Termoparianturiin perustuva lämpömittari

Termopariantureita käytetään erityisesti silloin kun halutaan mitata korkeita, usean sadan asteen lämpötiloja, joihin tavalliset lämpötilanturit eivät välttämättä sovellu. Termoparianturiin perustuvaa lämpötilan mittausta käytetään erityisen paljon teollisuudessa, koska se kestää hyvinkin rankkoja ympäristöolosuhteita.

Termoparin anturin puoleisessa päässä johdinpari on liitetty yhteen yleensä joko hitsaamalla, juottamalla tai vastaavalla menetelmällä. Hitsaus on yleisin käytetty tapa tehdä liitos, mutta tämä tulisi suorittaa erityisellä tähän tarkoitukseen valmistetulla hitsauslaitteella, jotta liitos olisi luotettava.

Anturikäyttöön on vakiintunut muutama eri johdinpari, joilla on omat tyyppinimensä. Tässä kytkennässä käytetään K-tyyppistä termoparia, jossa käytetään NiCr ja NiAl-metallijohtimia, joiden tuottama jännite on noin 41uV/ºC. Mittausalue K-tyypin termopareilla kattaa alueen -270º - 1370ºC. Käytetty MAX6675 piiri rajaa käytettävissä olevan mittausalueen hieman suppeammaksi, eli se kattaa alueen 0°C - 1024ºC.

Termoparin toiminta

Termoparin toiminta perustuu termosähköiseen eli niinkutsuttuun Seebeckin ilmiöön kahden eri metallista valmistetun johtimen välillä. Kun johdinparin yhteenliitetty pää, eli anturina toimiva liitospiste ja johdinparin avoin pää ovat eri lämpötiloissa, niin johdinparin avoimesta päästä voidaan mitata jännite-ero joka on verrannollinen lämpötilaeroon anturin liitospisteen ja avoimen pään välillä. Jos anturin liitospiste sekä johdinparin avoin pää ovat samassa lämpötilassa jännite-ero on nolla.

Kuvassa 1 T1 edustaa mitattavaa lämpötilaa ja T2 lämpötilaa mittarin liitoskohdassa. Kun tiedetään jännite V ja tiedettäessä käytetyn termoparin lämpötilavastine, niin voidaan määritellä näiden kahden pisteen lämpötilaero. Jotta saataisiin edelleen selville mitattavan kohteen absoluuttinen lämpötila, niin mittarin liitoskohdan lämpötila T2 tulee myös tietää. Tämä lämpötila voidaan mitataan esim. toisella termoparilla, termistorilla, diodilla tai RT100-anturilla ja jonka avulla voidaan laskea mitattavan kohteen lämpötila. Koska termoparin vaste on epälineaarinen, tämä korjaus tulee tehdä jännitetasolla, ei suoraan celsius asteilla. Tätä korjausta kutsutaan "kylmän liitoksen" kompensoinniksi. Tässä kytkennässä tästä korjauksesta huolehtii MAX6675-piiri.

Termoparimittarin piirikaavio

Normaalisti termoparin käyttäminen vaatii erillisen ympäryselektroniikan, joka hoitaa tarvittavan lämpötilakompensoinnin sekä signaalin vahvistuksen ja suodatuksen. Käytettäessä MAX6675 piiriä ympäryselektroniikka vähenee minimiinsä sillä MAX6675 piiri pitää sisällään K-tyyppisen termoparin liitännän, kylmäliitoksen kompensoinnin, 12 bittisen ADC konvertterin ja SPI-yhteensopivan liitännän. Tämän johdosta se soveltuu helposti käytettäväksi esim. kytkennässä käytetyn mikrokontrollerin kanssa.

