K-Typ-Thermoelement, Instrumentierungs-Operationsverstärker und Arduino

Ich versuche, ein Thermoelement vom Typ K mit einem 0-5 V Arduino Uno zu lesen.

Ich kann mein Thermoelement direkt mit einem Fluke-Messgerät in der Temperatureinstellung ablesen und bekomme den korrekten Wert von 21 °C, aber wenn ich zur mV-Einstellung schalte, lese ich auf meinem Fluke 0 mV. In ähnlicher Weise lese ich auf meinem Arduino alle 10 Messwerte 0 mV oder einige Mülltreffer (0,3xx mV, 1,9xx mV), so dass ich annehme, dass es sich um Rauschen handelt. Mein Raum hat 70 ° F oder 21 ° C, daher erwarte ich gemäß der K-Typ-Thermoelementtabelle 0,838 mV

Ich habe eine Testlast gemacht, die 0-54 mV erzeugt

Testbelastung

Der INA121P-Instrumentierungs-Operationsverstärker funktioniert wie erwartet und ergibt eine 50-fache Verstärkung meiner Testlast, wenn ich einen Rg = 1 kΩ-Widerstand zwischen den Pins 1 und 8 verwende.

Wie bereits erwähnt, wenn ich meine Testlast durch mein K-Typ-Thermoelement ersetze, lese ich 0 mV auf Vo (erwartet sollten 0,838 mV x 50 = 41,9 mV sein).

Schema K-Typ Thermoelement & INA121P

Ich habe mein Vergleichsstellen-Tref noch nicht in die Schaltung aufgenommen, aber ich habe meinen Thermistor mit der Steinhart-Hart-Gleichung in anderen Tests richtig gelesen.

In meinem Code werde ich die Verstärkung dividieren, um zu Vtc in mV zurückzukehren. Ich verwende die Koeffizienten vom Typ K , um die Kurve meines Thermoelements anzupassen.

Meine allgemeinen Fragen lauten:

  1. Muss ich damit rechnen, dass auf meinem TC 0 mV angezeigt werden, bis ich meine Vergleichsstelle hinzufüge?
    Antwort: Ja, da TC und Tref die gleiche Temperatur haben, tritt kein Unterschied auf. Danke @TimWescott
  2. Wie bekomme ich das "Rauschen" weg? Ist 0,01 μF im Stadion oder sollte ich diesen Wert ändern?
  3. Würden Sie Änderungen an meinem Ansatz empfehlen?
Benötigen Sie ein Datenblatt für Ihr Thermoelement.
Welche Spannung erwartest du? Um welche Art von Thermoelement handelt es sich? K?
@pipe Sorry Erster Beitrag. Ich dachte, die Thermoelemente und Operationsverstärker wären spezifisch.
@mkeith Ja Thermoelement vom Typ K. Ich erwarte 0,838 mV bei 21 °C, dann 50-fache Zunahme, also sollte Vo 41,9 mV betragen
Falls noch nicht geschehen, sollten Sie AN-28 lesen. analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/…
Ist das deine eigentliche Schaltung? Hast du sowohl +6V als auch -6V?
@JohnBirckhead Ja, ich habe das selbst gezeichnet, basierend auf meiner tatsächlichen Schaltung. Ich habe eine 12-V-Gleichstromversorgung und die Spannungsteilerformel mit 820 Ω für meine beiden Widerstände verwendet. Ich habe dann die Mitte mit Masse verbunden und mir +6 und -6 V für die Pins 7 bzw. 4 gegeben.
@mkeith Lese es jetzt, danke
Ihr Problem ist wahrscheinlich, dass das Thermoelement bis zur Schiene "schwimmen" darf. Versuchen Sie, ein Ende des Thermoelements an Ihre "Masse" zu binden, um es im Eingangs-Gleichtaktbereich des Verstärkers zu halten.
Tatsächlich weist der Kommentar von @JohnBirckhead auf die Tatsache hin, dass Sie keinen Instrumentationsverstärker benötigen, es sei denn, Sie benötigen eine Art Isolation.
@posop Danke für die Aktualisierung des Titels, es ist ein großartiger erster Beitrag. Du solltest die anderen sehen, die wir bekommen...
@TimWescott - Ich dachte, der Punkt eines Instrumentierungs-Operationsverstärkers sei, dass er schweben darf. Herumlesen Einige Leute raten davon ab, ein Ende des TC zu erden. Wie auch immer, ich werde versuchen, einen 1-MΩ-Widerstand von Pin 3 nach Masse hinzuzufügen und zu sehen, was das heute Abend bewirkt.
Ein Instrumentenverstärker funktioniert gut, wenn das, was Sie instrumentieren, auf eine andere Masse als Ihr Instrument bezogen ist, aber er funktioniert nur, solange diese Masse nahe genug ist. Wenn es an nichts gebunden ist, schwebt es nach oben (wie bei Ihnen); Wenn es an etwas ganz anderes gebunden ist, wird es Ihren Instrumentenverstärker sprengen.
Schauen Sie sich das Schema an, das Sie bereitgestellt haben, und Sie können sehen, dass "A1" und "A2" die Verstärkungsstufen darstellen. Diese können mit ihrem Ausgang auf die 6-Volt-Schiene treffen, wenn ihre Eingänge weit genug von Masse entfernt sind. In Ihrem Fall liegen wahrscheinlich beide Ausgänge an der einen oder anderen Schiene, was zu Ihrer Null-Volt-Antwort führt.

