Thermoelement Typ K

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Autor: Anna Blankenstein
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Im Rahmen der Lehrveranstaltung "Sensortechnik" wird semesterbegleitend die Inbetriebnahme eines Sensors in Eigenverantwortung durchgeführt.
Gleichzeitig werden die Ergebnisse und Lernfortschritte hier dokumentiert.
Ich habe mich für das Thermoelement Typ K entschieden, welches mit Hilfe des MAX6675 ausgelesen werden kann. Im Folgenden werde ich die Funktion des Sensors und des MAX6675 erklären und erläutern wie ich bei der Messung vorgangen bin.

Prinziperklärung

Funktion des Sensors
Die Funktion des Thermoelements beruht auf dem thermoelektrischen Seebeck-Effekt. Zwei unterschiedliche Metalle werden an einem Punkt miteinander verbunden, bei dem Typ K Element sind es die Metalle Nickel-Chrom und Nickel. In den Leitern existieren freie Elektronen und positive Atomrümpfe. Die Wärmeenergie der Leiter ist aufgeteilt in Schwingungsenergie der Atomrümpfe und Bewegungsenergie der Elektronen. Werden die Leiter an ihrer zusammengeführten Stelle z.B. erhitzt, nimmt die Bewegungsenergie der freien Elektronen zu, sie bewegen sich in Richtung der kälteren Seite. So entsteht ein Potentialunterschied, da die entstehenden veränderten Bewegungsenergien bei den verschiedenen Materialien der Leiter unterschiedlich sind. Die so resultierende Spannung wird Thermospannung genannt und dient schlussendlich zur Bestimmung der Temperatur.

Die Messung
Die Temperaturdifferenz entlang der Drähte ist dabei maßgeblich für die Höhe der Spannung verantwortlich. Die Höhe der Spannung bewegt sich dabei in einem Bereich von ca. 10 mV bis 50 mV. Die Kennlinien der Thermoelemente sind nach der DIN EN 60 584 festgelegt, sodass jedes Element mit Einem des gleichen Typs ausgetauscht werden kann, ohne eine eventuell neue Kalibrierung vornehmen zu müssen (dies gilt für Hersteller von Mess-Elektronik). Diese Kennlinien sind vorgegeben, da sich die Thermospannungen nicht linear zu der anliegenden Temperatur verhalten. Alternativ zu diesen Graphen (bzw. Linearisierungstabellen), können auch vom Anwender Stützpunkte eingegeben werden. Nach dem Einlesen der Thermospannungen muss also eine Auswerteelektronik die Spannung Linearisieren und verarbeiten. Die Temperatur, die von dem Thermoelement Typ K erfasst werden kann liegt im Bereich von -40 °C bis 1200 °C.

Verwendete Software

Zur Messung der Temperatur bzw. zum Auslesen des Sensors über den MAX6675 wurde die Arduino IDE verwendet. Dafür wurde ein kurzer Sketch geschrieben, der die Eingänge festlegt, den Sensor einbindet und mit der Funktion „.readCelsius()“ die Temperatur in Grad Celsius ausliest und in dem seriellen Monitor ausgibt.
Die Bibliothek max6675.h ermöglicht ein unkompliziertes Auslesen der Daten über den Befehl .readCelsius(). Dafür wird diese zu Beginn des Programms initialisiert mit den entsprechend verwendeten Ports. Ich habe hier die Pins 10, 12 und 13 des Arduinos benutzt. Dem Datenblatt des Arduinos kann entnommen werden, welche Pins welche Funktion besitzen. In dem Setup des Programms wurde die serielle Kommunikation gestartet mit einer Baud-Rate von 9600, wie sie bei vielen Arduino-Projekten üblich ist. Anschließend wurde eine Pause von 700 ms eingebaut, um dem Sensor Zeit zu geben sich kalibrieren zu können. Danach kann der Sensor bereits ausgelesen werden, was hier in einem Serial.print geschieht und somit direkt im seriellen Monitor ausgegeben wird. Das Auslesen erfolgt hier in einem Rythmus von 1000 ms.

