آموزش و پروژه سنسور دمای ترموکوپل نوع K

به نام خدا و با سلام خدمت همه دوستان

در این مطلب در مورد سنسور های دما با رنج اندازه گیری و بالا و برای سنجش دمای کوره ها صحبت خواهم کرد.

بهترین سنسور دما برای اندازه گیری دما تا ۱۱۰۰ درجه سنسور های دمای ترموکوپل هستند

این سنسور تحمل دمای خیلی بالا را دارد اما  انتظار دقت خیلی بالا نباید در دمای بالا ازش داشته باشید و همچنین سرعت پاسخ خیلی بالایی مثل سنسور مثلا ds18b20 ندارند  ولی سنسور خوبی هستند و عملکردشون مناسبه.

در این پروژه از سنسور دمای ترموکوپل نوع k استفاده میکنم و با دمای سنسور ds18b20 مقایسه میکنم.

اما اگر رنج اندازه دمای سیستم کمتر از ۵۰۰ درجه هستش میتونید از سنسور دمای RTD استفاده کنید که دقت و سرعت بهتری دارند.

ترموکوپل چیست :

ترموکوپل یکی از انواع مولد برق است. ترموکوپل دو فلز غیرهم‌جنس است که از یک طرف به‌هم متصل‌اند. برای تولید برق باید محل اتصال دو فلز را حرارت داد. در این صورت در دو سر دیگر که آزاد هستند برق تولید می‌شود. البته برقی که به این صورت تهیه می‌شود بسیار کم است. به این صورت که وقتی به محل اتصال این دو مفتول حرارت داده شود، اختلاف پتانسیلی در دو سر این مفتول‌ها بوجود می‌آید. این اختلاف پتانسیل تابع میزان حرارت اعمال شده‌است و بنابراین با بررسی میزان ولتاژ خروجی می‌توان درجه حرارت اعمال شده به ترموکوپل را تشخیص داد.

ترموکوپل یک ترانسدیوسر خود مولد است که از ایجاد دو یا چند اتصال بین فلزات با جنس متفاوت تشکیل شده‌است. بایستی توجه داشت که یک اتصال (اتصال سرد) بایستی دردمای مرجع قرار داده شود. به عنوان مثال اتصال مرجع را بایستی درظرف حاوی یخ در حال ذوب شدن نصب کرد(در پروژه ی ما نیازی به این کار نیست). اتصال دیگر ترموکوپل بایستی به جسمی که می‌خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم، کاملاً متصل شود. فلزات ترموکوپلی به طور کلی نسبت به قیمتی که دارند به دو گروه جداگانه تقسیم می‌شوند. این دو گروه تر موکوپل به ترموکوپل‌های فلزپایه و ترموکوپل‌های فلزات قیمتی معروفند.

امتیاز عمد‌ه‌ی ترموکوپل‌ها محدوده‌ی وسیع اندازه گیری آنهاست که به طور اسمی از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سانتیگراد را در برمی گیرد. دیگر امتیاز ترموکوپل‌ها، عملکرد خطی آنها در محدوده اندازه گیری است.

اگر قسمت کوچکی نوک جوشکاری شده ترموکوپل برداشته شده و ترموکوپل داخل خط لوله جاسازی شود، دمای سیال جاری درداخل لوله، بدون هیچگونه زحمتی قابل اندازه گیری است. این نوع سنسورها در بازار موجود هستند و غالباً جهت اندازه گیری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع ترموکوپل ها:

1. (CHROMEL-ALUMEL) ترموکوپل تیپ K
2. (IRON-CONSTANTAN) ترموکوپل تیپ J
3. (CHROMEL-CONSTANTAN ) ترموکوپل تیپ E
4. (COPPE-CONSTANTAN) ترموکوپل تیپ T
5. (NICROSIL-NISIL) ترموکوپل تایپ N
6. (PLATINUM/13% RHODIU-PLATINUM ) ترموکوپل تیپ R
7. (PLATINUM-PLATINUM /10%RHODIUM ) ترموکوپل تیپ S
8. ( PLATINUM/30% RHODIUM-PLATINUM/6% RHODIUM) ترموکوپل تایپ B

