Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Diodowy termometr wysokotemperaturowy

vidmo91 03 Oct 2017 19:03 5322 18
e-mierniki
  • Prosty termometr do pracy wykorzystuje tylko jedną diodę 1n4148, oraz rezystor.
    Potrzebowałem termometru do temperatur >200 °C. Popularne 18DS20 działają do 125 °C, w lokalnym elektronicznym nie mieli termistorów, a ja jestem niecierpliwy, termopary potrzebują drogiego wzmacniacza. Same problemy... Po przejrzeniu zasobów Internetu w temacie pomiaru temperatury okazało się, że napięcie progowe złącza krzemowego p-n jest liniowo zależne od jego temperatury. Co za tym idzie pomiar napięcie progowego diody pozwala na określenie jej temperatury.
    Wybór padł na 1n4148 ponieważ są szklane (dzięki czemu odporne na wysokie temperatury), tanie i mam ich mnóstwo w szufladzie. Ich nota katalogowa zawiera wykres opisujący zależność napięcia progowego od temperatury i prądu płynącego przez diodę:
    Diodowy termometr wysokotemperaturowy

    Dioda została podłączona do Arduino Pro mini tak jak na poniższym schemacie:
    Diodowy termometr wysokotemperaturowy

    Arduino mierzy napięcie progowe diody.
    Pro mini jest tak naprawdę ATmegą328P gotową do pracy z kwarcem 16MHz. Podłączone są wszystkie kondensatory odsprzęgające, dodany regulator 5V, cena z wysyłką z Chin jest porównywalna do ceny gołej ATmegi PDIP, a nic nie trzeba już kombinować. Same plusy :) Polecam też Chińskie Nano z zamontowaną przejściówką USB-UART.
    Zastosowałem rezystor 10k, dlatego dla zasilania 5V przez diodę płynie prąd około 0,5mA. Można wykorzystać rezystory o większym oporze, nie polecam mniejszych, bo dioda może zacząć się grzać.
    Zmierzone napięcie to jeszcze nie temperatura, tę trzeba jeszcze obliczyć. Żeby to zrobić termometr trzeba skalibrować. W tym celu trzeba skorzystać z innego termometr. Ja wykorzystałem termoparę multimetru. Żeby połączyć termicznie oba czujniki spiąłem je krokodylkiem tak jak na poniższym zdjęciu.
    Diodowy termometr wysokotemperaturowy

    Następnie korzystając z prostego kodu napisanego w Arduino zmierzyłem napięcia progowe diody dla kilku temperatur. Można posłużyć się jakimś urządzeniem grzewczym. Temperatura musi być stabilna tj. wskazania obu czujników przez przynajmniej kilkanaście sekund stałe. Całość wprowadziłem do Excela i zza pomocą funkcji REGLINP obliczyłem współczynniki a i b funkcji liniowej f(x)=ax+b w dwóch wersjach A i B: dla 4 temperatur i dla dwóch skrajnych. W celu weryfikacji obliczyłem temperatury korzystając z obliczonych funkcji: błędy to +-2 °C.
    Okienko Excela wyglądało następująco:
    Diodowy termometr wysokotemperaturowy

    Współczynniki wprowadziłem do kodu Arduino tak powstał wysokotemperaturowy termometr diodowy. Termometr jest bardzo szybki, dorównuje szybkością termoparze z miernika. Dokładność zależy do dokładności kalibracji.
    Poniższe zdjęcie przedstawia gotowy układ testowy. Podłączone przewody łączom układ z programatorem i przejściówką USB-UART.
    Diodowy termometr wysokotemperaturowy

    Kod pisałem w Arduino, ponieważ jest to proste urządzenie i nie potrzebowałem nic więcej. Docelową aplikację współpracującą z dwoma diodowymi termometrami i SSRami do kontroli grzałek i silnika napiszę już w prawdziwym C. poniższy kod jest banalnie prosty, wykorzystuje tylko jedną bardziej zaawansowaną rzecz: konfiguruje ADC do pracy z wewnętrznym napięciem referencyjnym 1,1V w celu wykonywania dokładniejszych pomiarów (według wykresu z noty napięcie nie wzrasta powyżej 1V nawet dla -30 st.C i 100mA). Kod ten jest minimum wystarczającym do kalibracji i wykorzystania termometru. Pewnie pokuszę się jeszcze o oversampling, ale w tej konfiguracji termometr działa stabilnie i dokładnie.
    No i wreszcie wrzucam kod:
    Code: c
    Log in, to see the code

    Generuje on takie wyniki:
    Code:

    Voltage A1 = 669 mV    Temp A1 = 22.37 C
    Voltage A1 = 669 mV    Temp A1 = 22.37 C
    Voltage A1 = 669 mV    Temp A1 = 22.37 C

    Mam nadzieję, że komuś przyda się taki szybki termometr. Jeśli będzie dobrze skalibrowany, to będzie dość dokładny. Dokładność mojego nie jest duża (+-2 °C), ponieważ dysponowałem tylko miernikiem z dokładnością do 1 °C, a kalibrację przeprowadzałem szybko, ale dla mnie jest wystarczająca.

