U jednom od prethodnih tekstova, u našoj sekciji Baza znanja, mogli ste da pročitate članak o termoparovima. U tom tekstu govorili smo o Sibekovom efektu, termoelektričnim zakonima, problemu hladnog spoja, koji se javlja pri merenju temperature termoparom itd. U ovom članku bavićemo se problemom obrade naponskog signala i njegove konverzije u digitalni oblik. Biće prikazano nekoliko potpuno različitih rešenja.
Kao što znamo, na krajevima termopara javlja se razlika potencijala reda veličine mikro-volta (μV). Bez adekvatne obrade, ovakav signal je gotovo neupotrebljiv. U tekstu ćemo se pozabaviti problemom “adaptacije” ovakvog signala, kako bi on mogao biti korišćen u aplikacijama baziranim na 8-bitnim mikrokontrolerima.
Postoje tri načina za prilagođavanje signala sa termopara, mikrokontroleru. Prvi način je korišćenje analognog pojačavača sačinjenog od standardnih operacionih pojačavača. Izlaz ovakvog pojačavača bi bio prilagođen A/D konvertoru mikrokontrolera. Drugi način se bazira na upotrebi integrisanog pojačavača. Takođe je reč o analognom pojačavaču, ali je on izveden kao integrisano kolo i namenjen je isključivo upotrebi kod termoparova. Najzad, treći način je Thermocouple-to-Digital konverter, integrisano kolo na čiji ulaz se povezuje termopar, a na izlazu se dobija vrednost temperature u digitalnom obliku. Krenimo redom.
Analogni pojačavač sačinjen od standardnih operacionih pojačavača
Na slici 1 prikazana je električna šema pojačavača namenjenog pojačanju napona generisanog na termoparu K-tipa. Osnovu pojačavača čini integrisano kolo MCP617, koje se sastoji od dva operaciona pojačavača. MCP617 se napaja jednosmernim naponom od 5V. Pojačavač sa komponentama čije su vrednosti prikazane na slici, ima pojačanje od 240. Ukoliko se koristi mikrokontroler sa 10-bitnim A/D konvertorom, vrednost dobijena nakon konverzije i podeljena sa 2, predstavlja temperaturu u °C. Kako bi se dobila tačna temperatura na kojoj se nalazi termopar, ovoj vrednosti potrebno je dodati i temperaturu “hladnog spoja” (cold joint). Najčešće je to temperatura ambijenta gde se nalazi sam kontroler. Nju možemo meriti pomoću termistora ili digitalnog senzora temperature (npr. DS1820). Pojačavač sa slike koristi se za merenje temperatura u opsegu od 0° do 500°C, a dobijena rezolucija je 0,5°C. Ako je potreban veći opseg merenja, potrebno je smanjiti otpornike R34 i R35, ali oni moraju ostati isti. Na primer, ukoliko želimo da nam opseg temperatura bude od 0° do 1000°C, potrebno je da vrednosti otpornika R34 i R35 budu 12 kΩ. Treba obratiti pažnju da će se ovom promenom proširiti opseg merenja, ali će se rezolucija smanjiti na 1°C.
Slika 1. Električna šema analognog pojačavača baziranog na MCP617 integrisanom kolu Analogni pojačavač baziran na upotrebi kola AD595
Integrisano kolo AD595 predstavlja pojačavač, namenjen pojačanju napona kod termoparova. U ovom kolu, pored pojačavača integrisana je i kompenzacija hladnog spoja, što u velikoj meri olakšava rad sa termoparovima. Kolo AD595 namenjeno korišćejnu sa termoparovima K-tipa, dok za termoparove J-tipa postoji drugo integrisano kolo sa oznakom AD594. Na slici 2 prikazana je jedna od mogućnosti upotrebe pojačavača AD595.
Slika 2. Upotreba pojačavača AD595Kolo je tako dizajnirano da je izlazni napon u opsegu od 0V do 5V, što linearno odgovara temperaturnom opsegu od 0° do 1100°C. Potrebno je jednosmerno napajanje opsega od 12V do 30V. Zbog tačnosti merenja otpornici treba da budu sa tolerancijom od 1%. Kako bi se koristili otpornici sa tolerancijom od 5% (pošto su dostupniji i jeftiniji), potrebno je multimetrom meriti vrednosti više otpornika, te pronaći one koji su najpribližniji zadatim vrednostima.
Upotreba Thermocouple-to-Digital konvertera
Na kraju, predstavimo i Thermocouple-to Digital konverter. To je integrisano kolo koje se direktno povezuje sa termoparom i koje mikrokontroleru šalje informaciju o temperaturi u digitalnom obliku. Ovo je najjednostavnije rešenje za merenje temperature pomoću termoparova, ali je i najskuplje, pošto su ovakvi konverteri poprilično skupi, a i teško dostupni u Srbiji. Ovakva kola u sebi sadrže kompenzaciju hladnog spoja, a takođe imaju i mogućnost da detektuju da je termopar isključen iz kola.
Kompanija Maxim Integrated u svojoj ponudi ima više ovakvih konvertora, a pomenućemo dva. Prvi konvertor nosi oznaku MAX6675 i namenjen je isključivo termoparovima K-tipa. Na izlazu daje signal 12-bitne rezolucije, a pomoću njega se može meriti temperatura opsega od 0° do 1024°C, sa rezolucijom od 0,25°C. Drugi konvertor koji ćemo pomenuti nosi oznaku MAX31855. On je namenjen upotrebi kod termoparova K-, J-, N-, T-, S-, R- i E-tipa i takođe sadrži kolo za kompenzaciju hladnog spoja. Pomoću njega se mogu meriti temperature od -270°C do 1800°C, sa rezolucijom od takođe 0,25°C. Njegov izlazni signal je 14-bitne rezolucije. Oba konvertera sa mikrokontrolerom komuniciraju preko SPI serijskog interfejsa. Povezivanje konvertora MAX6675 sa mikrokontrolerom prikazano je na slici 3. Konvertor MAX31855 se sa mikrokontrolerom povezuje na identičan način kao i MAX6675.
Slika 3. Načiin povezivanja Thermocouple-to Digital konvertora Zahvaljujemo se Bogdanu Kecmanu za ustupljenu šemu analognog pojačavača baziranog na integrisanom kolu MCP617.
