Нам известно, что на выходе термопары полученное напряжение очень низкое, и Arduino не может его измерить.
Для решения данной проблемы нам нужно собрать усилитель термопары, чтобы выходное напряжение было около 5 вольт при 1000 градусах температуры. Сделал данный опыт на микросхеме LM358 и собрал усилитель для термопары. Стал делать опыты на усилетеле. Добился результатов, которые на видео. Если результаты получатся удовлетворительными, буду делать модуль для термопары, чтобы подключить его к Arduino.
Усилитель термопары на LM358. На опытах используется термопара КТХК -40. 400 С.
Несколько лет назад я столкнулся с необходимостью измерения температуры с помощью термопар. Существенно мне помог в этом один человек, которому я до сих пор благодарен. Не сильно вдаваясь в теоретические аспекты, хочу предложить простой вариант усилителя термопары. Этот усилитель повторили несколько человек и тоже были получены хорошие результаты.
Основная схема.
Основа усилителя взята из технического описания на операционный усилитель ОР213. Данный ОУ можно отнести к точным ОУ с малым тепловым дрейфом нуля
Сразу скажу, что на фирменной схеме допущена досадная ошибка. Точка соединения резисторов R8 и R6 должна быть исключена. Схема позволяет измерять температуру в диапазоне 0 – 1000 о С с точностью 0,02 о С при применение данного ОУ и термопары К-типа. Эта термопара обладает наиболее близкой к прямой термоэлектрической характеристикой. Термоэлектроды изготовлены из сплавов на никелевой основе. Хромель (НХ9,5) содержит 9. 10 %Сг; 0,6. 1,2 % Со; алюмель (НМцАК) — 1,6. 2.4 % Al, 0.85. 1,5 Si, 1,8. 2,7 % Mn. 0.6. 1.2 % Со. Алюмель светлее и слабо притягивается магнитом; этим он отличается от более темного в отожженном состоянии совершенно немагнитного хромеля. Благодаря высокому содержанию никеля хромель и алюмель лучше других неблагородных металлов по стойкости к окислению. Учитывая почти линейную зависимость термоЭДС термопары хромель — алюмель от температуры в диапазоне 0. 1000°С, ее наиболее часто применяют в терморегуляторах.
Подключение электродов термопары к разъемам платы усилителя образует еще один источник термоЭДС (холодный спай) напряжение на котором вносит существенную ошибку в истинные показания. Для устранения этой погрешности применяют разные методы. В данном случае для компенсации напряжения холодного спая применен простой и эффективный способ. Как можно ближе к разъему подключается кремневый диод. Известная зависимость тока p-n перехода от температуры позволяет сформировать компенсационное напряжение для коррекции ошибки холодного спая.
ОУ питается напряжением +12В, максимальное выходное напряжение ОУ будет составлять, за счет внутреннего падения напряжения, чуть больше 10В. Схема на ОУ представляет усилитель с ОС с коэф. усиления около 200. Резистор R6 осуществляет балансировку опорного напряжения ОУ ( установку нуля).
Точный стабилизатор напряжения REF02EZ позволяет получить из напряжения питания стабилизированное напряжение для питания входных делителей ОУ с точностью около 1мВ.
Значения резисторов, особенно входных делителей, должны быть как можно точней соответствовать указанным на схеме.
Практическая реализация.
Всем хороша данная схема, но комплектующие не дешевы, а заявленная точность не всегда нужна в большинстве случаев. Самое распространенная задача, это измерять температуру до 400 о С с точностью +/- 1-2 о С. Под эту задачу и была разработана простая и дешевая схема.
Не используется опорный стабилизатор, Применен более дешевый и распространенный ОУ LM358. Напряжение питания 5В, поэтому максимально можно измерить реально 375 оС. Относительно большой температурный дрейф ОУ определяет ошибку измерения, не более 2 оС. Для увеличения помехоустойчивости по переменному току применен конденсатор С1. Резистором R12 можно корректировать коэф усиления в зависимости от применяемой термопары. В диапазоне до 400 оС многие типы термопар достаточно линейны, поэтому появляется возможность применения любой подходящей термопары. Хорошие результаты получаются с термопарами от цифровых мультиметров. Так как микросхема LM358 содержит два ОУ, то удобно реализовать на одной микросхеме двухканальный вариант.
