Obvodové riešenie merania teploty pomocou termočlánkov

Meranie teploty patrí medzi základné merania neelektrických veličín, s ktorým sa stretávame v elektronike. Teplota je fyzikálna veličina, ktorú v elektronickej praxi môžeme merať snímačmi, ktoré využívajú rôzne materiály a fyzikálne javy. Na základe známeho vplyvu teploty na výstupný elektrický signál zo snímača (prevodovej charakteristiky snímača) môžeme merať teplotu v okolitom priestore alebo v materiáli. Jedným z fyzikálnych javov, ktorý sa využíva pri meraní teploty, je termoelektrický jav, ktorý využíva na meranie teploty spojenie dvoch vodivých materiálov s rôznymi Seebeckovými koeficientmi, čím vznikne termočlánok – snímač na meranie teploty.

Obr. 1 Schéma termočlánku

Napätie termočlánku podľa obr. 1 je úmerné teplotnému rozdielu meracieho a referenčného spoja a dá sa vypočítať podľa vzťahu:

U_T – termoelektrické napätie [V], T₁, T₂ – teplota referenčného a meracieho spoja [K], S₁₂ – Seebeckov koeficient termočlánku, S₁, S₂ – Seebeckové koeficienty materiálov vodičov termočlánku [V/K].

Zo vzťahu pre termoelektrické napätie U_T vyplýva, že jeho hodnota je závislá nielen od teploty T₂, ale aj T₁, preto je potrebné udržiavať referenčný koniec termočlánku na konštantnej teplote napr. 0 °C (obr. 2). Oba medené vodiče sú vystavené rovnakému rozdielu teplôt a ich termoelektrické napätia sa v konečnom dôsledku odčítajú a voltmeter meria skutočnú hodnotu napätia termočlánku.

Obr. 2 Kompenzácia referenčného konca termočlánku

Na obr. 3 je znázornená teplotná závislosť Seebeckovho koeficientu od teploty pre najčastejšie používané termočlánky K (41 μV/°C), T (41 μV/°C) a J (52 μV/°C). Keďže táto závislosť je nelineárna, aj napätie termočlánkov typu K, T a J v závislosti od teploty bude nelineárne.

Obr. 3 Závislosť Seebeckovho koeficientu od teploty pre K, T a J termočlánok

Existujú tri najčastejšie používané metódy kompenzácie nelinearity termočlánkov:

• lineárnou aproximáciou tej časti teplotného rozsahu, v ktorej je závislosť Seebeckovho koeficientu od teploty relatívne lineárna,
• použitím vopred definovaných tabuľkových hodnôt teploty – skutočná teplota sa určí pomocou lineárnej závislosti medzi susednými hodnotami v tabuľke,
• aproximáciou pomocou polynómu n-stupňa a známych koeficientov polynómu.

Meranie teploty pomocou termočlánkov v elektronickej praxi s možnosťou širokého výberu mikroprocesorov si vyžaduje riešenie, ktoré bude jednoduché a bude vyhovovať hore uvedenému opisu problematiky. Jednoduché obvodové riešenie tejto problematiky ponúka Maxim Integrated v podobe dvoch obvodov MAX31855 a MAX31856.

MAX31855

MAX31855 je prevodník napätia termočlánku na číselnú hodnotu teploty s funkciou kompenzácie referenčného konca termočlánku. Pre rôzne typy termočlánkov je potrebné zvoliť vhodný obvod, čo je indikované písmenom typu termočlánku za označením obvodu. Podporované sú typy termočlánkov K, J, N, T, E, R a S. Pre termočlánok typu K je určená verzia obvodu MAX31855K.

Obr. 4 Bloková schéma MAX31855

Obvod obsahuje 14-bitový A/D prevodník. Výsledná teplota je s rozlíšením 0,25 °C. Čas prevodu je menej jako 100 ms. Presnosť prevodu termočlánku typu K v rozsahu −200 °C až +700 °C je ± 2 %. Prevodník pre svoju činnosť potrebuje napájacie napätie 3,3 V. Komunikáciu s obvodom zabezpečuje SPI sériová zbernica, pričom dáta sa prenášajú do mikroprocesora v 32-bitovom rámci. Hardvérové riešenie obvodu umožňuje detegovať chyby pripojenia termočlánku (skrat na napájanie, zem alebo rozpojený termočlánok).

Termočlánok sa pripája na vstupy prevodníka T+ a T−. Teplota referenčného konca termočlánku sa získava z merania teploty samotného obvodu. Výsledná hodnota teploty termočlánku je daná vzťahom:

V_OUT – napätie termočlánku [μV], T_R – teplota meracieho spoja termočlánku [°C], T_AMB – teplota okolia (teplota obvodu) [°C].

