STREDNÁ  PRIEMYSELNÁ  ŠKOLA  J.  MURGAŠA  BANSKÁ  BYSTRICA                          Elektrotechnické  laboratóriá

Odbor:

Dátum merania:

Trieda:

Dátum odovzdania:

Skupina:

Vyučujúci:

Laboratórium:

Klasifikácia:

Známka:

Podpis:

Meno a priezvisko žiaka:

LABORATÓRNE  CVIČENIE  č. 32 Meranie teploty s termočlánkom typu K

OBSAH:

1. Názov cvičenia a jednotlivých úloh.

2. Súpis prístrojov a pomôcok pri meraní.

3. Popis meracej metódy a schéma merania.

4. Tabuľky a grafy nameraných a vypočítaných hodnôt.

5. Vyhodnotenie merania.

1. NÁZOV CVIČENIA:

Meranie teploty s termočlánkom typu K

Úlohy      a)

Oboznámte sa s hardvérovým a softvérovým riešenia meracieho prípravku

b)

Vykonajte merania teploty vody pri jej rôznych hodnotách

c)

Overte výpočet teploty z výstupného datastreamu  interfejsového obvodu MAX6675

d)

Overte lineárnu charakteristiku snímača teploty na báze termočlánku typu K

e)

2.SÚPIS POUŽITÝCH PRÍSTROJOV

Prístroj – pomôcka

Typové označenie a rozsah

Výrobca

Inventárne číslo

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Nedostatky pri hodnotení (zapíše vedúci merania  učiteľ):

3. Popis meracej metódy a schéma merania

Termočlánok

Termočlánok, tiež známy ako „termoelektrický teplomer“, je elektrické zariadenie pozostávajúce z dvoch rôznych elektrických vodičov tvoriacich elektrický spoj . Termočlánok vytvára v dôsledku Seebeckovho efektu napätie závislé od teploty a toto napätie možno interpretovať ako meranie teploty. Termočlánky sú široko používané ako snímače teploty. Na rozdiel od väčšiny iných metód merania teploty sú termočlánky samonapájacie a nevyžadujú žiadnu externú formu budenia. Hlavným obmedzením termočlánkov je presnosť; Systémové chyby menšie ako jeden stupeň Celzia (°C) môžu byť ťažko dosiahnuteľné.  Termočlánky sú široko používané vo vede a priemysle. Aplikácie zahŕňajú meranie teploty pre pece , výfukové plyny z plynových turbín , dieselové motory a iné priemyselné procesy. Termočlánky sa tiež používajú v domácnostiach, kanceláriách a podnikoch ako snímače teploty v termostatoch a tiež ako snímače plameňa v bezpečnostných zariadeniach pre plynové spotrebiče.

Seebeckov efekt

Seebeckov efekt sa týka vývoja elektromotorickej sily cez dva body elektricky vodivého materiálu, keď je medzi týmito dvoma bodmi teplotný rozdiel.

Termočlánok typu K ( chromel – alumel )

Termočlánok typu K ( chromel – alumel ) v štandardnej konfigurácii merania termočlánkom je na obrázku . Namerané napätie V možno použiť na výpočet teploty Tsense za predpokladu, že teplota Tref je známa. Typ K ( chromel – alumel ) je najbežnejší univerzálny termočlánok s citlivosťou približne 41 μV/°C. Je lacný a k dispozícii je široká škála sond v rozsahu -200 °C až +1350 °C (-330 °F až +2460 °F).

Obrazok 1  Termočlánok typu K ( chromel – alumel). Zdroj: [1]

Obrazok 2 MAX6675  termočlánkovo-digitálny prevodník so zabudovaným 12-bitovým analógovo-digitálnym prevodníkom. Zdroj: [3]

Podrobný opis MAX6675

MAX6675 je sofistikovaný termočlánkovo – digitálny prevodník so zabudovaným 12-bitovým analógovo-digitálnym prevodníkom (ADC). MAX6675 obsahuje aj snímanie a korekciu kompenzácie studeného spoja, digitálny radič, rozhranie kompatibilné s SPI a súvisiacu riadiacu logiku.MAX6675 je navrhnutý na spoluprácu s externým mikrokontrolérom (µC)  – viď. obrázok 2 alebo inou inteligenciou v termostatických, procesných alebo monitorovacích aplikáciách.