Особенности при изготовлении.
Термокомпенсационный диод желательно разместить снизу печатной платы, так чтобы его корпус был как можно физически был ближе к разъему. Хорошо применить термопасту. Резисторы можно применить как SMD типа, так и обычные 0,125 Вт. Я обычно применяю последовательно соединенные резисторы стандартного ряда.
2,74К=2,7К+39
53,6=27+27
3,95К=3,9К+51
Калибровка
В домашних условиях калибровка проще всего сделать по двум точкам 0 и 100 градусов. Термопара погружается в талую воду, выставляется показания 0 градусов R6. Термопара погружается в кипящую воду, выставляется показания 100 градусов R12. Еще раз проверить 0 и 100, при необходимости подкорректировать. Можно проверить температуру тела 36,6 градусов.
LM358 цоколевка
Так как LM358 имеет в своем составе два операционных усилителя, у каждого по два входа и один выход (6 — выводов) и два контакта нужны для питания, то всего получается 8 контактов.
LM358 корпусируются как в корпуса для объемного монтажа (LM358N — DIP8), так и в корпуса для поверхностного монтажа (LM358D — SO8). Есть и металлокерамическое исполнение для особо тяжелых условий работы. Я применял LM358 только для поверхностного монтажа – просто и удобно паять.
Аналоги LM358
Полные аналоги LM358 от разных производителей NE532, OP04, OP221, OP290, OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C. Для LM358D — KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G.
Вместе с LM358 выпускается большое количество похожих операционных усилителей. Например LM158, LM258, LM2409 имеют аналогичные характеристики, но разный температурный диапазон работы.
| Тип | Минимальная температура, °C | Максимальная температура, °C | Диапазон питающих напряжений, В |
| LM158 | -55 | 125 | от 3(±1,5) до 32(±16) |
| LM258 | -25 | 85 | от 3(±1,5) до 32(±16) |
| LM358 | 70 | от 3(±1,5) до 32(±16) | |
| LM358 | -40 | 85 | от 3(±1,5) до 26(±13) |
Если диапазона 0..70 градусов не хватает, то стоит применить LM2409, однако следует учитывать что у неё диапазон питания уже:
Кстати если нужен только один операционный усилитель в компактном 5 выводном корпусе SOT23-5 то вполне можно применить LM321, LMV321 (аналоги AD8541, OP191, OPA337). Наоборот, если нужно большое количество рядом расположенных операционных усилителей, то можно применить счетверенные LM324 в 14 выводном корпусе. Можно вполне сэкономить пространство и конденсаторы по цепям питания.
Описание микросхемы LM358
Подтверждением высокой популярности микросхемы являются ее рабочие характеристики, позволяющие создавать много различных устройств. К основным показательным характеристикам компонента следует отнести нижеследующие.
Приемлемые рабочие параметры: в микросхеме предусмотрено одно и двухполюсное питание, широкий диапазон напряжений питания от 3 до 32 В, приемлемая скорость нарастания выходного сигнала, равная всего 0,6 В/мкс. Также микросхема потребляет всего 0,7 мА, а напряжение смещения составит всего 0,2мВ.
Читать также: Обмотка двигателя славянка схема
LM358 схема включения: дифференциальный усилитель
Эта схема дифференциального усилителя с высоким входным сопротивление, может применятся для измерения напряжении источников с высоким внутренним сопротивлением. При условии, что R1/R2=R4/R3, выходное напряжение можно рассчитать как: Uвых = (1+R4/R3)(Uвх1 – Uвх2). Коэффициент усиления соответственно будет равен: (1+R4/R3). Для R1 = R2 = R3 = R4 = 100 кОм, коэффициент усиления будет равен 2.
Усилитель сигнала термопары
Библиографическое описание:
Галимуллин, Н. Р. Усилитель сигнала термопары / Н. Р. Галимуллин, Н. Т. Хайруллина. — Текст : непосредственный // Исследования молодых ученых : материалы III Междунар. науч. конф. (г. Казань, октябрь 2021 г.). — Казань : Молодой ученый, 2021. — С. 1-3. — URL: https://moluch.ru/conf/stud/archive/349/15255/ (дата обращения: 01.08.2021).
