI отсутствует вывод MOSI. Немаловажным фактом является и то, что в чипе max6675 реализована функция компенсации холодного спая. Дело в том, что ЭДС возникает не только на спае металлов термопары, но и на соединении этих металлов с проводом, что без функции компенсации холодного спая влияло-бы на показания температуры.

Для работы с чипом max6675 рекомендуем воспользоваться одноимённой библиотекой max6675, которая реализует получение данных чипа по программной шине SPI, значит, для подключения можно использовать любые выводы Arduino.

Пример:

Вывод температуры в монитор последовательного порта в градусах Цельсия и Фаренгейта.

В библиотеке max6675 реализовано всего 2 функции: readCelsius() и readFahrenheit(). Они не принимают никаких параметров, а только возвращают температуру в виде числа типа double. Обе функции приведены в строках скетча 15 и 17.

При создании объекта нужно указать номера выводов Arduino к которым подключён модуль (вывод SCK , вывод CS , вывод DO), как это сделано в 5 строке скетча.

Ссылки:

• DataSheet;
• Библиотека max6675 для работы с одноимённым чипом на модуле датчика температуры;
• Trema-модуль Нормализатор термопары;
• Термопара К-типа;

Подключение термопары к Arduino через MAX6675

Подробности

Создано: 29 сентября 2015

Термопара отличается от других датчиков температуры низкой стоимостью, скоростью измерения и большим диапазоном «горячих» температур, обычно от 0 до 400 ºC. Но напрямую к Ардуино ее не подключить, прийдется использовать преобразователь на базе чипа MAX6675.

Схема подключения

Для подачи питания и земли будем использовать 5й и 6й контакты на плате Arduino.

Скетч

Для работы понадобится библиотека MAX6675

#include"max6675.h"intthermoDO= 2;  //он же SOintthermoCS= 3;intthermoCLK= 4;  //он же SCKMAX6675thermocouple(thermoCLK,thermoCS,thermoDO);intvccPin= 5;  //пин для питанияintgndPin= 6;  //пин для землиvoidsetup(){    Serial.begin(9600);    //активируем питание и землю    pinMode(vccPin,OUTPUT);digitalWrite(vccPin,HIGH);    pinMode(gndPin,OUTPUT);digitalWrite(gndPin,LOW);    Serial.println("MAX6675 test");    //ждем стабилизации чипа MAX    delay(500);}voidloop(){    //Выводим показания в монитор порта    Serial.print("C = ");    Serial.print(thermocouple.readCelsius());    Serial.print(";   F = ");    Serial.println(thermocouple.readFahrenheit());    delay(300);}

Результат работы MAX6675

Добавить комментарий

Серия статей об измерении температуры контроллерами Ардуино была бы неполной, без рассказа о термопарах. Тем более что измерять высокие температуры больше нечем.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

Все термодатчики из предыдущих уроков позволяли измерять температуру в диапазоне не шире – 55 … + 150 °C. Для измерения более высоких температур самыми распространенными датчиками являются термопары. Они:

• имеют крайне широкий диапазон измерения температуры -250 … +2500 °C;
• могут быть откалиброваны на высокую точность измерения, до погрешности не более 0,01 °C;
• как правило, имеют низкую цену;
• считаются надежными датчиками температуры.

Главный недостаток термопар – это необходимость в достаточно сложном прецизионном измерителе, который должен обеспечивать:

• измерение низких значений термо-ЭДС с верхним значением диапазона десятки, а иногда и единицы мВ;
• компенсацию термо-ЭДС холодного спая;
• линеаризацию характеристики термопары.

Принцип действия датчиков такого типа основан на термоэлектрическом эффекте (эффекте Зеебека). Поэтому другое название термопары – термоэлектрический преобразователь.

В цепи между соединенными разнородными металлами образовывается разность потенциалов. Ее величина зависит от температуры. Поэтому она называется термо-ЭДС. У разных материалов величина термо-ЭДС разная.

Если в цепи стыки (спаи) разнородных проводников связаны в кольцо и имеют одинаковую температуру, то сумма термо-ЭДС равна нулю. Если же спаи проводов находятся при разных температурах, то общая разность потенциалов между ними зависит от разности температур. В результате мы приходим к конструкции термопары.

Два разнородных металла 1 и 2 в одной точке образуют рабочий спай. Рабочий спай помещают в точку, температуру которой необходимо измерить.