Johtuen MAX6675-piiristä, piirikaavio on varsin yksinkertainen. Jännitteen reguloinnista huolehtii 78L05-piiri. IC-piirien käyttöjännitesyötön tasaamiseen käytetään 100nF konkkia. R4 ja C5 huolehtivat piirin resetoinnista käyttöjännitteiden kytkeytymisen jälkeen. Diodi D9 estää ohjemointijännitteen pääsyn muualle kytkentää PIC16F819:n ohjelmoinnin aikana. LCD-näytön ohjaukseen käytetään 4-bittistä toimintamoodia, joten vain ylempi puolisko datalinjoista on kytketty mikrokontrollerille. LCD-näytön kontrastia säädetään trimmerillä P1.

Komponenttilista

 

 REF DES    VALUE            FOOTPRINT 
---------------------------------------
C1         100nF            1206
C2         10uF             7343
C3         10uF             7343
C5         100nF            1206
C6         100nF            1206
C7         100nF            1206
C8         100nF            1206
D9         BAS21            SOT23
IC1        PIC16F819        SOIC-18
IC2        LM78L05A         SO-8
IC3        MAX6675          SO-8
J1         CON2             CON2
J2         CON14            CON14
J3         CON2             CON2
J4         ISCP             CON3
J5         ISCP             CON2
R1         10K              TRIM
R3         10k              1206
R4         8,2k             1206
R5         10k              1206

Liittimiä lukuunottamatta kaikki komponentit ovat SMD, eli pintaliitoskomponentteja. BAS21:n tilalla voi käyttää muutakin SOT23-koteloista diodia.

Piirilevy

Termoparimittarin piirilevy on yksipuoleinen ja oheisesta kuvankaappauksesta näkyy lisäksi myös komponenttien sijoittelu. LCD-näyttöä ei asenneta piirilevyn komponenttipuolelle vaan vastakkaiselle puolelle piikkiriman eli liittimen J2 pinneihin. Klikkaamalla piirilevyn kuvaa avautuu linkki pdf-tiedostoon piirilevystä, jota voi käyttää piirilevyn valmistukseen. Käytä tulostaessa paperinkokona A4:sta, niin kuvan pitäisi olla 1:1.

Mittausohjelmisto

Ohjelma lukee lämpötila-arvon muutaman kerran sekunnin aikana ja päivittää samalla näytöllä olevan arvot. MAX6675 piirin resoluutio on 0,25ºC, mutta tässä kytkennässä mittari ilmoittaa lämpötila käyttäen 1ºC tarkkuutta. Näyttönä on 1-rivinen 16-merkkinen LCD-näyttö. Näytössä on samanaikaisesti tämänhetkinen lämpötila sekä mittauksen aikana saavutettu maksimi lämpötila. Maksimi-arvo nollautuu aina kun laitteesta katkaistaa käyttöjännite.

MAX6675 piiri lähettää tilatietonsa 16-bittisenä sanana, josta lämpötila-arvon bitit ovat B3-B14. Muita bitteja käytetään eri tilatietojen välittämiseen. Anturin katkos voidaan havaita helposti lukemalla MAX6675 piirin lähettämästä tiedosta bitti B2, joka kertoo tiedon anturiliitännän tilasta. Bitti B2:n tila on normaalisti '0' ja jos anturiliitännässä on katkos niin tilana on '1'. Anturikatkoksen havaitseminen edellyttää että anturiliitännän nasta T- kytketään maa-tasoon. Mittari tarkkailee kyseisen bitin tilaa ja ilmoittaa LCD-häytöllä käyttäjälle anturikatkoksesta.

Kontrolleripiirille ladattava hex-tiedosto on vapaasti saatavilla, tästä. PIC16F819 piiri ohjelmoidaan käyttäen ICSP-liitäntää. ICSP (In-Circuit Serial Programming) on ohjelmointiliityntä, jonka kautta piiri voidaan ohjelmoida myös sen jälkeen kun se on juotettuna piirilevyyn. Vcc- GND- ja Vpp-pinnien lisäksi liitäntä tarvitsee ainostaan kaksi I/O-pinniä. Samoja I/O-pinnejä voidaan käyttää ohjelmointipinneinä ohjelmoinnin aikana sekä tavallisina I/O-pinneinä muuna aikana.