Obvod MAX31855K používa pri výpočtoch teploty termočlánku Seebeckov koeficient s hodnotou 41,276 μV/°C. Pre dosiahnutie lepšej presnosti merania teploty v celom rozsahu teplôt je nevyhnutné aplikovať softvérovú korekciu výsledku.

MAX31856

MAX31856 je rozšírením obvodu MAX31855. MAX31856 s napájacím napätím 3,3 V obsahuje okrem kompenzácie referenčného konca termočlánku aj linearizáciu výslednej hodnoty teploty. Obvod MAX31856 je vhodný pre typy termočlánkov K, J, N, R, S, T, E, B, pričom typ používaného termočlánku je možné vybrať pomocou nastavenia v konfiguračnom registri.

Obr. 5 Bloková schéma MAX31856

Obvod obsahuje 19-bitový A/D prevodník, ktorý umožňuje získať hodnotu teploty s rozlíšením 0,0078 °C. Operácia linearizácie je realizovaná pomocou tabuliek, v ktorých sú uložené korekčné dáta pre jednotlivé typy termočlánkov. Chyba linearizácie pre K termočlánok v rozsahu teplôt −200 °C až +1 372 °C je ± 0,13 °C. Termočlánok sa k obvodu pripája pomocou vývodov T+ a T− integrovaného obvodu. Prevod napätia na teplotu vykonáva prevodník na požiadanie alebo kontinuálne. Čas jedného prevodu je < 185 ms, pričom v kontinuálnom režime je čas prevodu < 110 ms. Prevodník poskytuje aj funkciu spriemerovania nameraných hodnôt. Výsledná hodnota teploty je potom priemerom 2, 4, 8, alebo 16 vzoriek v závislosti od konfigurácie. Rušenie vytvorené na dlhých vodičoch termočlánku je eliminované pomocou filtra s medznou frekvenciou 50 Hz alebo 60 Hz. Teplota referenčného konca termočlánku (teplota obvodu) je meraná s presnosťou ± 0,7 °C (v rozsahu −20 °C až +85 °C).

Prevodník obsahuje 16 8-bitových registrov (tabuľka 1), ktoré slúžia na konfiguráciu prevodníka, zisťovanie jeho stavu a čítanie nameraných hodnôt. Prístup k týmto registrom je pomocou SPI sériovej zbernice.

MAX31856 poskytuje používateľovi prostredníctvom svojich registrov tieto informácie:

• hodnotu teploty s kompenzáciou a linearizáciou zvoleného typu termočlánku
• výsledná hodnota teploty je po každom prevode uložená v troch 8-bitových registroch,
• hodnotu referenčnej teploty (teplota obvodu) – výsledná hodnota je po každom prevode uložená v dvoch 8-bitových registroch,
•  signalizáciu prekročenia hornej a dolnej prahovej teploty – nastavená horná a dolná prahová teplota je porovnávaná s okamžitou hodnotou teploty. Výsledok porovnávania nastaví príslušný bit stavového registra, a pokiaľ nie je daná chyba maskovaná v maskovacom registri, vyvolá sa zmena úrovne na vývode/FAULT, ktorý je možné použiť na akustickú, optickú signalizáciu alebo vytvorenie jednoduchého termostatu,
• detekcia chybových stavov prostredníctvom stavového registra:
  • rozpojený termočlánok,
  • napätie na vývodoch termočlánku,
  • hodnota teploty termočlánku mimo požadovaného rozsahu,
  • hodnota referenčnej teploty mimo požadovaného rozsahu.

Obvody MAX31855 a MAX31856 sú jednoduchým hardvérovým riešením merania teploty pomocou termočlánkov v širokom rozsahu teplôt. Prepojenie obvodov pomocou sériovej zbernice SPI umožňuje rýchly prístup k registrom obvodov a umožňuje tiež pripojenie viacerých obvodov (termočlánkov) na jednu zbernicu. Jednoduché napájanie prevodníkov, priaznivý čas prevodu a štandardná zbernica predurčujú používanie týchto obvodov v monitorovacích a riadiacich procesorových aplikáciách.

Odkazy:

[1] „MAX31855“, „MAX31856“, http://www.maximintegrated.com

[2] Matthew Duff, Joseph Towey: Two Ways to Measure Temperature Using Thermocouples Feature Simplicity, Accuracy and Flexibility, http://www.analog.com