۱-توضیحات و دسته بندی ترموکوپل نوع k

ترموکوپل نوع K از سیم فلزی Ni-Cr (به نام تجاری کرومل Chromel) و Ni-Al (به نام تجاری آلومل Alumel) ساخته می شود.این ترموکوپل ارزان قیمت است و یکی از پرکاربردترین ترموکوپل ها می باشد. رنج عملکرد دمایی آن بین −۲۰۰ °C و +۱۳۵۰ °C و حساسیت آن تقریبا ۴۱  µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. ترموکوپل نوع K بخاطر استفاده از مس خاصیت ضد اکسیداسیون دارد لذا در کوره ها که اکسیداسیون رخ می دهد مناسب تر می باشد.ترموکوپل نوع k را در مدلهای زیر می سازند:

• سیمی
• کلگی دار
• فلنچ دار

ترموکوپل سیمی:

این نوع ترموکوپل از دو رشته سیم در یک روکش شیلد و یا سیلیکونی ساخته می شود و بیشترین سهم بازار را به عهده دارد و با سری های متنوعی بسته به نیاز مصرف کننده تولید می شود.

“مدل مورد استفاده ما در پروژه”

ترموکوپل کلگی دار

در این مدل که بیشتر مصرف صنعتی تری نسبت به نوع ترموکوپل سیمی دارد و دارای روکش معمولا استیل و یا سرامیکی می باشد و در انتهای آن یک کلگی که در داخل آن یک ترمینال سرامیکی می باشد و بیشترین مصرف آن در اندازگیری دمای کوره ها می باشد

ترموکوپل فلنچ دار

این نوع از ترموکوپل شبیه به ترموکوپل کلگی دار می باشد با این تفاوت که در وسط آن یک فلنچ اضافه شده است و برای منبع هایی که دارای فشار بار زیاد می باشد استفاده می شود.

محدوده دمایی ترموکوپل

جهت انتخاب نوع درست ترموکوپل برای مصرف باید در ابتدا به محدوده دمایی ترموکوپل دقت کرد.ترموکوپل تیپ k دارای محدوده دمایی ۱۸۰- تا ۱۳۰۰+ درجه سانتیگراد می باشد که جزوء بازترین محدوده دمایی در بین خانواده ترموکوپل ها می باشد

استاندارد ترموکوپل

ترموکوپل همانند دیگر سنسورهای دمایی دارای استاندارد کلاس A و B می باشد که ترموکوپل کلاس A دارای تلورانس دمایی(ضریب خطای دمایی) کمتری نسبت به کلاس B می باشد.

۲-(IRON-CONSTANTAN) ترموکوپل تیپ J

این ترموکوپل از فلز آهن Fe و آلیژهای مس – نیکل Cu-Niساخته می شود. رنج دمایی این ترموکوپل بین −۱۸۰ °C و +۷۵۰ °C است. به دلیل احتمال اکسید شدن آهن این ترموکوپل ، در صنایع قالب ریزی پلاستیک استفاده می شود. حساسیت ترموکوپل نوع J ، به اندازه ی ۵۵ µV/°Cاست و برای طرح های جدید توصیه می شود. در ترموکوپل نوع J به علت وجود آهن در مکانهایی که امکان اکسیداسیون وجود دارد استفاده نمی شود

۳-(CHROMEL-CONSTANTAN ) ترموکوپل تیپ E

ترموکوپل نوع E با استفاده از فلزات Ni-Cr (کرومل) و Cu-Ni (کنستانتان Constantan) ساخته می شود. محدوده ی عملکرد دمایی آن ، بین −۴۰ °C و +۹۰۰ °C است. این ترموکوپل با ۶۸ µV/°C بیشترین حساسیت را دارد و می توان از آن در کاربردهای خلاء و مواردی که حسگر در آن حفاظت نشده است ، استفاده کرد.

