Miernik temperatury (termopara typ K)

Witam,

Od dłuższego czasu noszę się z zamiarem zrobienia sobie jakiejś stacji lutowniczej, tylko jakoś zabrać się nie mogę a dodatkowo nie miałbym jej czym wykalibrować.
Gotowanie grota (owiniętego w coś wodoodpornego) w ogóle nie wchodzi w grę.
W związku z tym wymyśliłem sobie, że spróbuję złożyć sobie jakiś miernik. Nigdzie nie znalazłem prostego schematu więc postanowiłem sam trochę pokombinować.

Część urządzenia stanowi kawałek dobrze znanego układu na elektrodzie - zaczerpnięty został ze stacji lutowniczej z PE 3/99 (zaznaczono na czerwono):



Dodatkowo jakiś czas temu zrobiłem miliwoltomierz o zakresie pomiarowym -99 do 999 mV na kości N520D (C520D) - projekt także z PE (któryś z pierwszych numerów).
Ponieważ wcześniej nie znalazłem dla niego zastosowania i w związku z takim zakresem pomiarowym postanowiłem go wykorzystać.

Napięcie -5V potrzebne do zasilania wzmacniacza OP07 uzyskałem dzięki zastosowaniu przetwornicy ICL 7660 (schemat z noty katalogowej).
Dodałem jeszcze 7805 z garstką kondensatorów i o dziwo działa.

Jako czujnika użyłem sondy temperatury z miernika M830.

Kalibracja wg. opisu z artykułu PE 3/99 - tj. ustawienie offsetu a potem gotowanie czubka sondy w garnku z wodą.
Podczas ustawiania offsetu musiałem nieco zmniejszyć wartość R4 z przedstawionego schematu (u mnie 51K).

Niestety na chwilę obecną nie mam możliwości sprawdzenia dokładności miernika ale myślę ze działa dość poprawnie (przy założeniu liniowej charakterystyki termopary i miliwoltomierza - trzymając w palcach dłuższą chwilę koniec sondy miernik wskazuje 37 st.C, podczas gotowania 100 st.C), poza tym super dokładność nie jest mi potrzebna - miernik będzie służył tylko do kalibracji zbudowanej stacji lutowniczej.

I jeszcze kilka fotek:


Pozdrawiam
MK

Twój post był raportowany. Nie można użyć innego słowa zamiast "popełnić"? Popełnia się raczej błędy niż mierniki.
androot

Witam!
Dokładną charakterystykę dla termopary K masz tutaj http://www.termoaparatura.com.pl/files_mce/its90_k_pl.pdf
Nie jest ona liniowa i bardzo łatwo możesz sobie ją zasymulować jakimś dzielnikiem oporowym z potencjometrem. Twój przetwornik nie posiada kompensacji zimnych końców termopary więc podczas kalibracji będzie dla 0mV-20'C , 300'C - 11,411mV(dla tego, że odejmujemy napięcie dla temperatury zimnych końców 20'C - 0,798mV), analogicznie dla innych temperatur. W połowie wyjdzie Ci kilka stopni błędu ze względu na brak lienaryzacji charakterystyki ale do Twoich celów nie powinno to raczej mieć znaczenia.
Powodzenia Andrzej!

Jeżeli taka dokładność Ci wystarcza, to OK.
Znacznie prościej byłoby zastosować Atmegę 8 i do niej układ MAX6675 i już masz cały układ i co ważne z kompensacją zimnego końca termopary.

Zamiast tych kabelków łączących wyświetlacze, mogłeś dać goldpiny kątowe. Byłoby pewniej, ładniej i od razu pcb z wyświetlaczami sama by się trzymała stabilnie.

Chciałbym zaznaczyć że woda nie ma idealnie 100*C Zależnie od wysokości nad poziomem morza i od ciśnienia, ta wartość się zmienia. Bodaj już na wyżynach w Polsce woda może wrzeć w ok 94-96*C Dlatego dobrze byłoby znaleźć lepsze źródło odniesienia )

Pisownia!
Androot

Jeśli ma to służyć do kalibrowania to powinno mieć przynajmniej o klasę wyższą dokładność od przyrządu kalibrowanego. Brak kompensacji zimnych końców, ustawiania na punkt wrzenia wody to poważne błędy.
Lepszym rozwiązaniem jest skalibrowanie lutownicy na punkt topnienia stopu Sn60Pb40, czyli 183°C

krzysztofh napisał:

Znacznie prościej byłoby zastosować Atmegę 8 i do niej układ MAX6675 i już masz cały układ i co ważne z kompensacją zimnego końca termopary.