Данная статья посвящена разработке устройства усиления сигнала термопары.
Ключевые слова: термопара, терморегулировка, нихромовая спираль.
Помимо задачи контроля температуры бывает необходимо обеспечить ее регулирование или поддержание на каком-либо заданном уровне. Поэтому становится важным обеспечить согласование блока измерения температуры и нагревателя, в качестве которого может использоваться нихромовая спираль. Для работы нагревателя нужно усилить сигнал с блока измерения по мощности, поэтому в состав устройства терморегулирования входит также усилитель мощности.
В данной статье рассматриваются различного рода термопары, которые часто являются основным видом датчиков температуры. Разрабатывается усилитель сигнала термопары и усилитель мощности для управления нагревательным элементом.
Электрическая схема блока измерения температуры и блока нагрева показаны на рисунках 1 и 2. Рассмотрим их по отдельности.
Термопары типа S — наиболее широкодиапазонные и стабильные, поэтому они получили широкое распространение [1]. Однако им присущ серьезный недостаток: крайне малый коэффициент преобразования, всего 5,88 мкВ/°С при 20°С (у термопары типа J — 51,45 мкВ/°С, типа К — 40,28 мкВ/°С). Поэтому при не очень больших температурах (менее 500°С) вырабатываемый ими сигнал крайне мал. Усилитель должен хорошо подавлять 50-герцовый сигнал и иметь стабильное дифференциальное усиление. Его входное сопротивление должно быть достаточно высоким (более 10 кОм).
Рис. 1. Блок измерения температуры
Мы разработали схему (Рис 1), которая позволяет решить указанные проблемы. Она представлена в виде дифференциального усилителя с Т-образной цепью обратной связи, который имеет достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению (200) и достаточно большое входное сопротивление. В качестве операционного усилителя лучше всего применить прецизионный усилитель с крайне малым смещением (менее 10 мкВ) и столь же малым температурным дрейфом (меньше 100 нВ/°С). К таким усилителям относятся LTC1050, LTC1052 фирмы Linear Technology, ICL7650, ICL7652 фирм Intersil и Maxim, а также AD8551 от Analog Devices. Питающее напряжение (от +UПИТ до -UПИТ) данного усилителя 12 В.
Шунтирующие конденсаторы на входе усилителя ослабляют ВЧ-радиопомехи (поскольку у соединительных проводов термопар достаточно большая длина).
Микросхема AD590 которая находится в тепловом контакте с опорным спаем, используется в качестве датчика температуры, вырабатывая ток, пропорциональный ее абсолютной температуре (1 мкА/°С). Температуре 0°С соответствует абсолютная температура 273 К, и следовательно, AD590 выработает ток 273 мкА; температуре 25°С — соответственно 298 К и 298 мкА, и т. д.
Так как основной усилитель DA2 имеет коэффициент усиления 200, то компенсирующее напряжение, вырабатываемое усилителем DA1, должно составлять 200 • 5,88 = 1,176 мВ/°С. Это обеспечивается включением в обратную связь DA1 резистора сопротивлением 1,176 кОм.
Если опорный спай находится при температуре 0°С, на выходе DA1 должно присутствовать нулевое напряжение, так как при нулевой температуре опорного спая коррекция не нужна. Однако AD590 в этом случае вырабатывает ток 273 мкА, который, проходя через резистор сопротивлением 1,176 кОм, создает на нем падение напряжения 0,321 В. Для того чтобы скомпенсировать этот сигнал, на неинвертирующий вход DA1 подается напряжение с делителя напряжения R2-R4, формирующего совместно с прецизионным стабилитроном VD1 (LM336Z-2.5) требуемое напряжение. Точная регулировка осуществляется подстроечным резистором R4.
При использовании термопар других типов необходимо пересчитать значение сопротивления R5 и корректирующего напряжения на неинвертирующем входе DA1, что может потребовать применения более высоковольтного источника опорного напряжения.