Hardwareaufbau

MAX6675

Der MAX6675 ist zuständig für die Auswertung der Signale des Thermoelements. Dieser liest die Thermospannungen ein und kann sie auf bis zu 0,25 °C auflösen (A/D Wandler mit 12 Bit Auflösung im Bereich 0 – 1.023,75 °C). Der Analog-Digital-Wandler dient hier der Umsetzung der gemessenen Spannung in einen digitalen Wert. Der 12 Bit A/D-Wandler gibt bei einer Temperatur von 0 °C den Wert 0 (dezimal) aus, und bei dem maximalen Wert von 1023,75 °C den Wert 4096 (dezimal).
Der Thermoelement-zu-Digital-Konverter übermittelt die gemessenen Daten mit Hilfe eines SPI Interfaces. Das Bussystem SPI besteht aus drei Leitungen, welches eine serielle und synchrone Datenübertragung realisiert. MOSI, MISO und SCK, für das Senden der seriellen Daten, das empfangen dieser und für den Takt. Eine zusätzliche Leitung wird noch zur Auswahl des entsprechenden Slaves benötigt, die Chip Select Leitung (CS), welche Low-aktiv ist. Hier fällt die Leitung MOSI weg, da der MAX6675 nur gelesen werden kann, nicht aber für das Empfangen von Daten vorgesehen ist. Somit bleiben Die Chip Select Leitung, die Master-In-Slave-Out Leitung (MISO, hier SO) und die Taktleitung (SCK), die mit den entsprechenden Pins des Arduinos (Master) verbunden werden müssen. Wird die CS-Leitung auf Low gelegt, so kann der MAX6675 die Übertragung im Takt beginnen. Dabei benötigt er eine Takt-Pulsweite von mind. 100 ns.

Rechts in der Abbildung ist ist die verwendete Messschaltung zu sehen. Die drei Leitungen zur Datenübertagung sind in orange bzw. gelb von dem MAX6675 zu dem Arduino geführt. Die T- Leitung des Thermoelements wurde auf Ground gelegt, damit ggf. ein offener Thermoelementeingang detektiert werden kann.

Messkette

In der Abbildung ist die Messkette zu sehen. Beginnend mit dem Thermoelement folgt die Auswerteelektronik des Max6675.
Dieser verstärkt zuerst das ankommende Signal des Thermoelements und wertet diese aus und wandelt sie schließlich in ein digitales Signal über einen Analog-Digital-Wandler (12 Bit). Über das SPI Interface wird das Signal zu dem Arduino übertragen, wo die Werte weiterverarbeitet werden können. Bei der Umwandlung der Thermospannung in einen Temperaturwert wird ein Zusammenhang von 41µV pro °C angenommen. Daraus ergibt sich eine lineare Gleichung, welche die Charakteristik approximiert: Vout = (41µV/°C) 5 (TR-Tamb), mit der Umgebungstemperatur Tamb, der Thermoelementtemperatur TR und der Thermospannung Vout.

Lernerfolg

Die Bearbeitung dieser Zusatzaufgabe hat einen großen Teil zu einem tiefen Verständnis über die Funktionsweise der Thermoelemente beigetragen. So konnte das bereits erworbene Wissen aus der Vorlesung "Sensortechnik" optimal ergänzt werden, wobei die Theorie praktisch angewendet werden konnte. Die intensive Auseinandersetzung mit der Thematik und die strukturierte Planung und Vorgehensweise verfestigte die grundlegenden Prinzipien des Bearbeitens von Projekten. Das Selbststädnige Erarbeiten eines selbst ausgewählten Themas steigert die Motivation bei der Bearbeitung, woruch der Lerneffekt noch verstärkt wird.

Gesamtfazit

Das Thermoelement ist ein geeignetes Werkzeug zur Ermittlung von Temperaturen. Es ist nicht nur recht genau in der Messung, sondern lässt sich auch mit wenig Aufwand schnell zum Einsatz bringen. Dabei ist der MAX6675, für den eine Bibliothek in der Arduino IDE zur Verfügung steht, ein simpel anzuwendendes Hilfsmittel. Durch den großen Temperaturbereich lassen sich gerade in den hohen Temperaturbereichen vielseitige Einsatzmöglichkeiten finden.

YouTube Video

Links zu dem Video: https://youtu.be/rsqPGN1xKzU

Literatur

Alle Information bezogen auf den verwendeten Sensor und den MAX6675 sind entnommen aus dem Datenblatt des MAX6675.
Hering, Eckbert; Schönfelder, Gert (Hrsg.): Sensoren in Wissenschaft und Technik. Funktionsweise und Einsatzgebiete. Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag, 2012, ISBN: 978-3-8348-0169-2.
Hesse, Stefan; Schnell, Gerhard: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation. Funktion - Ausführung - Anwendung. Wiesbaden: Viewg+Teubner, 2009, ISBN: 978-3-8348-0471-6.

Quellenverzeichnis

↑ "Thermoelement Typ K" von RS Components Handelsges.m.b.H. [1]