Prawda, robiłem regulatory temperatury na tych scalakach, działają fajnie i układ jest prościutki - MAX, uC i układ wykonawczy. Można by jeszcze spróbować MAX31855.

I choć nie jest to w duchu DIY, do takich pomiarów kupiłbym na alle miernik uniwersalny na 30 zł z pomiarem temperatury - do tego jest termopara gratis
Przy regulatorach, termostatach itp. odrobinę bardziej rozbudowanych projektach MAX-y sprawdzają się bardzo fajnie. Aż żałuję, że nie znalazłem żadnego takiego scalonego przetwornika dla PT100 ;-(

Ogólnie pomysł ciekawy ale nieopłacalny , lepiej jest kupić jak napisał kolego wyżej multimetr za 30 zł masz kilka w jednym , bardziej oczekiwałem że będzie to jakiś termostat na termoparze typu K do 500 C potrafiący obsługiwać urządzenia większej mocy np grzałki 1500-2000 W, a to po prostu termometr czy się mylę ?

Łatwo jest kalibrować 0 stopni. W szklance z wodą zmieszaną z lodem. Dopóki cały lód nie rozmarznie temperatura będzie stała.

Witam i dziękuję wszystkim za konstruktywne komentarze.
Co do pomysłów dotyczących M8 lub zakupu multimetru - ok - ale jak już pisałem, chciałem to zrobić jak najprościej (najtaniej ), poza tym nie jestem jeszcze na etapie samodzielnego programowania mikroprocesorów. A te kilka stopni w tą czy tamtą stronę przy kalibracji stacji nie zrobi mi większej różnicy.

luzik1980 napisał:

a to po prostu termometr czy się mylę ?

dokładnie, ale po wyjaśnieniu mi tematu zacznę to nazywać "wskaźnikiem"

Jak będę miał dostęp do jakiegoś fabrycznego miernika to porównam sobie wyniki, póki co, musi zostać jak jest.

hmmm.. a może ktoś poradzi jak dorobić kompensację zimnych końców do tego układu?

Pozdrawiam
MK

zgierzman napisał:

I choć nie jest to w duchu DIY, do takich pomiarów kupiłbym na alle miernik uniwersalny na 30 zł z pomiarem temperatury - do tego jest termopara gratis

Miernik z alle to rozwiązanie takie sobie, większą dokładność uzyskasz kalibrując w domu dwu punktowo 0 i 100°C.

Wiesz ja kiedyś sprawdziłem dokładność temperatury miernika , włożyłem sondę pod pachę i temperatura skakała pomiędzy 36-37C. Był to bardzo przyzwoity pomiar, bo przedtem mierzyłem termometrem rtęciowym (szkoda że ich niema bo były dokładne) swoją temperaturę i wyszła 36,7C.

Do wad tego układu należeć będzie również interakcja przy kalibracji - wpływ regulacji przy 0 na regulację w wysokich temperaturach i odwrotnie. Również stosowanie niezbyt stabilnych elementów regulacyjnych na wejściu - przed wzmocnieniem spowoduje iż te błędy będą również wzmocnione. Lepiej dać wzmacniacz z rezystorami nieregulowanym i tu powszechnie dostępne są rezystory rezystory o TWR 50ppm a przykładowo PR ma 500ppm.
Przykładowe rozwiązanie jest na załączonym rysunku, gdzie jest uwzględniona kompensacja zimnych końców, rysunek pochodzi z katalogu firmy Analog Devices opisującym wzmacniacz AD8571.

Pozdrowienia
p.s. na tym rysunku z katalogu jest błąd nie powinno być punktu zwierającego rezystory R8 i R6 powinien być niżej w lewo.

Ostatni termostat wykonałem właśnie pożyczając ten schemat.
Punkt zerowy ustawiałem R6, a 100°C potencjometrem wtawionym zamiast R9,
czasem dla prototypu szlifuję rezystory do wymaganej rezystancji.
Moje skromne zdanie jest takie że dla mniej wymagających aplikacji można zaokrąglić wartości rezystorów do tych które można kupić, a taki układ i tak będzie 10 razy lepszy niż bez kompensacji.