Основой блока нагревателя служит нагревательный элемент в качестве которого используется нихромовая спираль, а сам блок представляет собой усилитель мощности постоянного тока. Управляющее напряжение поступает с выхода блока измерения температуры и поступает на вход усилителя, где усиливается по мощности и затем подается на нагревательный элемент. Таким образом, напряжение на нагревательном элементе и мощность, рассеиваемая им (температура нагрева спирали) зависит от управляющего напряжения. Усилитель мощности собран по типовой схеме. Входная часть собрана по схеме дифференциального усилителя (DA1), у которого один вход подключен к общему проводу. Выходная часть собрана по схеме бустера напряжения на транзисторах VT1-VT6.
Выходное напряжение усилителя может изменяться в пределах от +16 В до –16 В.
Рис. 2. Схема блока нагрева
Данный электронный блок является законченным и может работать как самостоятельно в качестве регулятора температуры, так и в составе электронной системы, где требуется термостатирование или терморегулировка.
Литература:
- ГОСТ Р 8.585–2001. ГСИ. Термопары Номинальные статические характеристики.
Основные термины
(генерируются автоматически)
: нагревательный элемент, усилитель мощности, опорный спай, абсолютная температура, вход усилителя, входное сопротивление, дифференциальный усилитель, обратная связь, резистор сопротивлением, термопара типа.
LM358 схема включения: дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления
Стоит отметить, что предыдущая схема не позволяет подстраивать коэффициент усиления, так как требует одновременного изменения двух резисторов. Если необходимо иметь возможность регулировки коэффициента усиления в дифференциальном усилителе, то можно воспользоваться схемой на трех операционных усилителях. В данной схеме подстройка коэффициента усиления осуществляется за счет регулировки резистора R2. Для этой схемы нужно соблюсти условия равенства значений сопротивлений резисторов: R1 = R3 и R4 = R5 = R6 = R7. Тогда коэффициент усиления будет равен: (1+2*R1/R2). Uвых = (1+2*R1/R2)(Uвх1 – Uвх2).
Популярные схемы на lm358
Существуют различные устройства, собранные на LM358 N , выполняющие определенные функции. При этом это могут быть всевозможные усилители как УМЗЧ, так и в промежуточных цепях измерений различных сигналов, усилитель термопары LM358, сравнивающие схемы, аналого-цифровые преобразователи и прочее.
Неинвертирующий усилитель и источник опорного напряжения
Это самые популярные типы схем подключения, применяемые во многих устройствах для выполнения различных функций. В схеме неинвертирующего усилителя выходное напряжения будет равно произведению входного на пропорциональный коэффициент усиления, сформированный отношением двух сопротивлений, включенных в инвертирующую цепь.
Схема источника опорного напряжения пользуется высокой популярностью благодаря своим высоким практическим характеристикам и стабильности работы в различных режимах. Схема отлично удерживает необходимый уровень выходного напряжения. Она получила применение для построения надежных и высококачественных источников питания, аналоговых преобразователей сигналов, в устройствах измерения различных физических величин.
Генератор синусоидальных сигналов
Одной из самых качественных схем синусоидальных генераторов является устройство на мосте Вина. При корректном подборе компонентов генератор вырабатывает импульсы в широком диапазоне частот с высокой стабильностью. Также микросхема LM 358 часто используется для реализации генератора прямоугольных импульсов различной скважности и длительности. При этом сигнал является стабильным и высококачественным.
Усилитель
Основным применением микросхемы LM358 являются усилители и различная усилительная аппаратура. Что обеспечивается за счет особенностей включения, выбора прочих компонентов. Такая схема применяется, например, для реализации усилителя термопары.
Усилитель термопары на LM358
Очень часто в жизни радиолюбителя требуется осуществлять контроль температуры каких-либо устройств. Например, на жале паяльника. Обычным градусником это не сделаешь, тем более, когда необходимо изготовить автоматическую схему регулирования. Для этого можно использоваться ОУ LM 358. Эта микросхема имеется малый тепловой дрейф нуля, поэтому относится к высокоточным. Поэтому она активно используется многими разработчиками для изготовления паяльных станций, прочих в устройствах.