Konverzia teploty

MAX6675 obsahuje hardvér na úpravu signálu na konverziu signálu termočlánku na napätie kompatibilné so vstupnými kanálmi ADC. Vstupy T+ a T- sa pripájajú k vnútornému obvodu, ktorý znižuje vnášanie chýb šumu z termočlánkových vodičov. Pred prevodom termoelektrických napätí na ekvivalentné hodnoty teploty je potrebné kompenzovať rozdiel medzi stranou studeného spoja termočlánku (teplota okolia MAX6675) a virtuálnou referenciou 0 °C. Pre termočlánok typu K sa napätie mení o 41 µV/°C, čo aproximuje charakteristiku termočlánku pomocou nasledujúcej lineárnej rovnice:

VOUT = (41µV / °C) x (TR – TAMB)

Kde:

VOUT je výstupné napätie termočlánku (µV).

TR je teplota vzdialeného prechodu termočlánku (°C).

TAMB je teplota okolia (°C).

Kompenzácia studeného prechodu

Funkciou termočlánku je snímať rozdiel teplôt medzi dvoma koncami vodičov termočlánku. Teplý spoj termočlánku možno snímať v rozsahu od 0 °C do +1023,75 °C. Studený koniec (teplota okolia dosky, na ktorej je MAX6675 namontovaný) sa môže pohybovať len v rozsahu od -20 °C do +85 °C. Zatiaľ čo teplota na studenom konci kolíše, MAX6675 naďalej presne sníma teplotný rozdiel na opačnom konci. MAX6675 sníma a koriguje zmeny okolitej teploty pomocou kompenzácie studeného spoja. Zariadenie prevádza teplotu okolia na napätie pomocou diódy snímajúcej teplotu. Na vykonanie skutočného merania teploty termočlánku meria MAX6675 napätie z výstupu termočlánku a zo snímacej diódy. Vnútorné obvody zariadenia odovzdávajú napätie diódy (snímanie teploty okolia) a napätie termočlánku (snímanie vzdialenej teploty mínus teplota okolia) konverznej funkcii uloženej v ADC na výpočet teploty horúceho spoja termočlánku. Optimálny výkon MAX6675 sa dosiahne, keď termočlánok studeného spoja a MAX6675 majú rovnakú teplotu. V blízkosti MAX6675 neumiestňujú  zariadenia alebo komponenty generujúce teplo pretože to môže spôsobiť chyby súvisiace so studeným spojom.

Digitalizácia  pomocou ADC

Digitalizácia ADC sčíta meranie diódy studeného spoja so zosilneným napätím termočlánku a odčíta 12-bitový výsledok na pin SO. Postupnosť všetkých núl znamená, že údaj termočlánku je 0 °C. Postupnosť všetkých jednotiek znamená, že hodnota termočlánku je +1023,75 °C.

Sériové rozhranie SPI (Serial Parallel Interface)

Typické aplikačné zapojenie SPI ukazuje prepojenie MAX6675 (komunikačná rola SLAVE) s mikrokontrolérom –  v našom  prípade je to jednodoskový počítač ARDUINO (komunikačná rola MASTER) – viď. aj obrázky 2 a 3. V tomto príklade MAX6675  spracováva údaje z termočlánku a prenáša ich prostredníctvom sériového rozhrania ARDUINO . ARDUINO nastaví výstupný signál CS = LOW a aplikujte hodinový signál na SCK tak, aby sa výsledky čítali na SO. Vynútením CS LOW sa okamžite zastaví akýkoľvek proces konverzie. Vynútením CS na vysokú hodnotu sa spustí nový proces konverzie. Vynútením CS na nízku úroveň sa pripraví prvý bit na pin SO. Kompletné čítanie sériového rozhrania vyžaduje 16 hodinových cyklov SCK . Čítajte 16 výstupných bitov na klesajúcej hrane hodín. Prvý bit, D15, je fiktívny znamienkový bit a je vždy nulový. Bity D14-D3 obsahujú prepočítanú teplotu v poradí od MSB po LSB. Bit D2 je normálne nízky a pri otvorenom vstupe termočlánku je vysoký. D1 je nízky, aby poskytol identifikátor zariadenia MAX6675, a bit D0 je trojstavový. Na obrázku 3 je protokol sériového rozhrania a na obrázku 4 je výstup SO s umiestnením MSB a LSB bitu.

Obrazok 3 Sériové rozhranie SPI (Serial Parallel Interface)

Obrazok 4 je výstup SO s umiestnením MSB a LSB bitu.

4. Tabuľky a grafy nameraných a vypočítaných hodnôt

V tabuľke 1 sú zaznamenané namerané údaje teploty K-typom termočlánku, kde dáta boli spracované obvodom MAX6675. Referenčný teplomer bol TP101 s presnosťou merania +-1st.C. V stĺpci sme zaznamenali aj surový „raw“ bitový stream na výstupe obvodu MAX6675.  

