4360 подписчиков

Термопары (Термоэлектрические преобразователи) применения и их настройка в прошивке ESP Easy.

5 января 20235 янв 2023

215

10 мин

Оглавление

Принцип работы
Строение
Термопара ТХА (тип K)

Эту тему мы уже затрагивали на канале в статьях:

Тематически повторюсь.

Термопара ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);

Принцип работы

При соединении двух разных проводников их физико-химически свойства разные и наличие электронов разное и находятся они на разных орбитах. При нагревании эти различия становятся выраженными, да просто потому, что хотя бы у разных металлов (сплавов) разная температура плавления. В месте соединения разных проводников происходит диффузия электронов из зоны где их много в область где их мало, следствие появляется ЭДС. При повышении температуры ЭДС растет пропорционально, именно это и можно зафиксировать.

Строение

Сама термопара — это прибор, состоящий из двух различных проводников, открыто их много и используется огромное количество, самых разных сочетаний металлов и их сплавов, вот основные:

ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
ТЖК – железо-константановые (тип J);
ТМКн – медь-константановые (тип T);
ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
ТХКн – хромель-константановые (тип E);
ТХК – хромель-копелевые (тип L);
ТМК – медь-копелевые (тип M);
ТСС – сильх-силиновые (тип I);
ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Разработаны ГОСТы для термопар

ГОСТ 6616-94
ГОСТ Р 8.585-2001

Плюсы и минусы

Плюсы

Дешевые.
Измеряют большой диапазон температур.
Измеряют высокие температуры.
Как правило линейная зависимость - легко обрабатывать результат и переводить в градусы.

Минус

Большая погрешность (до 1 °C и даже более)

Термопара ТХА (тип K)

Самая распространённая Термопара Хромель Алюмелевая - ТХА, тип K

Состав сплава хромель:

90% никеля
10% хрома

Состав сплава алюмель:

95% никеля
2% алюминия
2% никеля
1% кремния

Технические характеристики

Может работать при температурах в пределах температур от -200°C до +1300°C, но все зависит от обвязки проводов, контактной группы изоляторов и так далее. Поэтому обычная температура - 50°C до + 750°C и даже до 600°C.

Недостатки

При высоких температурах начинается больший разброс показаний более 1°C.
Никель имеет магнитные свойства, что вызывает изменение выходного сигнала при температурах 350°C.
При низких концентрациях кислорода работа нарушается (почему не знаю, но так пишут)

Термопара ТХА (тип K) на MAX6675

Преобразователь термопары (K-Type) на MAX6675

Преобразователь MAX6675 позволяет измерять температуру в диапазоне от 0 до 1024°С, однако, при температурах от 800 до 1024°С точность показаний резко снижается. Термопара рассчитана работу при температуре не более 600°C, из этого следует, что рабочий диапазон преобразователя термопары (K-Type) на MAX6675 составляет: 0...600°С.

Я заказал такой набор

В набор входят:

Нормализатор и преобразователь в интерфейс SPI
Термопары K-Type
Монтажные провода (иногда)

Про нормализатор на MAX6675

На выходе термопара имеет слишком слабый сигнал по напряжению, который может считываться другими устройствами некорректно, поэтому термопару подключают к Arduino не напрямую, а через нормализатор сигнала термопары. Кроме того, для получения точных данных необходимо скомпенсировать холодный спай (место соединения свободных концов проводников термопары и входа измерительной схемы) и скорректировать температурные ошибки, возникающие между измерительной схемой и проводниками термопары. Нормализатор сигнала термопары K-типа MAX6675 полностью устраняет эти проблемы за счет внутренней встроенной схемы компенсации холодного спая.

Нормализатор позволяет:

усилить сигнал;
автоматически компенсировать возникающую термо ЭДС на холодном спае;
преобразовать аналоговый сигнал в цифровой (12-битовый);
передать его по шине SPI;
Кроме того нормалиазтор детектирует обрыв термопары.