Читать также: Посоветуйте электрогриль для дома
Схема позволяет измерять температуру в широком диапазоне от 0 до 1000 о С с достаточно высокой точностью до 0,02 о С. Термопара изготовлена из сплава на основе никеля: хромаля, алюмеля. Второй тип металла имеет более светлый цвет и меньше подвержен к намагничиванию, хромаль темнее, магнитится лучше. К особенностям схемы стоит отнести наличие кремниевого диода, который должен быть размещен как можно ближе к термопаре. Термоэлектрическая пара хромаль-алюмель при нагреве становится дополнительным источником ЭДС, что может внести существенные коррективы на основные измерения.
Простая схема регулятора тока
Схема включает кремниевый диод. Напряжения перехода с него используется как источник опорного сигнала, поступающий через ограничивающий резистор на неинвертирующий вход микросхемы. Для регулировки тока стабилизации схемы использован дополнительный резистор, подключенный к отрицательному выводу источника питания, к неивертирующему входу МС.
Схема состоит из нескольких компонентов:
- Резистора, подпирающего ОУ минусовым выводом и сопротивлением 0,8 Ом.
- Резистивного делителя напряжения, состоящего из 3 сопротивлений с диодом, выступающего источником опорного напряжения.
Резистор номиналом 82 кОм подключен к минусу источника и положительному входу МС. Опорное напряжение формируется делителем, состоящим из резистора 2,4 кОм и диода в прямом включении. После чего ток ограничивается резистором 380 кОм. ОУ управляет биполярным транзистором, эмиттер которого подключен непосредственно к инвертирующему входу МС, образовав отрицательную глубокую связь. Резистор R 1 выступает измерительным шунтом. Опорное напряжение формируется при помощи делителя, состоящего из диода VD 1 и резистора R 4.
В представленной схеме при условии использования резистора R 2 сопротивлением 82 кОм ток стабилизации в нагрузке составляет 74мА при входном напряжении 5В. А при увеличении входного напряжения до 15В ток увеличивается до 81мА. Таким образом, при изменении напряжения в 3 раза ток изменился не более, чем на 10%.
Зарядное устройство на LM 358
С использованием ОУ LM 358 часто изготавливают зарядные устройства с высокой стабилизацией и контролем выходного напряжения. Как пример, можно рассмотреть зарядное устройство для Li — ion с питанием от USB . Эта схема представляет собой автоматический регулятор тока. То есть, при повышении напряжения на аккумуляторе зарядный ток падает. А при полном заряде АКБ схема прекращает работать, полностью закрывая транзистор.
по входам + и — поставить делители напряжений состоящих из термосопротивления и резистора МЛТ (по 100К четыре сопротивления). К минусу питания термосопротивления к плюсу МЛТ, т.е регистрировать разницу температур в гараже и на улице. Запитать схему от элементов 4,5 Вольта. Вопрос . Как будет уплывать точность настройки с понижением напряжения с 4,5 В. до 3,5В.Спасибо. Где почитать чтобы самому дошло.
Подадим на неинвертирующий вход усилителя опорное напряжение в 1.5 вольта, а на инвертирующий вход синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и постоянной составляющей 1.5 вольта.
Vcc – 1.5= 5 – 1.5 = 3.5 В
То есть пока входной сигнал меньше опорного – на выходе операционного усилителя будет положительное напряжение насыщения. Как только входной сигнал превысит опорный – выходное напряжение операционного усилителя станет равно нулю.
Описанная схема представляет собой инвертирующий компаратор. Если мы поменяем источники напряжения местами, то получим неинвертирующий компаратор. Попробуй самостоятельно разобраться, как при этом поведет себя схема.
Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже.
Благодаря такому поведению схемы, зашумленный сигнал не будет вызывать колебаний на выходе усилителя.
Как и простейшая схема компаратора, триггер Шмитта имеет «неинвертирующую версию», но здесь мы на ней останавливаться уже не будем.
О расчете такой схемы и примерах ее использования в следующей статье….
LM358 схема включения: монитор тока
Еще одна интересная схема позволяющая измерять ток в питающем проводе и состоящая из шунта R1, операционного усилителя npn – транзистора и двух резисторов.
- DA1 – LM358;
- R1 – 0,1 Ом;
- R2 – 100 Ом;
- R3 – 1 кОм.
Напряжение питания операционного усилителя должно быть минимум на 2 В, выше напряжения нагрузки.
