So bauen Sie einen Thermoelementverstärker

Ein Thermoelement ist eine hervorragende Möglichkeit, die Temperatur zu messen. Die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf unterschiedliche Metalle erzeugen eine messbare Spannung. Um diese Messung durchzuführen, benötigen Sie jedoch eine Verstärkerschaltung, die für das verwendete Thermoelement ausgelegt ist.

Bei meiner Recherche zu „Zero Drift Amplifiers“ im Anschluss an mein Video über Instrumentierungsverstärker ist mir das kleine Schema auf der Titelseite des LTC1049-Datenblatts aufgefallen, das hier gezeigt wird. Ich dachte, es sei ein ideales Beispiel für eine analoge Anwendung, bei der eine gewisse Verstärkung und ein „Verstärkungshelfer“ benötigt würden, um unsere nützliche kleine Anwendung der Verstärkung einer Thermoelementsonde zu realisieren.

In dem Video spreche ich nicht wirklich viel über die Thermoelemente selbst, abgesehen von dem Typ, den ich meistens sehe, nämlich Typ K. Wenn Sie mit der Konstruktion dieser Sonden noch nicht vertraut sind, finden Sie einen informativen Bericht Informationen zu Thermoelementen und den verschiedenen Typen finden Sie auf der Wikipedia-Seite. Wenn Sie mehr wissen möchten, lesen Sie auch die App-Notiz von Analog Devices. Was ich behandeln werde, ist eine zuverlässige und präzise Möglichkeit, diese Sonden abzulesen, die im Video unten und im Rest des Beitrags nach der Pause zu sehen ist.

Verschiedene Thermoelementsensoren haben unterschiedliche Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sie bei gleicher Temperaturänderung unterschiedliche Spannungsmengen erzeugen, die normalerweise in Volt pro Grad Celsius (v/◦C) angegeben werden. Da die Kenntnis des Temperaturkoeffizienten eines Sensors nur die halbe Miete ist, müssen wir auch den Nullpunkt festlegen, das heißt, wir legen einen kalibrierten Referenzpunkt fest. Die Anwendung einer bekannten Temperatur, etwa das Eintauchen des Sensors in Eiswasser, wäre eine einfache, wenn auch umständliche Möglichkeit, eine bekannte Referenztemperatur festzulegen. Im Grunde könnten wir von dort aus die Änderung in Volt pro Grad Celsius auf Null setzen und messen. Unten sehen Sie eine Grafik

Alternativ könnten wir einen Cold Junction Compensator (CJC) wie den LT1025 verwenden, einen Chip, der nicht nur die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der verschiedenen Thermoelemente nachbildet, sondern uns auch eine recht vernünftige Kalibrierung ermöglicht.

Hinter den Kulissen fungiert der CJC als weiteres Thermoelement oder Thermometer und ändert die vom Thermoelement gesehene Spannung, die in unserem Fall Raumtemperatur hat, und korrigiert auch einige andere Nichtlinearitäten. Da das Thermoelement vom CJC angetrieben wird, ist der Ausgang des Thermoelements dann ziemlich linear und ziemlich kalibriert.

Für diese kurze Demo bin ich noch einen Schritt weiter gegangen und habe einen Chipsatz von Linear Technology namens LTK001 (PDF) verwendet, der aus einem LT1025 CTC und einem passenden Verstärker, separat bekannt als LTKA0x, besteht. Ein kurzer Blick auf die Spezifikationen des LTKA0x zeigt viel darüber, warum er in dieser Anwendung funktioniert: Er verfügt über eine hohe Verstärkung im offenen Regelkreis und sehr niedrige Eingangsströme und Eingangsstromfehler. Analog Devices hat einen guten Artikel zur Open-Loop-Verstärkung (PDF) verfasst, wir können in Zukunft mehr über Vorstrom und Fehler sprechen.

Der Schaltplan, den ich verwendet habe, ist hier und bestand aus einer Zusammenstellung einiger verschiedener Beispielschaltkreise. Wenn ich diesen Schaltkreis als Produktionslauf machen würde, würde ich wahrscheinlich auch einen Trimmpotentiometer (und ein Kalibrierungsverfahren) einbauen.

Die PCB-Schichten sind unten dargestellt und ich kann die Gerbers bei Interesse zur Verfügung stellen. Die Unterseite ist eine Masseebenenfüllung, weshalb Massespuren nicht leicht zu erkennen sind.

Mit dieser Schaltung können Sie einen einfachen Thermoelementverstärker realisieren, der Ihnen genügend Verstärkung für die Schnittstelle zu Ihrem bevorzugten Controller bieten sollte, sofern dieser über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) verfügt. Da die Angabe in Millivolt pro Grad Celsius erfolgt, müssen Sie die Umrechnung in Fahrenheit per Software vornehmen, was unkompliziert sein sollte.