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    vidmo91
    Level 11  
    Offline 
    vidmo91 wrote 70 posts with rating 67, helped 0 times. Live in city Kraków. Been with us since 2009 year.
  • e-mierniki
  • #2
    User removed account
    User removed account  
  • #3
    Freddy
    Level 43  
    vidmo91 wrote:
    Wybór padł na 1n4148 ponieważ są szklane
    vidmo91 wrote:
    Potrzebowałem termometru do temperatur >200 °C

    Ciekawostka - maksymalna temperatura przechowywania to 200°C, a pracy to 125°C według DS.
  • e-mierniki
  • #4
    vidmo91
    Level 11  
    R-MIK wrote:
    vidmo91 wrote:
    Można wykorzystać większe, nie polecam mniejszych, bo dioda może zacząć się grzać.

    Zdaje sie na odwrót.

    Nie, ponieważ chcemy mniejszy prąd, a I=U/R, czyli zwiększając R zmniejszamy I.
    edit: Jeśli chodziło o napięcie, to już ujednoznaczniłem.

    Freddy wrote:
    vidmo91 wrote:
    Wybór padł na 1n4148 ponieważ są szklane
    vidmo91 wrote:
    Potrzebowałem termometru do temperatur >200 °C

    Ciekawostka - maksymalna temperatura przechowywania to 200°C, a pracy to 125°C według DS.


    Nie mam pojęcia od kogo mam diody, ale zdania są podzielone :-? :
    Producent: Temp. pracy / przechowywania
    Fairchild: 175°C / 200°C
    Diodes inc.: 175°C / 175°C
    NXP: 200°C / 200°C
  • #5
    User removed account
    User removed account  
  • #6
    vidmo91
    Level 11  
    R-MIK wrote:
    vidmo91 wrote:
    R-MIK wrote:
    vidmo91 wrote:
    Można wykorzystać większe, nie polecam mniejszych, bo dioda może zacząć się grzać.

    Zdaje sie na odwrót.

    Nie, ponieważ chcemy mniejszy prąd, a I=U/R, czyli zwiększając R zmniejszamy I.
    edit: Jeśli chodziło o napięcie, to już ujednoznaczniłem.

    Ja myślałem o prądzie :-)

    Kiedyś robiłem termometr na 1N4007 w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza operacyjnego. Dawał on napięcie 10mv/stopień. Teraz można zrobić to prościej. Jak chcesz zwiększyć rozdzielczość to daj wzmacniacz operacyjny i odejmij 600mV. Użyteczny zakres pomiarowy bedzie 0..1,1V a nie jak teraz 0,6..1,1V czyli prawie dwa razy większy. Nie nadaje sie do tego tryb różnicowy (nie każdy AVR go ma). Owszem, podając na jedno z wyprowadzeń 600mV, na drugie z dzielnika z dioda jak teraz zakres zostanie rozciągnięty ale najstarszy bit ADC jest wtedy przeznaczony na znak, więc zysk znika.


    Wiem, że można lepiej (zawsze można :D ), ale moim celem było najprościej i do 200 °C. Kalibracja za pomocą multimetru i tak nie pozwoliłaby na większą dokładność, więc większa rozdzielczość niewiele pomoże.
    Termometr, tak jak pisałem ma być częścią przerobionego laminatora do produkcji PCB. Do tego celu został stworzony i spełnia swoje zadanie wystarczająco. Gdybym potrzebował pomiarów precyzyjnych wykorzystałbym termoparę albo PT100.
    Można nawet jeszcze prościej, ale za to na 2 piny: wykorzystując wewnętrzny rezystor 10k pullup, ale jakiś nie przemawia do mnie to rozwiązanie.
  • #7
    User removed account
    User removed account  
  • #9
    Freddy
    Level 43  
    vidmo91 wrote:
    Nie mam pojęcia od kogo mam diody, ale zdania są podzielone :
    Producent: Temp. pracy / przechowywania
    Fairchild: 175°C / 200°C
    Diodes inc.: 175°C / 175°C
    NXP: 200°C / 200°C
    To co podajesz, to są Absolute Maximum Rating a nie warunki normalnej pracy. No ale skoro twierdzisz, że jest inaczej i wiesz lepiej ...