Характеристики платы нормализатора сигнала на MAX6675

Напряжение питания модуля (Vcc): 3,0 ... 5,5 В постоянного тока.
Ток потребляемый модулем: до 1,5 мА.
АЦП 12-ти битный. Разрешение: 12-бит или 0,25 °C.
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.
Точность измерения температуры 1,5°C;
Резьба термопары 6M x 1.0 мм (для крепления нужен ключ на 10).
Длина кабеля термопары 0,5 м.

Нужно помнить что набор на MAX6675 позволяет измерять только положительные температуры от 0 до +600 °C.

Вот распиновка самой микросхемы

И платы, так как плата это микросхема плюс один конденсатор на 100nF (0,1мкФ, 0,1µF), плюс колодки.

Или вот так кому как удобнее

Конденсатор 100nF (0,1мкФ, 0,1µF)

Все в принципе просто за исключением линии передачи данных тут возникает путаница, SO это линия данных или MISO, данные поступают на вход ведущего или на MOSI

Аналоги

Аналог на MAX31855

Более современный и дорогой модуль MAX31855

14-ти битный АЦП.
Помимо определения обрыва дополнительно определяет закорачивание выхода термопары на Vcc или GND.
Диапазон измеряемых температур от -270 до +1768 °C. (крайние диапазоны).

Аналог на MAX31856

Плюс к тому, что перечислено.

19-ти битный АЦП
Сигнал от любого типа термопары (K, J, N, R, S, T, E и B)
Автоматическая коррекция, линеаризация
Фильтрация частотных помех (50, 60 Гц)
Погрешность 0.15% или + 0,7 °C (-20°C - +85 °C)
Разрешение 0,0078125°C
Защита входа до 45В
Обнаружение неисправностей при низкой температуре

Все эти микросхемы поддерживаются в прошивке ESPEasy

RTD датчики

Можно подключить RTD датчики

О них в статье: "Термодатчики их использование с ESP8266 (на примере RTD датчика или терморезистора)"

RTD — это аббревиатура от Resistance Temperature Detector (резистивный температурный датчик). Поддерживается: MAX31865, LM7x. LM7x- не оттестированы полностью и являются экспериментальными и непроверенными.

Представитель серии LM7x это LM75

Про SPI

Про SPI уже было на канале, статья: "SPI шина, GPIO на плате ESP8266, режимы прошивки (DOUT, DIO, QOUT, QIO)" и вообще про протоколы: "UART, COM-порт, RS-232 что это и как они связаны?"

SPI - Serial Peripheral Bus”, что можно перевести как “шина для подключения периферийных устройств или "последовательный периферийный интерфейс". Является четырехпроводным протоколом последовательной связи.

В SPI используются четыре цифровых сигнала:

MOSI (Master Out Slave In, перевод дословно: "Главный выход. Подчиненный вход") или SIMO, SDI (на устройстве), DI, DIN, SI, MTST - выход ведущего, вход ведомого. Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому.
MISO (Master In Slave Out) или SOMI, SDO (на устройстве), DO, DON, SO, MRSR;) — вход ведущего, выход ведомого. Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.
SCLK или SCK (Serial Clock) - последовательный тактовый сигнал. Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств.
CS или SS (Chip Select, Slave Select) - выбор микросхемы, выбор ведомого.

SPI интерфейс ESP 8266

Интерфейс SPI поддерживается аппаратно в микроконтроллере ESP8266, там даже два модуля SPI.

1) General SPI - SPI общего назначения максимальная скорость работы — 80 мегагерц.
2) HSPI максимальная скорость работы — 20 мегагерц.

О первом мы говорили ранее в статье: "SPI шина, GPIO на плате ESP8266, режимы прошивки (DOUT, DIO, QOUT, QIO)" в данный статье мы будем подключатся к второму, HSPI

Назначение контактов HSPI:

GPIO12 (D6)- MISO
GPIO13 (D7)- MOSI
GPIO14 (D5)- SCK (SCLK)
GPIO15 (D8)- CS

Вот табличка, нужная информация обведена красным

И вот как это выглядит на модуле E-12

Для ESP8266 WeMos D1 mini

SPI интерфейс будет выглядеть вот так.