Холодные спаи это точки подключения металлов термопары к другому металлу, как правило, к меди. Это могут быть клеммные колодки измерительного прибора или медные провода связи с термопарой. В любом случае необходимо измерять температуру холодного спая и учитывать ее в вычислениях измеренной температуры.

Наиболее широкое распространение получили термопары ХК (хромель – копель) и ХА (хромель – алюмель).

Название	Обозначение НСХ	Материалы	Диапазон измерения, °C	Чувствительность, мкВ/°C, (при температуре, °C)	Термо-ЭДС, мВ, при 100 °C
ТХК (хромель-копелевые)	L	Хромель, копель	— 200 … + 800	64 (0) 88 (600)	6,86
ТХА (хромель-алюмель)	K	Хромель, алюмель	— 270 … +1372	35 (0) 42 (1300)	4,10
ТПР (платино-родиевые)	B	Платинородий, платина	100 … 1820	8 (1000) 12 (1800)	0, 03
ТВР (вольфрам-рениевые)	A	Вольфрам-рений, вольфрам-рений	0 … 2500	14 (1300) 7 (2500)	1,34

Номинальная статическая характеристика (НСХ) термопары задана в виде таблицы с двумя столбцами: температура рабочего спая и термо-ЭДС. ГОСТ Р 8.585-2001 содержит НСХ термопар разных типов, заданные для каждого градуса. Можно загрузить в PDF формате по этой ссылке ГОСТ Р 8.585-2001.

Для измерения температуры с помощью термопары необходимо выполнить следующие действия:

• измерить термо-ЭДС термопары (E общ.);
• измерить температуру холодного спая (T хол. спая);
• по таблице НСХ термопары определить термо-ЭДС холодного спая, используя температуру холодного спая (E хол. спая);
• определить термо-ЭДС рабочего спая, т.е. прибавить ЭДС холодного спая к общей термо-ЭДС (  E раб. спая = E общ. + E хол. спая  );
• по таблице НСХ определить температуру рабочего спая, используя термо-ЭДС рабочего спая.

Вот пример, как я замерил с помощью термопары типа ТХА температуру жала паяльника.

• Прикоснулся рабочим спаем к жалу паяльника, замерил напряжение на выводах термопары. Получилось 10,6 мВ.
• Температура окружающей среды, т.е. температура холодного спая – примерно 25 °C. ЭДС холодного спая из таблицы ГОСТ Р 8.585-2001 для термопары типа K при 25 °C равна 1 мВ.
• Термо-ЭДС рабочего спая равна 10,6 + 1 = 11,6 мВ.
• Температура из той же таблицы для 11,6 мВ равна 285 °C. Это и есть измеренное значение.

Такую последовательность действий нам надо реализовать в программе Ардуино термометра.

У меня нашлась термопара TP-01A. Типичная, широко распространенная ТХА термопара от тестера. Ее я и буду использовать в термометре.

На упаковке указаны параметры:

• тип K;
• диапазон измерения – 60 … + 400 °C;
• точность ±2,5 % в диапазоне до 400 °C.

Диапазон измерения указан для кабеля из стекловолокна. Существует похожая термопара TP-02, но с зондом длиной 10 см.

У TP-02 верхняя граница измерения 700 °C . Значит, будем разрабатывать термометр:

• для термопары типа ТХА;
•  с диапазоном  измерения – 60 … + 700 °C.

Разобравшись в программе и схеме устройства, Вы сможете создать измеритель для  термопар любых типов с любым диапазоном измерения.

Остальные функциональные возможности термометра такие же, как у устройств из трех предыдущих уроков, включая функцию регистрации изменения температуры.

Мы должны подключить к плате Ардуино:

• светодиодный семисегментный индикатор;
• датчик температуры холодного спая, я использовал  TMP36;
• термопару.

Первые два элемента мы подключали в предыдущих уроках об измерении температуры. А вот для подключения термопары к плате Ардуино необходимо разработать прецизионный усилитель. Не очень простая задача.

Сформируем требования к усилителю.