    NXP od 10 lat nie produkuje już, to samo Diodes Inc. Wprowadzili nowe 1N4148W z zakresem temperatur -65 ÷ 150 °C.

    Fairchild już nie istnieje firma, teraz to jest On Semiconductor. :)

    Takie termometry buduje się na zakresy -30 do 100°C.
    Dioda musi być zamontowana hermetycznie w jakimś "etui".
    ---------------------------------------------------------------------
    Tego typu termometry robi się raczej umieszczając diodę w sprzężeniu OpAmp.
    Diodowy termometr wysokotemperaturowy
  • #10
    andrzejlisek
    Level 28  
    vidmo91 wrote:
    Nie mam pojęcia od kogo mam diody, ale zdania są podzielone :-? :
    Producent: Temp. pracy / przechowywania
    Fairchild: 175°C / 200°C
    Diodes inc.: 175°C / 175°C
    NXP: 200°C / 200°C


    Z pierwszego postu rozumiem, że potrzebujesz mierzyć temperaturę powyżej 200 stopni, czyli np. temperaturę w piekarniku. Jaka jest górna granica temperatur, które chcesz mierzyć?

    Jak widać, producenci różnie podają, ale żaden nie podaje temperatury powyżej 200 stopni.
  • #11
    jarek_lnx
    Level 43  
    Małe sprostowanie
    vidmo91 wrote:
    termopary potrzebują drogiego wzmacniacza.

    Albo taniego wzmacniacza i równie taniego potencjometru do wyzerowania offsetu.

    vidmo91 wrote:
    Po przejrzeniu zasobów Internetu w temacie pomiaru temperatury okazało się, że napięcie progowe złącza krzemowego p-n jest liniowo zależne od jego temperatury.
    Przy szerokim zakresie mierzonych temperatur widoczna jest znacząca nieliniowość (sprawdź w trzech punktach - początek koniec i środek zakresu), rozwiązania wymagające liniowości opierają się na innej zasadzie - np. pomiarze rezystancji dynamicznej diody.
  • #12
    User removed account
    User removed account  
  • #13
    vidmo91
    Level 11  
    andrzejlisek wrote:
    Z pierwszego postu rozumiem, że potrzebujesz mierzyć temperaturę powyżej 200 stopni, czyli np. temperaturę w piekarniku. Jaka jest górna granica temperatur, które chcesz mierzyć?
    Jak widać, producenci różnie podają, ale żaden nie podaje temperatury powyżej 200 stopni.

    Laminatory do termotransferu podobno grzeje się do około 180°C więc uznałem, że 200°C to granica. Standardowo chcę pracować z folią fotopolimerową, która ładnie nanosiła się w normalnej temperaturze pracy laminatora 125-150°C.

    R-MIK wrote:

    Co do drogi. Taki np Moduł z AMX6675 + termopara do 400 stopni kosztuje 27zł, na "Aledrogo" 24zł, u Chińczyka jeszcze mniej.

    Za 24zł to ja mam całe sterowanie do laminatora: Arduino, 2 SSRy, zasilacz i jeszcze piwo do tego, bo zasilacz to stara ładowarka do Nokii :) Więc chyba mogę uważać, że to drogo, skoro przewyższa koszt całego projektu...
    Niezłym pomysłem są też termistory NTC przeznaczone do drukarek 3D (za 1-2zł), które dają możliwość pomiar do 300°C, ale o datasheetach w tej cenie można zapomnieć... Analogiczne Epcos kosztują mniej więcej 15-30zł, co dalej uważam za dużo.

    Jeszcze raz powtarzam projekt jest hobbistyczny, więc jeśli coś pójdzie nie tak, to najwyżej będę miał więcej zabawy.
    W laminatorze będzie wyłącznik termiczny zabezpieczający ustrojstwo przed spaleniem, więc awaria termometra mi nie straszna.
    Różnice temperatur +-2°C w stosunku do rzeczywistych to zadowalający mnie wynik.
  • #14
    jarek_lnx
    Level 43  
    Jest jeszcze czujnik KTY-84 ma zakres do 300°C obudowę ma taką samą jak dioda i kosztuje kilka zł, jest to krzemowy termistor.

