Ein Thermoelement ist eine Art Temperatursensor, der in Messgeräten und Automatisierungssystemen eingesetzt werden kann. Es hat bestimmte Vorteile: niedrige Kosten, hohe Genauigkeit, großer Messbereich im Vergleich zu Thermistoren und Mikroschaltungen digitaler Temperatursensoren, Einfachheit und Zuverlässigkeit. Die Ausgangsspannung eines Thermoelements ist jedoch klein und relativ, und die Schaltung eines Thermoelement-Messgeräts ist komplex, da strenge Anforderungen an die Präzisionsverstärkung und Kompensationsschaltung des Thermoelementsignals gestellt werden. Um solche Geräte zu entwickeln, gibt es spezielle Mikroschaltungen, die die analoge Signalumwandlungs- und -verarbeitungsschaltung integrieren. Mit diesen Chips können Sie einen recht kompakten Temperaturmesser mit einem Thermoelement als Sensor bauen (Abbildung 1).

Prinzipien

Wikipedia definiert das Funktionsprinzip eines Thermoelements wie folgt:

Das Funktionsprinzip basiert auf dem Seebeck-Effekt oder anders ausgedrückt dem thermoelektrischen Effekt. Zwischen den angeschlossenen Leitern besteht eine Kontaktpotentialdifferenz. Wenn die Verbindungsstellen der ringförmig verbundenen Leiter die gleiche Temperatur aufweisen, ist die Summe dieser Potentialunterschiede Null. Wenn die Verbindungen unterschiedliche Temperaturen aufweisen, hängt die Potenzialdifferenz zwischen ihnen von der Temperaturdifferenz ab. Der Proportionalitätskoeffizient in dieser Abhängigkeit wird Thermo-EMF-Koeffizient genannt. Für verschiedene Metalle ist der Thermo-EMF-Koeffizient unterschiedlich und dementsprechend ist die Potentialdifferenz, die zwischen den Enden verschiedener Leiter auftritt, unterschiedlich. Indem wir eine Verbindung von Metallen mit hervorragenden Thermo-EMF-Koeffizienten in einem Medium mit der Temperatur T1 platzieren, erhalten wir eine Spannung zwischen gegenüberliegenden Kontakten, die sich bei einer anderen Temperatur T2 befinden, die proportional zum Temperaturunterschied T1 und T2 ist (Abbildung 2). .

Je nach verwendetem Materialpaar (reines Metall oder Legierung) gibt es verschiedene Arten von Thermoelementen. In unserem Projekt verwenden wir ein K-Typ-Thermoelement (Chromel-Alumel), das häufig in industriellen Werkzeugen und Geräten verwendet wird. Die Ausgangsspannung eines K-Typ-Thermoelements beträgt etwa 40 µV/°C, daher ist eine Signalverstärkungsschaltung mit einem kleinen Eingangsoffset erforderlich.

Wie oben erwähnt, ist die Thermo-EMF proportional zum Temperaturunterschied zwischen der Kalt- und Heißverbindung. Das bedeutet, dass die Kaltstellentemperatur bekannt sein muss, um die tatsächliche Heißstellentemperatur berechnen zu können. Dies erfordert eine Kaltstellenkompensationsschaltung, die die gemessene thermische EMF automatisch korrigiert (Abbildung 3).

Um mit einem Thermoelement einen Temperaturmesswert zu erhalten, benötigen Sie analoge Schaltkreise, beispielsweise einen Präzisions-Operationsverstärker und Schaltkreise zur Vergleichsstellenkompensation. Es gibt jedoch mehrere Arten von ASICs mit integrierter Thermoelementschnittstelle. Diese ICs integrieren die oben genannten analogen Schaltkreise und vereinfachen das Design erheblich. In unserem Fall haben wir uns für den MAX31855-Chip des Unternehmens entschieden. Es enthält eine analoge Schaltung und einen Analog-Digital-Wandler, daher erhalten wir am Ausgang der Mikroschaltung digitale Daten. Vor dem Kauf einer Mikroschaltung muss im Voraus festgelegt werden, welcher Thermoelementtyp im Gerät verwendet wird.