Zapytanie "cold junction compensation" na stronach AD wypluje tyle wyników że każdy coś dopasuje.

W temacie kompensacji:
Czujnik kompensujący(mierzący) temperaturę zimnych końców powinien znajdować się na końcach termopary lub jeśli jest to niemożliwe lub nieopłacalne termoparę przedłużamy przewodem kompensacyjnym(co to takiego i kiedy się stosuje można znaleźć w necie). Przedłużanie końców przewodem miedzianym i pomiar temperatury tychże końców(miedzianych) wprowadza do pomiaru nieakceptowalne błędy.
W wielu przypadkach kiedy koniec termopary znajduje się w miarę stałej(pokojowej) temperaturze można przyjąć stałą temperaturę 25 lub 20'C i po przeliczeniu napięć z tabeli tak skalibrować przetwornik czy wskaźnik.
Wskaźnik kolegi kyriosmk aż się prosi dołożenia jeszcze jednego opampa aby powstał z tego elegancki termostat-taki jak na schemacie z pierwszego postu.
Jeśli będzie miał za małą histerezę (bardzo często klepał przekaźnik można zmniejszyć rezystor R9 10MΩ na 1MΩ.

tom1eczek napisał:

Łatwo jest kalibrować 0 stopni. W szklance z wodą zmieszaną z lodem. Dopóki cały lód nie rozmarznie temperatura będzie stała.

Nieprawda. Z lodem w wodzie jest taki problem, że lód ma mniej niż 0°C i jeżeli się przyklei do kalibrowanego czujnika, to będzie fałszował pomiary. Poza tym woda musi mieć więcej niż 0°C, żeby topić lód z niezerową szybkością.

Zero robi się w komórkach punktu potrójnego (nie zero, ale blisko), albo przez zestalenie przechłodzonej wody.

shg
Termopara nie jest zbyt dokładnym czujnikiem temperatury i rozczulanie się nad przyklejonym kawałkiem lodu według mnie jest absurdalne. Poza tym najbardziej sprawdza się przy pomiarach powyżej 150'C gdzie błędy kilku(nastu) stopni są do przyjęcia. W dokładniejszych pomiarach trzeba zainwestować w Pt100.

W wersji obrazkowej.
1. Termometr zanurzony w wodzie pod lodem - woda ma więcej niż 0°C, bo nagrzewa się przez ścianki naczynia. Po zamieszaniu jest tylko gorzej, temperatura może się podnieść nawet do >1°C.
2. Termometr w lodzie, dotyka dużego kawałka lodu - poniżej 0°C. Mogło by być zimniej, tylko że powierzchnia styku mała i ten lód do najzimniejszych nie należy (stara lodówka, kiedy jeszcze się domykały drzwiczki, to w zamrażalniku było -12°C, teraz pewnie więcej).
3. Termometr w szronie, zaciśniętym ręcznie. Tak chyba należy to robić, w takich warunkach 0°C utrzymywało się przez ponad godzinę.

Termometr produkcji radzieckiej, z certyfikatem kalibracji. Woda destylowana i lód z tejże.
Są też dokładne termopary (w stosownej cenie), a Pt-100 nie zawsze można użyć, bo mają duże wymiary i bezwładność cieplną.
Termopara za 8 zł też tam była, w zerze pokazuje 0,78°C. Drugi termometr który tam widać to termometr o nominalnej głębokości zanurzenia 140 mm, tak z ciekawości chciałem sprawdzić co pokaże (zanurzony na 25 mm), było na nim 0,3°C.

Ja dobrze myślę że termopara mierzy różnicę temperatur między zimnym końcem a spoiną termoelektryczną? Tzn np mam 25 stopni w spoinie a termopara jest w 300 to dostaje napięcie termoelektryczne różnicy czyli 275 stopni? i kompensacja zimnego końca opiera się po prostu na dodaniu temperatury zimnych końców do temperatury "termoelektrycznej" ?