• Диапазон входного напряжения – 2,24 … + 29,13 мВ. Это крайние значения термо-ЭДС для нашего диапазона измерения (–60 … + 700 °C). Взяты из ГОСТ Р 8.585-2001 для термопары типа K. Но это для температуры холодного спая равной 0 °C. Расширим диапазон еще на 2 мВ с учетом максимальной температуры холодного спая + 40 °C. В результате для термопары типа ТХА:

Тип термопары	ТХА
Диапазон измеряемой температуры	–6 0 … + 700 °C
Диапазон температуры холодного спая	0 … + 40 °C
Диапазон входного напряжения	— 4,3 … + 30 мВ

• Диапазон выходного напряжения усилителя 0 … 1,1 В. Очевидно, для того чтобы коэффициент усиления был меньше выберем минимальное опорное напряжение АЦП, т.е 1,1 В.
• Коэффициент усиления  1100 / (4,3 + 30) = 32 , смещение для измерения отрицательного напряжения + 4,3 мВ.

Выходное напряжение	0 … 1100 мВ
Коэффициент усиления	32
Смещение	+ 4,3 мВ

Эти параметры надо несколько расширить, чтобы был запас на погрешности элементов усилителя. Все погрешности мы скомпенсируем в программе.

Теперь непосредственно о схеме измерительного усилителя. Я построил его по схеме неинвертирующего усилителя на основе операционного усилителя (ОУ). В качестве ОУ я выбрал OP07. Это прецизионный операционный усилитель с низким напряжением смещения, низким входным током, высоким коэффициентом усиления.

В связи с этим я полностью отказался от аналоговых регулировок, т.е. с помощью подстроечных резисторов, и заменил их программными коэффициентами.

Схема усилителя для термопары выглядит так.

Коэффициент усиления задают резисторы R2 и R3.

K = R3 / R2 + 1

Я выбрал K = 43 / 1.6 + 1 = 27.875.

Резисторы R4 и R5 задают смещение + 5,1 мВ, необходимое для измерения температуры ниже 0. Термо-ЭДС в этом случае имеет отрицательное значение и для того, чтобы измерить его с помощью однополярного АЦП необходимо сместить в положительную сторону. Смещение учтем в программе.

Конденсаторы обеспечивают аналоговую фильтрацию наводок и помех. При таких низких уровнях сигнала это абсолютно необходимо. Дополнительно в программе реализована цифровая фильтрация сигнала.

Для того, чтобы усилитель работал при выходных напряжениях близких к нулю необходимо обеспечить двух полярное питание ОУ. Подключать дополнительный блок питания к устройству желания нет. Отрицательное напряжение питания можно получить из платы Ардуино с помощью следующей простой схемы.

На цифровом выводе платы Ардуино формируется сигнал с формой меандр и логическими уровнями 0 и 5 В. Можно сформировать его с помощью аппаратного ШИМ, но мы сделаем программно. В обработчике прерывания от таймера 2 мс поставим команду инверсии состояния вывода. Получится прямоугольный сигнал с периодом 4 мс.

• При высоком уровне сигнала конденсатор C8 заряжается по цепи: выход контроллера, резистор R8, диод VD1.
• При низком уровне – разряжается на конденсатор C9 по цепи: выход контроллера, резистор R8, диод VD2.
• В результате на конденсаторе C9 формируется напряжение приблизительно — 4 В.

Полностью принципиальная схема Ардуино термометра для термопары выглядит так.

В качестве резисторов R3, R4, R5, R6 желательно использовать точные, термостабильные элементы. Я использовал обыкновенные резисторы с точностью 5%. Предварительно замерил их реальное сопротивление и учел это в программе.

Для отладки программы и проверки работы устройства я собрал его на макетной плате.

Измеритель я спаял отдельным макетом. На беспаечной макетной плате он вряд ли бы заработал. Все связи должны быть минимальной длины, все соединения компонентов – надежно спаянными.

Программное обеспечение устройства отличается от программ термометров из трех предыдущих уроков только блоком вычисления температуры рабочего спая термопары. Я не буду приводить всю программу термометра в статье. Покажу только программные модули обработки данных термопары.

Полностью резидентную программу термометра для термопары можно загрузить по ссылке:

 Зарегистрируйтесь и оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта! 

Я напомню, последовательность действий, которую необходимо выполнить в программе:

• измерить термо-ЭДС на выводах термопары;
• измерить температуру холодного спая;
• по таблице НСХ термопары определить термо-ЭДС холодного спая;
• определить термо-ЭДС рабочего спая, т.е. прибавить ЭДС холодного спая к общей термо-ЭДС;
• по таблице НСХ термопары определить температуру рабочего спая, используя термо-ЭДС рабочего спая.

Прежде всего, в программе  необходима таблица номинальной статической характеристики (НСХ) термопары. Возьмем ее из ГОСТ Р 8.585-2001 для термопары типа K. В документе она задана для каждого градуса.