Die Hauptmerkmale des MAX31855-Chips:

• Temperaturmessbereich: von -270 °C bis +1800 °C;
• Auflösung: 14 Bit, Schritt 0,25 °С;
• Einfache SPI-kompatible Schnittstelle (Datenlesemodus);
• Kompensationsschema für Thermoelement-Vergleichsstellen;
• Die Schaltung zur Erkennung des Kurzschlusses der Thermoelementdrähte zum Energiebus und zum gemeinsamen Bus;
• Schema zur Erkennung einer Unterbrechung im Messkreis;
• Ausführungen für Thermoelementtypen K, J, N, T und E;
• 8-Pin-Gehäuse.

Die Kompensation der Vergleichsstelle erfolgt über einen im Chip integrierten Temperatursensor. Daher ist eine der wichtigen Voraussetzungen für den Zusammenbau des Messgeräts die Platzierung des Chips direkt neben dem Thermoelementanschluss. Eine wichtige Voraussetzung ist auch die Isolierung dieses Geräts von externer Erwärmung. Für die Verbindung haben wir den in Abbildung 4 gezeigten Stecker verwendet. Es können auch andere Steckertypen verwendet werden.

Das schematische Diagramm des Temperaturmessers ist in Abbildung 5 dargestellt.

Das Herzstück des Geräts ist der AVR-Mikrocontroller. Der MAX31855-Chip ist über die SPI-Schnittstelle mit dem Mikrocontroller verbunden.

Die Stromquelle ist eine LR1-Batterie mit einer Spannung von 1,5 V. Zur Stromversorgung des Mikrocontrollers und des Thermoelement-Schnittstellenchips wird eine DC/DC-Aufwärtswandlerschaltung verwendet, die auf dem Chip der XC9111-Serie basiert und eine Ausgangsspannung von 3,0 V liefert Der Mikrocontroller steuert die Stromversorgung und überwacht die Batteriespannung.

Da zur Stromversorgung eine 1,5-V-Batterie verwendet wird, ist es am besten, zur Datenanzeige den statischen LCD-Segmentindikator TWV1302W zu verwenden, der in digitalen Temperaturmessgeräten verwendet wird (Abbildung 6). Die Betriebsspannung dieser Anzeige beträgt 3 V. Bei Verwendung einer Anzeige mit einer Betriebsspannung von 5 V ist eine zusätzliche Spannungswandlerschaltung erforderlich (Abbildung 7). Die Kontrollfunktionen der Anzeige werden vom Mikrocontroller übernommen. Bei dieser Lösung beträgt die Stromaufnahme des Geräts 4 mA und die Batterie hält mindestens 100 Stunden.

Ich beschloss, ein Thermometer in meinen Laminator einzubauen, ein Thermometer an einem K-Typ-Thermoelement. Um es für mich informativer zu machen: Ich denke, dass ein Hobby-Funkamateur sich nicht damit zufrieden geben kann, wenn an einem solchen Gerät nur zwei LEDs „POWER“ und „READY“ leuchten. Ich züchte einen Schal für meine Details. Nur für den Fall, mit der Möglichkeit, es in zwei Hälften zu schneiden (das ist eine gewisse Vielseitigkeit). Sofort mit einem Platz für den Leistungsteil am Thyristor, aber bis ich diesen Teil verwende, werde ich einen Schaltkreis für einen Lötkolben haben (wenn ich herausgefunden habe, wie man ein Thermoelement an der Spitze anbringt).

Im Laminator ist wenig Platz (die Mechanismen sitzen sehr eng, Sie verstehen China), ich verwende einen kleinen Sieben-Segment-Indikator, aber das ist noch nicht alles, die ganze Platine passt auch nicht, hier kam die Vielseitigkeit der Platine Praktischerweise habe ich es in zwei Teile geschnitten (wenn man den Stecker verwendet, passt der obere Teil zu vielen Entwicklungen bei Tonabnehmern von ur5kby.)

Ich habe es eingerichtet, zuerst mache ich es, wie es im Forum heißt, ich löte das Thermoelement nicht, ich stelle es auf 400 ein (obwohl dieser Parameter verschwindet, wenn dieser Parameter im Speicher ist)

Ein solcher Regler funktioniert theoretisch bis zu 999 °C, aber zu Hause ist eine solche Temperatur unwahrscheinlich, es handelt sich höchstens um ein offenes Feuer, aber diese Wärmequelle weist eine starke Nichtlinearität und Empfindlichkeit gegenüber äußeren Bedingungen auf.