۴-(COPPE-CONSTANTAN) ترموکوپل تیپ T

ترموکوپل نوع T از مس Cu و آلیاژ نیکل – مس Cu-Ni (کنستانتان Constantan) ساخته می شود. محدوده ی عملکرد دمایی این نوع ترموکوپل ، بین −۲۵۰ °C و +۴۰۰ °C است. این ترموکوپل نسبتا ارزان و برای کاربردهای با دمای پایین مناسب است و در برابر رطوبت مقاومت خوبی دارد. حساسیت این ترموکوپل ، ۴۶ µV/°C است.ترموکوپل نوع T در صنعت به دلیل اینکه نسبت به تمام انواع ترموکوپل خطیتر است و رنج درجه حرارت مناسبی دارد و همچنین از حساسیت خوبی برخوردار است در صنعت بیشتر مورد استفاده میگیرد

۵-(NICROSIL-NISIL) ترموکوپل تایپ N

ترموکوپل نوع N از فلزهای Ni-Cr-Si (به نام تجاری نیکروسیل) و Ni-Si-Mg (به نام تجاری نیسیل Nisil) ساخته می شود. محدوده دمائی آن بین−۲۷۰ °C و +۱۳۰۰ °C است. حساسیت این ترموکوپل ، به اندازۀ ۳۰ µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

۶-(PLATINUM/13% RHODIU-PLATINUM ) ترموکوپل تیپ R

۷-(PLATINUM-PLATINUM /10%RHODIUM ) ترموکوپل تیپ S

۸-( PLATINUM/30% RHODIUM-PLATINUM/6% RHODIUM) ترموکوپل تایپ B

ترموکوپل نوع B ، ترموکوپل نوع S و ترموکوپل نوع R که با استفاده از Pt-Rh (پلاتین – رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می شود.قیمت آنها بالا و حساسیت آن بسیار کم و در حدود ۱۰ µV/°C و محدوده دمایی آن تقریبا +۰ °C و +۱۷۵۰ °Cاست. انواع این ترموکوپل ها در اندازه گیری با دمای بالا مثلا در صنعت شیشه و فولاد به کار می رود.

برای مقایسه بین انواع ترموکوپل رنج دمائی انواع ترموکوپل و همچنین تولرانس دمائی ترموکوپل کلاس یک را در جدول زیر ملاحظه فرمائید :

همچنین استاندارد تولرانس دمائی کلاس دو و برخی استاندارهای رایج رنگ بندی سیمهای انواع ترموکوپل را در جدول ترموکوپل زیر ملاحظه فرمائید :

سنسور دمای RTD :

سنسور دمای RTD اندازه گیری دمای فرآیند را تقریبا همگی می شناسند. این سنسورها، ابزارهای جدایی ناپذیر در کنترل فرآیند بشمار می آیند و هر مهندس اتوماسیون یا ابزار دقیق چه در مرحله طراحی، راه اندازی و یا بهره برداری سیستم، ممکن است که با آنها سرو کار داشته باشد. اما همیشه یک موضوع گیج کننده در زمینه انتخاب نوع سنسور وجود دارد. یادداشت امروز در حقیقت راهنمای انتخاب مناسب ترین سنسور برای اندازه گیری دما می باشد و لذا در این یادداشت سعی خواهیم کرد تا نکات کلیدی در انتخاب یک RTDو thermocoupleرا مرور کنیم.
۲- سنسور دمای RTD چیست؟
RTD مخفف Resistance Temperature Detector به معنی حسگر مقاومتی دما می باشد. RTDها از نوع سنسورهای خطی در اندازه گیری دما می باشند که سیگنال خروجی شان به صورت یک سیگنال مقاومتی است. مقاومت اندازه گیری شده را می توان با استفاده از جداول و روش های استاندارد به مقدار دمای متناظرش تبدیل نمود. رایج ترین نوع سنسورهای ، RTD سنسورهایی از جنس پلاتین هستند که با نام PT100 در صنعت شناخته میشوند. این سنسورها میتوانند در انواع دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه تولید شوند که نوع سه سیمه از بقیه رایج تر است (تعادل بین دقت و قیمت.) معمولا رنگ دو سیم در RTDیکسان است و سیم سوم رنگ دیگری دارد. متاسفانه هیچ استانداردی برای رنگ بندی سیمها در RTD وجود ندارد و هر تولید کننده استاندارد خودش را دارد.
مزایا: دقت بالا، پایداری، تکرار پذیری و عمر طولانی
معایب : قیمت بالا، زمان پاسخگویی پایین، رنج دمایی کوچک (برای دماهای خیلی پایین و خیلی بالا مناسب نیست.)