Np (przyjmując w uproszczeniu 41uV stopień)
11,275 / 0,041 + 25

Galareta
Termopara przetwarza nieliniowo i nie możemy sobie sobie przyjmować stałego przyrostu µV na 'C ! Dodajemy sobie µV pochodzące z tabeli dla określonej temperatury, np dla 20'C będzie to 0,798mV , dla 25'C=1,000mV itd.
Przy mniej dokładnych pomiarach można trochę uprościć i pozaokrąglać.
Czyli np. 0-30'C można przyjąć 40µv/'C.

No o nieliniowości wiem wpisałem po prostu tabele w mikro kontroler;) Ale myślę nad kompensacją zimnego końca jak to ma wyglądać? Po prostu muszę temperaturę otoczenia dodawać do temperatury termopary? czy to jest bardziej skomplikowane?

Galareta napisał:

Cytat:

Po prostu muszę temperaturę otoczenia dodawać do temperatury termopary?

Tak.
Tutaj i tak największym wyzwaniem będzie faktyczny pomiar zimnych końców. Po prostu dosyć ciężko jest uzyskać dobre sprzężenie termiczne. Ale ten czujnik nie służy do precyzyjnych pomiarów i błędy kilku 'C są bardzo zadowalające.
Ważniejszą sprawą jest linearyzowanie charakterystyki termopary niż zimnych końców.

Hmm linearyzacja od 0-1000 stopni to 1kb kodu z groszami wpisując każda wartość przybliżając co 4 stopnie można zmniejszyć do gdzieś 300b bardziej mnie ciekawi czy dodanie np lm35 i dodawanie programowe temperatury otoczenia ma sens? bo ja dobrze rozumiem termopara daje napięcie różnicy spoina - zimne końce? jeżeli całą podgrzejemy do 300 stopni to będzie 0V? Bo nie mam innego pomysłu z skąd by się mogła brać różnica potencjałów jak nie z różnicy temperatury?

tablica co 4 jest na zasadzie wyższa ((wartość - niższa)/4) i potem nasza mierzona - niższa no i dzielimy przez ta poprzednio uzyskana przybliżoną skoku na 1 stopień w danym obszarze. można np co 10 uśredniać.

Dodano po 1 [minuty]:

Kalibracja według mnie powinna być wyeliminowana bo zbyt łatwo popełnić błąd.

LM35 to bardzo dobry pomysł na pomiar zimnych końców, wręcz luksusowy(odpada kalibracja). Jego wyjście to 10mV/'C a nam jest potrzebne0,04mV/'C -ale od czego mamy dzielniki. Z tabeli wynika,że w zakresie 0-1200'C nieliniowość w połowie to aż ok.12'C. Praktycznie wszystkie rozwiązania linearyzacji jakie widziałem polegały na "połamaniu" charakterystyki w kilku punktach(im więcej tym dokładniej)-wszystko jedno czy w opampie przedwzmacniacza, czy też przez procesor. Tak na zdrowy rozsądek w czterech miejscach wyglądało by zupełnie przyzwoicie.
Warto dla sygnalizacji przerwy czujnika na wejście dodatnie podać przez rezystor kilka MΩ napięcie dodatnie kilka volt - w razie awarii wskaźnik pokarze przekroczenie zakresu a procesor to co się zaprogramuje.

Ja myślałem o LM do osobnego ADC i po prostu w procesorze temp termopary według tabeli - wpisałem cała wiec nieliniowości odpadają zupełnie to naprawdę nie jest dużo przy mierniku czy jakimś regulatorze temperatury na dzisiejszych procesorach które mają tej pamięci 8 czy tam więcej kb

4 punkty to już śmieszna ilość kodu i nawet na zwykłym if można by wykonać.

No i chyba takie odejmowanie programowe już po wczytaniu z tabeli skasuje nieliniowość tego LM do termopary przy odejmowaniu przed procesorem?

Termoparę można już kupić za 10zł (ja mam tego trochę z starych mierników) i użycie specjalizowanego układu za 40 czy 70zł mijało by się całkowicie z celem. (przetwornik mam 16 bit z AD o naprawdę dobrych parametrach temperaturowych)

Jak już koniecznie chcesz wprowadzać do obliczeń temp zimnych końców to chyba taniej i prościej będzie na Dallasie- odpada przetwornik A/C.
Przy prostym wskaźniku to zupełnie wystarcza opamp+ icl7107 lub C520D(tylko do 999'C). Dzięki zastosowaniu procesora z 16bit A/C można jeszcze ładny regulator PID stworzyć, podkalibrowywanie z przycisków, transmisję po RS-ie, jakieś sygnalizacje przekroczeń, obsługę innych termopar i czujników, obsługę kilku wejść itp. Japońce za kilka stówek już tak dawno mają, zresztą Polskie firmy też nie mają się czego na tym polu wstydzić.

No mniej więcej podgrzewacz do PCB chce robić A/C 16 bit mam w ilości stosunkowo dużej;)

Tzn kilka ADS1112 i kilka ADS1110 do tego nawet pewno przedwzmacniacza nie będzie trzeba bo ma mnożnik do 8 wewnętrzny tylko nie wiem jaka minimalnie może być rezystancja wejściowa przy dla termopary (dla PGA 8 jest 0.9Mohm) no i zakres do 256mV więc powinno być ok.

Ps. mega 8 jest tańsza od icl7107 i prostsza do zastosowania potrafi mierzyć napięcia własne no tylko dryft ADC tam ma ogromny pod wpływem temperatury (dokładnie to napięcie odniesienia wewnętrzne jest niskich lotów)

No i zamiast DS albo LM można dać diodę prostowniczą w końcu też ma mocno zależne napięcie od temperatury i stosunkowo liniowa charakterystykę.

Wejście pomiarowe nie musi mieć aż tak dużej rezystancji. Ja budując wzmacniacze ograniczałem sztucznie do ok 25kΩ w celu uniknięcia podatności na zakłócenia(długa i niezaekranowana termopara potrafi być niezłą anteną) i wszystko działało oki. Jeśli zastosujesz diodę lub dowolne złącze pn jako czujnik zimnych końców to niestety konieczna będzie kalibracja początku zakresu osobniczo do każdego czujnika -nie jest to trudne znając temperaturę otoczenia.
Tak się obawiałem, że ICL będzie droższym rozwiązaniem ale nie wymaga za to żadnej znajomości programowania .

No tak tylko cenowo złącza PN nie pobije nic, i nawet "słabo" go kalibrując będzie mniejszy błąd niż w mierniku z 1 postu - bo z tego co ja na teraz rozumiem termopary przy regulacji w lodzie ona daje napięcie ujemne gdyż ma niższa temperaturę niż temp otoczenia. tzn zimnych końców. wyniesienie tego w dniu dzisiejszym na pole spowodowało by odchyłkę o ponad 30*C!

Dobrze Galareta kombinujesz, ale jeśli wskaźnik działa na stałe w pomieszczeniu mieszkalnym gdzie temp. panuje 20-25'C to można skalibrować na stałe te dwadzieścia kilka i będzie w porządku(taki podejrzewam był zamysł autora schematu). Po zwarciu wejścia wskaźnik ma pokazać temp. zimnych końców(otoczenia).

andrzej55 napisał:

Dobrze Galareta kombinujesz, ale jeśli wskaźnik działa na stałe w pomieszczeniu mieszkalnym gdzie temp. panuje 20-25'C to można skalibrować na stałe te dwadzieścia kilka i będzie w porządku(taki podejrzewam był zamysł autora schematu). Po zwarciu wejścia wskaźnik ma pokazać temp. zimnych końców(otoczenia).

Tak andrzej55, dokładnie taki był mój zamysł (nie wypowiadam się w imieniu autora schematu, bo schemat nie jest mojego autorstwa - jedynie go zaadoptowałem). Jak napisałem ma to służyć jedynie do skalibrowania stacji lutowniczej, którą właśnie buduję. No i tutaj słowo "miernik" jest trochę na wyrost. Poza tym wydaje mi się, że rzeczywista różnica temperatury grota w granicach powiedzmy +-10 st.C nie będzie miała większego znaczenia.
Zaznaczam - miało być jak najprościej i najtaniej

Niemniej jednak chciałem pokombinować z tą kompensacją zimnych końców ale jak zobaczyłem ceny scalaków (np. AD595*) to dałem sobie spokój.

Pozdrawiam i dziękuję wszystkim (w sumie to też dowiedziałem sie sporo nowych rzeczy)