Hier ist eine Beispieltabelle.

und auch der Klarheit halber

Daher ist die Auswahl bei der Auswahl der Quelle für die Einstellung der Controller-Messwerte gering.

kein Spiel mehr mit Knöpfen, alles kann eingesammelt werden,
Ich habe ein Thermoelement von einem chinesischen Tester verwendet. Und ein Beitrag im Forum hat mir nahegelegt, dass dieses Thermoelement vervielfachbar ist, seine Länge beträgt fast einen halben Meter, ich habe 2 cm abgeschnitten.

Ich stelle einen Transformator her, indem ich ihn mit Kohle verdrille, eine Kugel herausdrehe und die beiden Enden genau so entlang eines Kupferdrahts führe, damit er gut mit meinen Drähten verlötet werden kann

PIC16F676 Anwendung, Lötstation, Hochtemperatur-Prozesssteuerung usw. mit PID-Heizelement-Steuerfunktion

Ich beschloss, ein Thermometer in meinen Laminator einzubauen, ein Thermometer an einem K-Typ-Thermoelement. Um es für mich informativer zu machen: Ich denke, dass ein Hobby-Funkamateur sich nicht damit zufrieden geben kann, wenn an einem solchen Gerät nur zwei LEDs „POWER“ und „READY“ leuchten. Ich züchte einen Schal für meine Details. Nur für den Fall, mit der Möglichkeit, es in zwei Hälften zu schneiden (das ist eine gewisse Vielseitigkeit). Sofort mit einem Platz für den Leistungsteil am Thyristor, aber bis ich diesen Teil verwende, werde ich einen Schaltkreis für einen Lötkolben haben (wenn ich herausgefunden habe, wie man ein Thermoelement an der Spitze anbringt).

Im Laminator ist wenig Platz (die Mechanismen sitzen sehr eng, Sie verstehen China), ich verwende einen kleinen Sieben-Segment-Indikator, aber das ist noch nicht alles, die ganze Platine passt auch nicht, hier kam die Vielseitigkeit der Platine Praktischerweise habe ich es in zwei Teile geschnitten (wenn man den Stecker verwendet, passt der obere Teil zu vielen Entwicklungen bei Tonabnehmern von ur5kby.)

Ich habe es eingerichtet, zuerst mache ich es, wie es im Forum heißt, ich löte das Thermoelement nicht, ich stelle es auf 400 ein (obwohl dieser Parameter verschwindet, wenn dieser Parameter im Speicher ist)

Ein solcher Regler funktioniert theoretisch bis zu 999 °C, aber zu Hause ist eine solche Temperatur unwahrscheinlich, es handelt sich höchstens um ein offenes Feuer, aber diese Wärmequelle weist eine starke Nichtlinearität und Empfindlichkeit gegenüber äußeren Bedingungen auf.

Hier ist eine Beispieltabelle.
und auch der Klarheit halber

Daher ist die Auswahl bei der Auswahl der Quelle für die Einstellung der Controller-Messwerte gering.

kein Spiel mehr mit Knöpfen, alles kann eingesammelt werden,
Ich habe ein Thermoelement von einem chinesischen Tester verwendet. Und ein Beitrag im Forum hat mir nahegelegt, dass dieses Thermoelement vervielfachbar ist, seine Länge beträgt fast einen halben Meter, ich habe 2 cm abgeschnitten.

Ich stelle einen Transformator her, indem ich ihn mit Kohle verdrille, eine Kugel herausdrehe und die beiden Enden genau so entlang eines Kupferdrahts führe, damit er gut mit meinen Drähten verlötet werden kann.

Eine Artikelserie zur Temperaturmessung mit Arduino-Controllern wäre unvollständig ohne eine Geschichte über Thermoelemente. Darüber hinaus gibt es nichts mehr, um hohe Temperaturen zu messen.

Thermoelemente (thermoelektrische Wandler).