Antworten (2)

Sie benötigen einen DC-Pfad für die Vorströme im Verstärker, Sie könnten beispielsweise die Verbindungsstelle erden oder eine Leitung oder beide über einen relativ hochohmigen Widerstand mit Masse verbinden (das Thermoelement und die Leitungen liegen normalerweise weit unter 100 Ohm, daher jeder resultierende Fehler sollte minimal sein.

Um eine vorhersagbare Filterung zu erhalten, müssen Sie den Thermoelementleitungen eine gewisse Serienimpedanz hinzufügen. Versuchen Sie es mit 1 kΩ an jeder Leitung, 100 nF zwischen den Leitungen und 10 nF gegen Masse an jedem Eingang.

Sie sollten wahrscheinlich darüber nachdenken, den Ausgang des Verstärkers über Masse vorzuspannen, da es durchaus möglich ist, dass die "heiße" Verbindungsstelle eine niedrigere Temperatur hat als die kalte Verbindungsstelle, was zu einer negativen Spannung führt. Sie sollten auch die Spannung für das Arduino entsprechend klemmen (lesen Sie das Datenblatt für die MCU, um die Spezifikationen zu erhalten - Sie benötigen auch die MCU-Versorgungsspannung).

Normalerweise ist es wünschenswert, etwas Strom durch die Thermoelementverbindung zu leiten, um Unterbrechungen zu erkennen. Es gibt einen Kompromiss zwischen dem resultierenden Fehler aus diesem Strom mal dem Schleifenwiderstand der Thermoelementsonde und der Drähte gegenüber dem Strom, wenn Gleichstrom verwendet wird. Sie könnten es auch regelmäßig von der MCU aus pulsieren lassen, um einen defekten Sensor oder defekte Verbindungen zu erkennen, aber Ihr Frontend kann einige Zeit brauchen, um sich zu erholen.

Ich werde Absatz 1 & 2 heute Abend verkabeln. Korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege, aber ich glaube, ich habe meine Schaltung tatsächlich mit den 2 820-Ω-Widerständen vorgespannt. Ich kann negative Werte aus meinem Instrumentenverstärker herausholen, aber das wird mit dem Thermoelement-Polynom vom Typ K erledigt. negative Vo-Werte zeigen eine negative Temperatur an.
Wie geht Ihr ADC mit Spannungen unter der Erde oder zu hohen Spannungen um? Sie müssen es in digitale Form bringen, bevor Sie die digitale Kaltstellenkompensation und erst dann die Linearisierungsfunktion anwenden können. Die mV vom Sensor ist immer dann negativ, wenn die "heiße" Verbindungsstelle kühler ist als die Referenzverbindung (normalerweise die Klemmen am Instrument, die Sie mit Ihrem Thermistor messen werden).
Sie haben absolut Recht, ich habe die Dinge mit Ihren Vorschlägen verdrahtet und Vo wird nicht unter 0 V fallen. Können Sie eine einfache Möglichkeit empfehlen, meine Schaltung vorzuspannen? Ich bin mir nicht 100% sicher, ob ich negativ werden muss, aber es wäre schön, wenn die Dinge richtig funktionieren würden.
Am einfachsten ist es, die Referenz am In-Amp an eine gepufferte Spannung etwas über Masse anzuschließen. Es benötigt einen Operationsverstärkerpuffer (nur einen Spannungsfolger), da er nicht wie die anderen Eingänge hochohmig ist. Dann subtrahieren Sie diese Spannung digital.

Sie verstehen die Funktionsweise eines Thermoelements falsch. Ein Thermoelement erzeugt eine Spannung, die mehr oder weniger proportional zum Temperaturunterschied zwischen den Verbindungsstellen ist. Wenn Ihre "heiße" Verbindungsstelle bei 21 ° C liegt und Ihre "kalte" Verbindungsstelle ebenfalls bei 21 ° C liegt, ist die Differenzspannung Null.

Das Lesen von 0 V von einem Thermoelement im thermischen Gleichgewicht ist also genau richtig.

Aus der Thermodynamik ist dies offensichtlich, denn ein Thermoelement ist eine Wärmekraftmaschine – und Wärmekraftmaschinen können keinen Strom erzeugen, wenn es keinen Temperaturunterschied gibt.

Beachten Sie, dass die Tabelle von einer Vergleichsstelle von 0 °C ausgeht – nicht von 21 °C.

Sie müssen die Thermoelementspannung an Ihrer Platine messen, und Sie müssen unabhängig die Temperatur an dem Punkt messen, an dem das Thermoelement an Ihrer Platine befestigt ist (oder an welchem ​​​​Punkt auch immer Ihr Thermoelement in ein Paar Kupferleitungen übergeht). Dann müssen Sie die Temperaturdifferenz berechnen , die das Thermoelement zwischen Ihrer Platine misst, und diese dann zur gemessenen Platinentemperatur addieren .

Ich denke, das beantwortet Frage #1. Bis ich meine Kaltstellenkompensation hinzufüge, lese ich 0 mV -> 0 ° C. Macht perfekt Sinn. Nun zu den Geräuschen.
K-Typ-Thermoelement, Instrumentierungs-Operationsverstärker und Arduino
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