Нам необходима часть таблицы от – 60 до + 700 °C. Массив значений термо ЭДС для термопары будет выглядеть так.

float termTable[761] = {    29.129  };

Нулевой элемент массива содержит значение термо-ЭДС для температуры – 60 °C, 760 элемент – для + 700 °C.

Не думайте, что я набирал массив termTable вручную. Я создал его в текстовом виде, затем сделал автозамену пробелов на запятые.

Массив имеет размер 761 элемент. Каждое значение типа float, т.е. 4 байта. Для создания такого массива в ОЗУ не хватит места. Да и зачем он в ОЗУ, если мы его не собираемся менять. Поэтому массив надо разместить в программной памяти, т.е. FLASH памяти.

В памяти программ могут размещаться только данные, которые не требуется изменять в ходе выполнения программы. Я вижу две основные причины хранения данных во FLASH памяти:

• недостаточно оперативной памяти для хранения данных;
• данные требуют высокой надежности хранения, они не должны измениться даже при сбое работы программы.

В Ардуино функции управления данными в памяти программ предоставляет библиотека pgmspace.h. Поэтому, прежде всего, необходимо подключить эту библиотеку.

Искать ее в интернете и загружать не надо. Это стандартная библиотека, находится в папке Arduino. У меня в D:Arduinohardwaretoolsavravrincludeavr pgmspace.h. Просто напишите:

Теперь при описании любой переменной можно использовать модификатор PROGMEM, который и сообщает компилятору о том, что данные необходимо разместить в памяти программы. В общем случае это выглядит так:

const  PROGMEM dataTyp name[] = { dt0, dt1, …};

• dataTyp – тип переменной;
• name – имя.

В нашем случае мы размещаем во FLASH памяти массив типа float:

const PROGMEM float termTable [761] = {   -2.243,-2.208,-2.173, … ,   …………………………………………………………………………  29.129 };

Для чтения данных программной памяти в библиотеке pgmspace.h существуют специальные функции. Для разных типов данных используются разные функции:

• для чтения байта — pgm_read_byte(address_short);
• для чтения двух байтов —  pgm_read_word(address_short);
• для чтения четырех байтов — pgm_read_dword(address_short);
• для чтения данных с плавающей запятой — pgm_read_float(address_short).

Например, чтение 60 элемента из нашего массива termTable[] типа float будет выглядеть так:

coolEDS = pgm_read_float(termTable + 60);

Последовательность действий для определения температуры описана выше. В программе термометра она реализована следующим образом:

• Температура холодного спая вычисляется так же, как и в уроке 24 для датчика TMP36. В уроке написано, какие изменения следует сделать при использовании термодатчика LM35.
• Определение термо-ЭДС – это измерение напряжения на аналоговом входе. Подробно описано в уроке 13. EDS_OFFSET – константа учитывающая смещение для измерения отрицательных температур.
• ЭДС холодного спая определяется по температуре холодного спая из массива termTable[].
• Температура рабочего спая также определяется из массива termTable[], только наоборот вычисляется номер элемента массива по его значению. Я использовал не перебор всех значений массива  последовательно, а метод последовательного приближения. Определил, в какой половине массива находится требуемое значение, затем в какой четверти и т.д. Это значительно ускорило выполнение программы.

Для отладки термометра я вывел на компьютер кроме измеренной температуры:  температуру холодного спая, термо ЭДС, ЭДС холодного спая и ЭДС рабочего спая.

    // вычисление температуры холодного спая    coolTemperature = (int)(((float)averageTemp * ADC_RESOLUTION / 500. — OFFSET ) / SCALE_FACTOR);

    // вычисление термо ЭДС    termoEDS = (float)averageTermoEDS * ADC_RESOLUTION / 500. / (R4 / R3 + 1) — EDS_OFFSET;

    // вычисление ЭДС холодного спая    coolEDS = pgm_read_float(termTable + coolTemperature + 60);

    // вычисление ЭДС рабочего спая    workEDS = termoEDS + coolEDS;         // вычисление температуры рабочего спая    temperature = 0;    if ( workEDS >= pgm_read_float(termTable + temperature + 380))  temperature += 380;      if ( workEDS >= pgm_read_float(termTable + temperature + 190))  temperature += 190;      if ( workEDS >= pgm_read_float(termTable + temperature + 95))  temperature += 95;      if ( workEDS >= pgm_read_float(termTable + temperature + 48))  temperature += 48;      if ( workEDS >= pgm_read_float(termTable + temperature + 24))  temperature += 24;      if ( workEDS >= pgm_read_float(termTable + temperature + 12))  temperature += 12;      if ( workEDS >= pgm_read_float(termTable + temperature + 6))  temperature += 6;      if ( workEDS >= pgm_read_float(termTable + temperature + 3))  temperature += 3;      if ( workEDS >= pgm_read_float(termTable + temperature + 2))  temperature += 2;      if ( temperature < 760 ) {      if ( workEDS >= pgm_read_float(termTable + temperature + 1))  temperature += 1;            }    temperature -= 60;        // вывод температуры на LED индикатор    if (temperature >= 0) {      // температура положительна      disp.print((int)(temperature), 4, 1);       }    else {      // температура отрицательная      disp.digit[3]= 0x40;  // отображается минус      disp.print((int)(temperature * -1), 3, 1);             }                                        // передача температуры рабочего спая на компьютер    Serial.println(temperature);/*    // передача температуры холодного спая на компьютер    Serial.print(» CoolTemp= «);  Serial.print(coolTemperature);

    // передача термо ЭДС на компьютер    Serial.print(» TermoEDS= «);  Serial.print(termoEDS);

    // передача ЭДС холодного спая на компьютер    Serial.print(» CoolEDS= «);  Serial.print(coolEDS);

    // передача ЭДС рабочего спая на компьютер    Serial.print(» WorkEDS= «);  Serial.println(workEDS);    */           

Для использования термометра с программой верхнего уровня Thermometer.exe из предыдущих уроков передачу этих данных на компьютер необходимо отключить, оставив только измеренную температуру.

Загрузить резидентную программу Ардуино термометра для термопары можно по ссылке:

 Зарегистрируйтесь и оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта! 

Настройка и калибровка термометра.

Для практического использование измерительный усилитель термометра должен обладать достаточно высокими метрологическими характеристиками. Я решил избежать применения всякого рода регулировок подстроечными резисторами, и все калибровки выполнил программно. Конечно, желательно использовать в  качестве резисторов R3, R4, R5, R6 точные, термостабильные элементы. Но и на 5% резисторах можно получить неплохие результаты при использовании термометра в условиях без значительных колебаний температуры окружающей среды.

Я выполнил следующую последовательность действий:

• Измерил вольтметром напряжение источника опорного напряжения АЦП платы (1.1 В) и рассчитал разрешающую способность АЦП:

#define ADC_RESOLUTION  1.061523 // разрешающая способность АЦП, мВ (1087 мВ / 1024)

• Предварительно замерил сопротивление резисторов  R3, R4 и задал в программе их значения:

#define R3  1.61    // сопротивление резистора R3, кОм#define R4  44.2    // сопротивление резистора R4, кОм

• Замерил смещение ЭДС на резисторе R5 и задал его в программе:

#define EDS_OFFSET  4.60  // смещение термо-ЭДС

• Затем расположил рабочий спай рядом с холодным спаем (можно замкнуть выводы термопары) и подкорректировал EDS_OFFSET так, чтобы термо-ЭДС была равна 0. Значение термо-ЭДС контролировал в мониторе последовательного порта Arduino IDE.

Таким образом, мы скорректировали все погрешности, кроме температурных и временных.

При подключении термометра к компьютеру функциональные возможности устройства расширяются. В частности появляется функция регистрации изменения температуры.

На компьютере должна быть установлена программа Thermometer из урока 24. В этом уроке есть подробное описание программы, там же можно загрузить саму программу.

Вот диаграмма изменения температуры в закипающем чайнике. Резкое падение температуры в конце диаграммы – это я вытащил термопару из воды. Можно видеть какой малой инерционностью обладает термопара.

Затем я сунул рабочий спай в лед из холодильника.

Это диаграмма.

Мне кажется, в моем устройстве градуса на 2 привирает датчик температуры холодного спая. В остальном термометр получился довольно точный.

По крайней мере, мы использовали самую точную методику измерения температуры с помощью термопары.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

Поддержать проектИспользуемые источники:

• https://wiki.iarduino.ru/page/trema-max6675/
• https://2150692.ru/faq/74
• http://mypractic.ru/urok-27-termopary-v-sisteme-arduino-proekt-arduino-termometra-registratora-dlya-vysokix-temperatur.html