Alle Temperatursensoren aus den vorherigen Lektionen ermöglichten die Messung der Temperatur im Bereich von nicht mehr als 55 ... + 150 °C. Zur Messung höherer Temperaturen sind Thermoelemente die gebräuchlichsten Sensoren. Sie:

• verfügen über einen extrem großen Temperaturmessbereich von -250 … +2500 °C;
• kann für eine hohe Messgenauigkeit bis zu einem Fehler von nicht mehr als 0,01 °C kalibriert werden;
• haben normalerweise einen niedrigen Preis;
• gelten als zuverlässige Temperatursensoren.

Der Hauptnachteil von Thermoelementen ist die Notwendigkeit eines ziemlich komplexen Präzisionsmessgeräts, das Folgendes bieten sollte:

• Messung niedriger Thermo-EMF-Werte mit dem oberen Wert im Zehnerbereich und manchmal sogar in Einheiten von mV;
• Thermo-EMF-Kompensation der Kaltstelle;
• Linearisierung der Thermoelementeigenschaften.

Das Funktionsprinzip von Thermoelementen.

Das Funktionsprinzip derartiger Sensoren basiert auf dem thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt). Daher ist ein anderer Name für ein Thermoelement ein thermoelektrischer Wandler.

In einem Stromkreis zwischen verbundenen unterschiedlichen Metallen entsteht eine Potentialdifferenz. Sein Wert hängt von der Temperatur ab. Daher wird es Thermo-EMF genannt. Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Thermo-EMF-Werte.

Wenn im Stromkreis die Verbindungen (Übergänge) unterschiedlicher Leiter zu einem Ring verbunden sind und die gleiche Temperatur haben, ist die Summe der Thermo-EMK Null. Wenn die Verbindungsstellen der Drähte unterschiedliche Temperaturen aufweisen, hängt die gesamte Potentialdifferenz zwischen ihnen von der Temperaturdifferenz ab. Als Ergebnis kommen wir zum Aufbau eines Thermoelements.

Zwei unterschiedliche Metalle 1 und 2 bilden an einem Punkt eine Arbeitsverbindung. Der Arbeitsanschluss wird an der Stelle platziert, an der die Temperatur gemessen werden soll.

Kaltstellen sind die Punkte, an denen Thermoelementmetalle mit einem anderen Metall, normalerweise Kupfer, verbunden sind. Dies können Zählerklemmenblöcke oder Kupferdrähte für die Thermoelementkommunikation sein. In jedem Fall muss die Temperatur der Vergleichsstelle gemessen und bei der Berechnung der gemessenen Temperatur berücksichtigt werden.

Die wichtigsten Arten von Thermoelementen.

Die am häufigsten verwendeten Thermoelemente sind XK (Chromel – Kopel) und XA (Chromel – Alumel).

Wie man die Temperatur praktisch mit einem Thermoelement misst. Messtechnik.

Die nominelle statische Kennlinie (NSH) des Thermoelements wird in Form einer Tabelle mit zwei Spalten angegeben: der Temperatur der Arbeitsverbindung und der Thermo-EMK. GOST R 8.585-2001 enthält NSH von Thermoelementen verschiedener Typen, die für jeden Grad angegeben sind. Es kann im PDF-Format über diesen Link heruntergeladen werden.

Gehen Sie folgendermaßen vor, um die Temperatur mit einem Thermoelement zu messen:

• Messen Sie die Thermo-EMK des Thermoelements (E allgemein);
• Messen Sie die Temperatur der Kaltstelle (T-Kaltstelle);
• Bestimmen Sie gemäß der NSH-Tabelle des Thermoelements die Thermo-EMK der Vergleichsstelle anhand der Temperatur der Vergleichsstelle (E-Vergleichsstelle);
• Bestimmen Sie die Thermo-EMK der Arbeitsverbindung, d. h. addieren Sie die EMF der Kaltstelle zur gesamten Thermo-EMF (E Arbeitsstelle = E gemeinsam + E Kaltstelle);
• Bestimmen Sie gemäß der NSH-Tabelle die Temperatur der Arbeitsverbindung mithilfe der Thermo-EMK der Arbeitsverbindung.

Hier ist ein Beispiel dafür, wie ich die Temperatur einer Lötkolbenspitze mit einem THA-Thermoelement gemessen habe.

• Ich berührte die Arbeitsstelle mit der Spitze des Lötkolbens und maß die Spannung an den Thermoelementleitungen. Es stellte sich heraus, dass es 10,6 mV waren.
• Umgebungstemperatur, d.h. Die Kaltstellentemperatur beträgt ca. 25 °C. Die Kaltstellen-EMF aus der Tabelle GOST R 8.585-2001 für ein Thermoelement vom Typ K bei 25 °C beträgt 1 mV.
• Die Thermospannung der Arbeitsverbindung beträgt 10,6 + 1 = 11,6 mV.
• Die Temperatur aus derselben Tabelle für 11,6 mV beträgt 285 °C. Dies ist der gemessene Wert.

Wir müssen eine solche Aktionsfolge im Arduino-Thermometerprogramm implementieren.

Arduino-Thermometer zur Messung hoher Temperaturen mit einem THA-Thermoelement.

Ich habe ein Thermoelement TP-01A gefunden. Ein typisches, weit verbreitetes THA-Thermoelement aus einem Tester. Ich werde es im Thermometer verwenden.

Die Parameter auf dem Paket sind:

• Typ K;
• Messbereich – 60 … + 400 °C;
• Genauigkeit ±2,5 % bis 400 °C.

Der Messbereich ist für Glasfaserkabel angegeben. Es gibt ein ähnliches Thermoelement TP-02, jedoch mit einer 10-cm-Sonde.

TP-02 hat eine obere Messgrenze von 700 °C. Also entwickeln wir ein Thermometer:

• für Thermoelement Typ ТХА;
• mit Messbereich – 60 … + 700 °C.

Nachdem Sie das Programm und das Schema des Geräts verstanden haben, können Sie ein Messgerät für Thermoelemente aller Art mit jedem Messbereich erstellen.

Die restliche Funktionalität des Thermometers ist dieselbe wie bei den Geräten aus den vorherigen drei Lektionen, einschließlich der Funktion zur Registrierung von Temperaturänderungen.

Aufgrund der häufigen Verwendung verschiedener Abwärts-, Aufwärts- und Ladungssteuermodule entstand in letzter Zeit ein Bedarf an einem Thermometer mit einem großen Messbereich. Da das verfügbare Multimeter nicht über eine Temperaturmessfunktion verfügte, dachte ich über die Anschaffung eines separaten Geräts nach. Tauchthermometer wurden sofort zur Seite geschleudert – zu träge. Pyrometer ermöglichen zwar die Fernmessung der Temperatur, schrecken aber durch den Preis ab und glänzen nicht mit Qualität. Zumindest diejenigen, die in die Hände fielen, waren nicht beeindruckt.
Als Ergebnis der Suche wurde ein elektronisches Thermometer TM 902C für 3,99 $ bestellt


Es gibt viele ähnliche Geräte in den offenen Räumen von Aliexpress, aber ich habe aus folgenden Gründen dort angehalten:
- ein hochspezialisiertes Gerät ohne zusätzliche Funktionen;
- große Auswahl an Messungen;
- komplettes Instrumentenset mit Thermoelement TR-02 mit oberer Messgrenze von 750 Grad Celsius.

Es gibt eine weitere Modifikation des Thermometers – angetrieben durch zwei AAA-Elemente, aber komplett mit einem TR01-Thermoelement mit einer Messgrenze von 350 (laut einigen Quellen 400) Grad. Ich sah keinen Sinn darin, ein TR02-Thermoelement separat zu kaufen, und habe die Augen vor der Stromversorgung von Krona verschlossen.
Was erklären uns Hersteller und Verkäufer laut Anleitung in einer für uns alle verständlichen Sprache)?

Obwohl die Sprache tatsächlich nur von wenigen von uns verstanden wird, wird zumindest eine technisch versierte Person verstehen, dass das Gerät:
- mit seinen Abmessungen 24 * 72 * 108
- Betrieb mit 9 Volt (Krona, 9F22);
- relative Luftfeuchtigkeit ≤ 75 %;
- kann Temperaturen von -50 bis 1300 Grad Celsius messen (1370 - gemäß Anleitung);
- Funktioniert mit Thermoelementen Typ K des entsprechenden Bereichs.