Tabulka 1 :  Vstupne hodnoty z MERANIE č.32 S PRÍPRAVKOM č.2
Meranie	TP101, ref. teplomer [°C]	Termočlánok K – typ, vypoč. [°C]	Termočlánok   K – typ, výst.bit stream [Hex]
1	6,4	7	0x0E0
2	6,4	7,25	0x0E8
	6,9	7,5	0x0F0
3	21,9	23	0x2E0
	21,9	23,25	0x2E8
4	29,2	30,26	0x3C8
	29,2	30	0x3C0
5	67	67	0x860
	67	67,5	0x870

Tabuľka 2 prezentuje spracovanie nameraných údajov. Stĺpec Logicky bitovy posun doprava 3x [HEX] ukazuje výsledok logického posunu vľavo údajov v stĺpci Termočlánok   K – typ, výst.bit stream [Hex]. V stĺpci Z bitoveho streamu vypocitaná teplota v EXCEL-I [st.C]  sú vypočítané teploty podľa trojčlenky uvedenej v tabuľlke 4.

Meranie	TP101, ref. teplomer [°C]	Termočlánok K – typ, vypoč. [°C]	Termočlánok   K – typ, výst.bit stream [Hex]	Logicky bitovy posun doprava 3x [HEX]	Logicky bitovy posun doprava 3x [DEC]	Z bitoveho streamu vypocitana teplota v EXCEL-I [st.C]
1	6,4	7	0x0E0	0x01C	28	7
2	6,4	7,25	0x0E8	0x01D	29	7,25
	6,9	7,5	0x0F0	0x01E	30	7,5
3	21,9	23	0x2E0	0x05C	92	23
	21,9	23,25	0x2E8	0x05D	93	23,25
4	29,2	30,26	0x3C8	0x079	121	30,25
	29,2	30	0x3C0	0x078	120	30
5	67	67	0x860	0x10C	268	67
	67	67,5	0x870	0x10E	270	67,5

Tabulka  3:  Trojclenka pre vypocet teploty  z MERANIA č.32 S PRÍPRAVKOM č.2
4095	ADU	…………	1023,75	st.C
ziskana hodnota z MAX6675	ADU	……..	x	st.C

5. Vyhodnotenie merania

Vykonali sme porovnávacie merania teplôt v pomerne úzkom rozsahu teplôt – termočlánok typu K má rozsah ďaleko širší. Porovnaním teplôt získaných referenčným teplomerom a teplôt zmeraných  typom termočlánku v spolupráci s obvodom MAX6675 v našom meracom prípravku konštatujeme vysokú zhodu referenčných a zmeraných teplôt a správnu činnosť obvodu MAX6675.    

6. Informačné zdroje

             1. Wikipedia: Thermocouple [1]

             2. Teoria snimacov teploty a ich kategorizacia: [2] kap.6.18 a 6.23

             3. Datasheet k interfejsovemu obvodu MAX6675 [3][4]

             4. Interfacing K-type thermocouple with Arduino [5]             

             5. Elektricke zapojenie meracieho pripravku [6] 

             6. Softverove riesenie mearcieho pripravku: [7]

             7. Programatorska kalkulacka vo Windows: [8]  

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple

[2] c:\Users\uzivatel\Downloads\__WORK_SPSJM\GoogleDrive_Mirror\Predmet_ELM_teoria\230906 Vybrane knihy k Elektrotechnickym meraniam\2_S. Salivahanan – Basic Electrical, Electronics and Measurement(2018)\ENG verzia\S. Salivahanan – Basic Electrical, Electronics and Measurement Engineering (2018).pdf

[3] https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/MAX6675.pdf

[4] Google Drive:  … \WORK_2 NEVEL Meranie teploty v priemysle\ZDROJE\MAX6675 datasheet.pdf

[5] Google Drive:  … \WORK_2 NEVEL Meranie teploty v priemysle\ZDROJE\Arduino-and-Thermocouple-K-MAX6675.pdf

[6] Google Drive:  … \WORK_2 NEVEL Meranie teploty v priemysle\ZDROJE\230814 MERACI PRIPRAVOK c.2 Thermocouple TC & MAX6675  & LCD ver.B.pdf

[7] Google Drive:  … \WORK_2 NEVEL Meranie teploty v priemysle\ZDROJE\BETA_thermocouple_230916.ino

[8] Aplikacia „calc“