Подключение

Несложно сопоставить и подключить все вместе

Вот так

MAX6675 - ESP8266

MISO(SO, передача данных) - GPIO12 (D6)

CS (выбор микросхемы) - GPIO15 (D8) - не обязательно, см ниже.

SCK (CLK, тактовый сигнал ) - GPIO14 (D5)

Нет - GPIO13 (D7)

Или вот так, что равноценно, но по другому записано.

ESP8266 - MAX6675

GPIO14 (D5) - SCK (CLK, тактовый сигнал)

GPIO12 (D6) - MISO (SO, передача данных)

GPIO13 (D7) - Прием данных, не используется

GPIO15 (D8) - не обязательно, см ниже - CS (выбор микросхемы)

В прошивке ESPEasy PIN выбора микросхемы или ведомого можно выбирать

И вот схема подключения

Для ESP8266 WeMos D1 mini

Практическая реализация

Вот как все это выглядит на практике

Штатный спиртовой термометр установлен в свое родное место и там же установлен терморезистор (статья на канале: ) в силиконе все это залито маслом для улучшение теплопроводности. Вот все подписано на картинке.

Термопара установлена в заглушку для выхода бражной колонны самогонного аппарата (статья на канале: "Самогонный аппарат «Феникс-Сириус» - первые шаги."). Для это просверлено отверстия по центру, ну почти по центру

Как искать центр круга это отдельный разговор

Как найти центр круга

1) Проводим луч а
2) Перпендикулярно лучу а проводим луч b
2) Приводим параллельно лучу а и перпендикулярно лучу b луч с
3) Проводим две перекрещивающиеся хорды
4) Центр

И вот что получилось

Настройка в прошивке ESPEasy

Про прошивку как её установить и что это такое серия статей на моем канале, например:

Полный список в конце странички.

Вот как выглядит в прошивке ESPEasy, открываем подраздел "Оборудование (Hardware)"и ставим галочку SPI интерфейс.

Конечно, нужно поставить галочку использовать SPI интерфейс, но кстати, и без галочки, при правильном подключении так же будет отображать температуру только не будет выдавать, что есть подключение по SPI.

Затем переходим к настройкам выбираем: "Environment - Thermosensors", что значит: "Окружающая среда — термодатчики"

Environment - Thermosensors (Окружающая среда — термодатчики)

И вот настраиваем, все видно на скриншоте.

И вот получаем: "Устройства"

Задействованные GPIO видны на скриншоте.

Соответствия температур.

После подключения я решил испытать все свои термометры, терморезисторы и термопары в боевых условиях прямо на автоклаве на соответствия и вот что у меня получилось.

Где:

Значения температуры указаны в градусах Цельсия (°C)
Штатный термометр - спиртовой штатный термометр, в свое время испытанный и выдающий 100°C при кипении воды, что понятно, является нормой.
TemM - Термопара
TemR - Терморезистор
TemDS - DS18B20

Как видим большое значение играет нелинейность терморезистора (отдельная статья на канале: "Термодатчики их использование с ESP8266 (на примере RTD датчика или терморезистора)"), а термопара при приближении к 100 градусом показывает практически один в один.

Добавлено от 19.02.2023

Я получил новые данные и если в прошлый раз это была только температура в °C, то в этот раз я сравнивал аналоговый сигнал с терморезистора без обработки, и вот что вышло.

Мы рассмотрели наиболее часто встречающиеся электронные термометры, по крайне мере трех основных типов: терморезисторы, термопары, и цифровые термометры на примере DS18B20 (ссылки внизу) мы выбрали термометр для нашего автоклава, для повышенных температур - это термопара, а дальше будем делать автоматический нагрев для автоклава, поэтому как всегда....

Продолжение следует...

Подписывайтесь на наш канал TehnoZet-2, будет интересно! Мы активно развиваемся! Понравилась статья, хотите продолжения - пишите комментарии, ставьте лайк, жмите палец вверх!

Пользуйтесь рубрикатором по каналу, там все по разделам: "Страничка путеводитель по каналу TehnoZet-2"