Den Angaben in der Anleitung zum Gerätefehler nach zu urteilen ergeben sich folgende Bereiche (in Celsius):
Von - 40 bis - 20: -± 3 Grad;
-20 bis -0: -± 2 Grad;
0 bis 500: -± 0,75-1 Grad;
Von 500 bis 750: -± 1 %;
750 bis 1000 und 1000 bis 1370: Konnte nicht genau interpretiert werden.
Am gebräuchlichsten sind die Thermoelemente TP01 und TP02 mit Bereichen von -50 bis 350 (400) bzw. -50 bis 750 Grad Celsius.
Beim Kauf wurde der Verkäufer gefragt, was für ein Thermoelement im Kit enthalten sein würde.
Es wurde versichert, dass das Thermometer Temperaturen von -50 bis 750 Grad messen würde, also Das Kit wird eine TP02-Sonde enthalten, was durch weitere Tests bestätigt wird.
Äußerlich ist das Gerät sehr sorgfältig und hochwertig gegossen.

Gewicht mit Batterie und Thermoelement

Die Rückseitenabdeckung ist mit zwei Schrauben befestigt. Auch die Befestigung der Platine erfolgt mit den gleichen Schrauben – einfach, sicher und wirtschaftlich.
Das Display wird mit zwei Schrauben und zwei Riegeln an der Platine befestigt.

Die Betrachtungswinkel sind groß.
Im Inneren ist der Karosserieabguss weniger gründlich, was nicht kritisch ist.

Das Brett besteht aus Getinaks.
Verarbeitungsqualität eines der vier Enden der Platine (bei Gerätepreis nicht vergessen)

Das 1,9-Zoll-Display ist über ein leitfähiges Gummiband mit der Platine verbunden, daher habe ich den Bildschirm nicht entfernt – das wird wahrscheinlich nicht gelingen – und ihn dann wieder richtig einsetzen.

Am Rand des Bildschirms befinden sich Laschen zur Befestigung mit Schrauben am Gehäuse – in diesem Fall kommt ein solches Befestigungsschema nicht zum Einsatz.
Es gibt leichte Spuren von Flussmittel, aber ich denke, dass dies die Leistung in keiner Weise beeinträchtigen wird.

Wie Sie sehen, befinden sich auf der Platine fast keine Elemente – wahrscheinlich ist unter dem Bildschirm ein kleiner Mikroschaltkreis versteckt, der für die Verarbeitung des Signals der Sonde, die Berechnung und Anzeige von Informationen auf dem Bildschirm verantwortlich ist.
Nachdem er die Innenwelt des Geräts untersucht hatte, begann er mit Feldtests.
Um die Messwerte zu vergleichen, habe ich zunächst ein Tauchküchenthermometer und ein Zimmerthermometer verwendet. Der Raum erweckte lange Zeit kein Vertrauen und wurde anschließend aus dem Wettbewerbsprogramm ausgeschlossen.
Kühlschrank mit Gefrierfach

Das Tauchgerät zeigte unmittelbar nach der Entnahme aus dem Gefrierschrank 0,2 Grad weniger an, ein gleichzeitiges Fotografieren ist jedoch aufgrund der schnellen Reaktion auf Temperaturänderungen des Überwachten und der Trägheit der Tauchthermometer nicht möglich.
Draußen

Veranda

Zimmer

Heißes Wasser


Siedepunkt von Wasser


Darüber hinaus wurden Lötkolben als Wärmequelle verwendet. Das Tauchthermometer wurde nicht verwendet, da es schwierig ist, es an einer punktuellen Wärmequelle anzubringen und es schwierig ist, den gesamten Körper zu erwärmen.






Das letzte Foto zeigt, dass die Temperatur des Heizelements über 400 Grad liegt, was darauf hindeutet, dass das TR02-Thermoelement tatsächlich im Kit enthalten ist.
Bei den Tests wurde der Glasfasermantel des Thermoelementkabels leicht beschädigt – es fiel in die Flamme eines Gasherds. Dies kann jedoch auch als Test angesehen werden – es brannte nicht, sondern veränderte nur leicht die Farbe.


Ich liste die Pluspunkte auf:
- enge Spezialisierung des Geräts;
- ordentliches Aussehen und Verarbeitung;
- Komplett mit TR02-Thermoelement;
- meiner Meinung nach ausreichende Messgenauigkeit und dadurch ein breites Messspektrum;
Ich habe keine Minuspunkte gefunden, außer einer 9-Volt-Stromquelle und dem Fehlen einer Schutzkappe für das Thermoelement.