نحوه انتخاب سنسور مناسب :

• کمتر از ۲۲۲درجه سانتیگراد:
  هر دو سنسور RTD و thermocouple قابل استفاده هستند.
  
• بین ۲۲۲ درجه و ۵۲۲ درجه سانتیگراد:
  شما احتمالا به یک thermocouple احتیاج خواهید داشت.
  
• بیشتر از ۵۲۲ درجه سانتیگراد:
  برای کاربردهایی که دمای فرآیند بالا دارند، به thermocouple نیاز دارید. RTD ها در این دما عملکرد درستی ندارند.

دقت اندازه گیری

• دقت مورد نیاز ±( %۲٫۱یک دهم درصد) یا ±( %۲٫۲۱یک صدم درصد)  تنها یک RTD میتواند چنین سطح دقتی را به شما ارائه کند.
  
• دقت مورد نیاز ± ±( %۱یک درصد) یا بزرگتر
  اگر میزان دقت برای شما اهمیت بالایی ندارد و یا اینکه به یک سنسور سخت جان (ruggedا )حتیاج دارید تا در کاربردهای با لرزش بالا دوام بیاورد، ترموکوپل برای شما مناسب است.

در ادامه برای راه اندازی سنسور دمای ترموکوپل نوع k دو راه وجود دارد:

۱-استفاده از اپ امپ و چند مرحله تقویت سیگنال خروجی و اتصال به adc میکرو و کالیبره کردن آن

۲-استفاده از آی سی مخصوص ترموکوپل نوع k  به نام MAX6675 (به صورت ماژول به فروش میرسد .لینک فروشگاه.)

این ماژول که به همراه یک ترموکوپل نوع k است که با  اتصال به یک میکرو کنترلر راه اندازی میشود، در واقع با این پکیج میتوان دما را تا ۱۰۲۴ درجه ی سانتی گراد اندازه گیری کرد. خروجی ماژول دیجیتال بوده،داده ها به صورت  ۱۲ بیتی و سازگار با  پروتکل ارتباطیSPI  می باشد.

مشخصات:

پکیج: ۸ SO
ولتاژ تغذیه: ۳ تا ۵ ولت
جریان  راه انداز:     ۵۰mA
امپدانس ورودی: ۶۰ kohm
رنج دمای ترموکوپل:۰  تا ۱۰۲۴ درجه ی سانتی گراد
دقت دما: ۰٫۲۵ درجه ی سانتی گراد
سنسور مورد نیاز: K Thermocouple
پروتکل ارتباطی:  SPI

شرح پروژه :

در این پروژه توسط میکروکنترلر از طریق SPI دیتای سنسور را باید در دو قالب ۸ بیت و ۴ بیت از سنسور دریافت کند و و آن هارا در یک متغیر ۱۶ بیتی به شما بدهد

همانطور که مشاهده میکنید سنسور دمای ترموکوپل در کنار سنسور دمای DS18B20 راه اندازی شده و مقادیر یکسانی دارند

در بخش زیر با استفاده از هویه مقدار دمای سنسور ترموکوپل تا ۲۰۰ درجه بالا رفته است:

این پروژه به زبان c در کامپایلر کدویژن و برای میکروکنترلر atmega8 نوشته شده است.

برای دریافت پروژه میتوانید از طریق لینک زیر اقدام کنید: