Cặp nhiệt độ

Tìm hiểu về Thermocouple:

Thermocouple là loại cảm biến 2 dây với 2 loại chất liệu khác nhau, hoạt động dựa vào hiệu ứng seeback.

Mình dùng thermocouple loại K, nên mình chỉ tìm hiểu một vài đặc của loại cảm biến này và cách đọc của nó. Vì sao mình dùng loại k, đơn giản vì nó tuyến tính và nằm trong dải nhiệt độ mình cần đo.

Điện áp đầu ra bởi cặp nhiệt điện:

• V: điện áp đo được (V).
• S: hệ số Seeback (V/⁰C).
• : chênh lêch nhiệt độ giữa hai đầu mối nối.

Nhiệt độ đo được tính theo công thức:

Trước hết ta hãy tham khảo một vài đặc tính của thermocouple loại k. Dưới đây là bản điện áp đầu ra của thermocouple loại k khi thay đổi nhiệt độ, rõ ràng bạn điện áp đầu ra rất bé giả sử khi nhiệt độ môi trường là 35⁰C thì điện áp đầu ra chỉ 1.407(mv). Nên ta cần phải khuếch đại điện áp trước khi đọc tín hiệu của chúng.

Bảng 1 . Sự thay đổi điện áp khi nhiệt độ thay đổi.  Đơn vị (mV)

Có nhiều cách đọc thermocouple loại k này. Ví dụ như cách đọc như hình sau.

Đây là cách đọc có bù nhiệt độ, nhưng mỗi lần cần đọc nhiệt độ bạn phải đi mua vài nghìn nước đá thì mới đo được. Điều đó quả là bất tiện nên nhiệm vụ của bài này là đi giải quyết vấn đề này.

Tìm hiểu về ic INA 128:

Là loại OPAMP thường sử dụng để khuếch đại điện áp trong đo lường cảm biến.

Hình dưới mình trích từ datasheet của INA128. Gồm 3 OPAMP, 2 OPAMP mắc theo kiểu khuếch đại đảo và OPAMP còn lại mắc theo kiểu vi sai. Ở đây ta chú ý tới R_G  là điện trở thay đổi giá trị khuếch đại, công việc của chúng ta là phải đi tính giá trị R_G  sao cho phù hợp với mục đích ban đầu. Nên dùng biến trở tinh chỉnh thay thế cho R_G .

Có một điều khá thú vị mà mình tìm thấy từ datasheet của IC này. Là khi bạn đọc nhiệt độ từ thermocouple thì bạn nên dùng trở 100(kΩ)  mắc vào cực âm của thermocouple. Vì mình giải thích không xác nghĩa nên mình xin trích dẫn một đoạn trong datasheet.

“If the differential source resistance is low, the bias current return path can be connected to one input (see the thermocouple example in Figure 26). With higher source impedance, using two equal resistors provides a balanced input, with possible advantages of lower input offset voltage due to bias current and better highfrequency common-mode rejection.”

Xong lý thuyết rồi, ta làm mạch thôi! sơ đồ mạch như hình dưới, bạn sẽ thấy IC LM35 với con trở 100(kΩ) được mắc vào chân Vref mắc 2 thằng này vào để làm chi?. Thì mình sẽ giải thích phía sau.

Lưu ý: Khi làm mạch rất dễ sinh nhiễu mặc dù mình không thích gì nó. Nhưng cũng không có cách để khử hoàn toàn, chỉ có một vài hạn chế mà mình muốn chia sẻ trong mạch này.

• Giữa 2 IC 7660 tạo nguồn -5V cung cấp cho INA128 nên đặc một tụ gốm giữa 2 IC này.
• Nên đặc nguồn cung cấp xa với tín hiệu cảm biến, với nguồn đầu vào nên sử dụng tụ lọc và càng ổn định càng tốt.
• Nên đặc LM35 gần cực âm của thermocouple.

Bạn cũng có thể khử nhiễu bằng bộ lọc Kalam, nhưng việc áp dụng bộ lọc sẽ dẫn đến sai số. Do đó tùy vào dự án mà bạn quyết định có nên sử dụng bộ lọc không.

Ta ôn lại tí kiến thức về OPAMP để giải quyết vấn đề:

Chương trình Arduino

Khá thú vị bạn có thể dùng code đọc nhiệt độ LM35 để đọc nhiệt độ của thermocouple đấy. Vì mục đích của việc thiết kế mạch là biến đổi độ nhạy S = 40µV/⁰C  về độ nhạy K = 10mV⁰C, tức độ nhạy của LM35.

Mình xin trích đoạn code từ diễn đàn arduino, chắc cũng không xa lạ gì với các bạn, nên mình không giải thích thêm.

Xong hoàn thành rồi bạn hãy test thử thành quả đi nào.