    A co do termopary - zdarzało mi się zrobić z materiałów które były pod ręką - drut oporowy z konstantanu i miedziany to termopara typu T, drut stalowy i miedziany - nie produkują takich ale dało sie skalibrować, zdarzało się też użyć przewodu kompensacyjnego do termopary typu K jako czujnika, więc jeśli jest potrzeba, a wymagania nie są wygórowane, to zawsze da sie coś wymyślić z tego co pod ręką,
  • #15
    ukixx
    Level 21  
    Tak z ciekawości chciałem sprawdzić co się stanie z diodą 1N4148 podłączoną do multimetru M830BUZ na pomiar diod, umieszczoną bezpośrednio w wylocie opalarki na 1 biegu. Diodę zamocowałem na dwóch drutach DNE 0,25 i włączyłem opalarkę.
    W temperaturze pokojowej miernik pokazywał napięcie przewodzenia ok 560mV, przy wylocie opalarki (ok 2cm) było już ok 100mV, a bezpośrednio w wylocie nawet poniżej 10mV, lakier na drutach DNE przy diodzie się zwęglił, cyna zmatowiała, a szklana obudowa diody zrobiła się ciemna. Po wyłączeniu opalarki odziwo napięcie wskazywane przez multimetr w miarę stygnięcia diody zaczęło rosnąć do ok 560mV.

    Nie wiem jaka była temperatura (prawdopodobnie ponad 300*C) ale dioda przetrwała.

    Myślę, że taki termometr to fajna sprawa ale ja bym jednak dołożył do tego wzmacniacz operacyjny i mierzył napięcie na diodzie np. x5.
  • #16
    User removed account
    User removed account  
  • #17
    ukixx
    Level 21  
    Test może i nie jest miarodajny, a to że producent podaje takie a nie inne parametry to podaje je dla diody jako diody a nie czujnika. Powyżej temperatury 150*C dioda przestaje być traktowana jak dioda a zaczyna być traktowana jak przewodnik. Chodzi tutaj głównie o tzw. prąd upływu, który rośnie wraz z temperaturą i powyżej tej temperatury jest na tyle duży, że już nie mówi się o diodzie.

    Poza tym półprzewodniki przechodzą tzw. "wygrzewanie poimplantacyjne", które jest przeprowadzane w temperaturze rzędu 600-800*C i jakoś ich to nie uszkadza.
  • #18
    yogi009
    Level 43  
    Nie jestem pewien, czy do laminatora nie prościej byłoby włożyć dobrany termostat. Co do tych 180°C to jest teoria, temperatura zależy od wielu czynników, m.in. grubości laminatu, składu chemicznego tonera. Na Twoim miejscu zastanowiłbym się nad tym, jak zapewnić długowieczność samego laminatora. On nie jest projektowany do pracy w temperaturach bliskich 200°C. Co do czujnika, gdybym jednak decydował się wkładać elektronikę do laminatora chyba wybrałbym klasycznie termoparę i LM311. W zasadzie masz gotowy taki projekt stacji lutowniczej, wystarczy ustawić niższą temperaturę pracy.
  • #19
    vidmo91
    Level 11  
    yogi009 wrote:
    Nie jestem pewien, czy do laminatora nie prościej byłoby włożyć dobrany termostat. Co do tych 180°C to jest teoria, temperatura zależy od wielu czynników

    Właśnie dlatego, że temperatura jest nieznana i zmienna chciałem zrobić regulator.
    Przerzuciłem się na termistor NTC100k z drukarki 3D. Pomiar za jego pomocą jest dużo bliższy pomiarowi termoparą i multimetrem.
    Polecam poradnik z Adafruit na temat termistorów. Podany tam jest wzór na obliczanie temperatury i gotowy szkic Arduino.
    Chwilowo jeszcze nie korzystałem z termoransferu, więc projekt został zawieszony. Laminator wykorzystuję do nakładania fotopolimeru w oryginalnej temperaturze.

    Projekt wykorzystałem do zrobienia dozownika PE do klejenia uszczelek. Wykorzystałem kompletny extruder z głowicą do drukarki 3D. Regulator PID sterujący grzałką (NPN i MOSFET jako driver 12V) korzysta z ww. poradnika i biblioteki Arduino PID. Regulator włączany jest przez PLC i wysyła mu sygnał gotowości po zagrzaniu głowicy do temperatury z zakresy temp. zad. +- 5°C. Krokowiec sterowany jest z PLC. Proste i skuteczne rozwiązanie.