Termopares de “multiplexación” a una placa IO

Recientemente he hecho algunos diseños de PCB con termopares, y he aprendido lo delicados que pueden ser si no se los trata exactamente como se supone que deben ser. Si desea una precisión de 0,5 grados, ¡debe poder medir 20 uV de precisión a través de los cables del termopar! ¿Confía realmente en la solución de multiplexación que utiliza para introducir menos de 20 uV de ruido? Sin mencionar que ya no puede realizar una compensación adecuada de la unión fría.

Sé que los equipos de termopares precisos habituales son muy caros, pero puedes gastar mucho menos de 20k euros y medir cada termopar de forma individual. He usado el MAX31855 en el pasado, que funciona muy bien. Tiene una precisión de 0,25 grados, compensación de unión fría, interfaz SPI simple y cuesta menos de 5 euros por IC. En aras de la precisión y la simplicidad, le sugiero que gaste menos de $ 200 en 40 de estos circuitos integrados de termopares en lugar de multiplexar los termopares.

No diseñaría esto yo mismo. Tomaría mucho tiempo, que a menudo es más valioso. Las otras respuestas aquí son demasiado específicas en hardware. Quieres una solución rápida y fácil, es por eso que llamaste a las compañías moonlanding en primer lugar, ¿verdad? Para no perder el tiempo con Arduino y Relays y los multiplexores cmos.

Por ejemplo, tome el módulo Wago 750-458 para 8 termopares, es "solo" 300 €, necesitaría 5. ¡No en ningún lugar cerca de 20k!

Agregue un acoplador de bus de campo Ethernet (750-342, también € 300) y debería poder usar MODBUS a través de Ethernet para acceder a los datos. O cualquier otro protocolo de bus de campo de su agrado.

Usted es libre de agregar más módulos de E / S, creo que un máximo de 64 unidades en total.

Actualización:
Spehro Pefhany señaló que la precisión de estos modelos no cumple con las exigencias. La resolución es 0.1K y con un error de mejor caso de < +/- 4K + 1K con compensación.

* Los precios son catálogos googleables, puede obtener descuentos en su distribuidor local.

Hace aproximadamente 12 años, apareció un ingeniero de aplicaciones en la puerta de mi oficina, con su explicación: "Estoy viendo un error de 5 grados en este sistema de medición de temperatura basado en termopares. Necesito menos de 1 grado centígrado".

Durante la próxima semana, inventamos métodos para implementar cortocircuitos térmicos, aperturas térmicas y diseño térmico de gradiente cero.

(1) los cortocircuitos térmicos son imposibles, pero nuestro enfoque

(2) las aperturas térmicas son imposibles, pero 2 cm de FR-4 con solo I2C / gnd / vdd / K + / K- muy delgados cruzaron la brecha de digital a analógico / Kconnector como nuestro enfoque. [La conductividad térmica FR-4 es aproximadamente 200X menos que el cobre]

(3) la CARA humana es un problema; Veo nuestras caras como 0.1 vatios por cm cuadrado; a medida que se desplaza sobre esa PCB y se mueve hacia la izquierda y hacia la derecha para observar los componentes, se están calentando de manera diferencial las regiones de la PCB más que en otras regiones, y el flujo de calor fluirá a la izquierda y luego a la derecha; en su producto final, planee en un caso, un caso metálico de masa adecuada para volverse isotérmico; Como lo explicaron otros, es posible que se necesiten casos NESTED

(4) no coloque generadores de calor en o cerca de la PCB; en la PCB original, (que muestra un error de 5 grados C) una MCU de 300 milivatios descargó calor en la PCB. Con el calor saliendo a la izquierda y a la derecha, tuvimos 150 mW que pasaron los pines Kconn que deben estar a la misma temperatura, y el TempSensor debe medir esa temperatura; por supuesto, ese Sensor en el primer PCB se encontraba a 4 "de distancia.

(5) a medida que fluye el calor, la resistencia térmica de 70 grados centígrados por vatio por cuadrado de lámina (el estándar de 1 onza / pie ^ 2 es 70 grados C), escalada por el flujo de calor, da el error térmico. p>

En el caso de mi asociado, la PCB pequeña usaba una MCU de 300 milivatios para el ajuste de curvas y la interfaz USB, colocada en la mitad de la PCB. Kconnector estaba a la derecha. TempSensor (la unión fría) estaba en el extremo izquierdo, a 3 "del Kconnector. El PCB tenía solo 2 capas.

Aquí está su plano de la versión 2, usando nuestro pensamiento térmico corto / abierto:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

¿El resultado de nuestro pensamiento, usar la red de resistencias en SPICE para modelar el flujo de calor y darnos cuenta de que la cabeza humana es una fuente de calor de 100 vatios? La siguiente versión de PCB fue mejor que 1 grado de precisión. Nunca supe cuánto mejor que 1 grado C Y esta precisión se logró en un laboratorio, sin blindaje térmico de masa.

Creo que la CLAVE fue colocar el TempSensor (compensación de la unión fría) justo entre los pines K + y K- del Kconnector, en medio de nuestro cortocircuito térmico de 3 capas (utilizando vías de gran diámetro, cada 1 cm)

También la resolución de ADC fue mucho mejor de lo necesario, por lo que la contribución de error se eliminó de la matemática de errores de RSS.

Su problema no es la multiplexación per se , es la precisión de 0.5 grados después de la multiplexación.

Supongamos que usted construye un multiplexor con (digamos) K entradas, y K salida a su medidor existente. Tenga en cuenta que esto no es un medidor, no necesita una unión fría, que está de vuelta en el medidor de un solo canal que va a reutilizar. Esto toma N termopares y conecta cualquiera de ellos a los cables del termopar de salida, que van a su medidor. El problema es la igualdad de temperatura en la que los metales cambian de material de termopar a / de cobre, soldadura y todo lo demás. Eso significa que necesita todos los terminales de tornillo a la misma temperatura. Eso descarta los relés con su alta disipación térmica. Afortunadamente, los interruptores CMOS toman nA cuando está estática.

Usted puede (y enfatizo que puede hacerlo a un bajo precio si puede controlar la temperatura). Esto significa que no hay gradiente térmico en todo el tablero. Esto es más fácil de intentar con a) sin alimentación en la placa b) buena conductividad térmica en toda la placa c) aislamiento de la placa del ambiente d) otra protección isotérmica alrededor del aislamiento.

Así que mi sugerencia de probar es

a) Use interruptores CMOS. Verifique cuál es la resistencia en serie máxima permitida para su termopar y elija los interruptores correspondientes.

Monte los terminales de tornillo en la misma PCB, para tomar los termopares de entrada y el cable del termopar de salida. Tenga un plano de tierra en la parte posterior para mantener la temperatura lo más uniforme posible. Si quieres atornillar el tablero a una placa alli gruesa, entonces eso no duele. Conduzca los interruptores con CMOS para evitar generar más calor del necesario. Haga que las LDO u otros reguladores en otra parte , no estén en esta placa. ¿Mencioné no disipar ningún calor en este tablero?

b) agrupe el cable de salida con los cables de entrada, el control y los cables de alimentación, para que alcancen la misma temperatura que entran y salen del multiplexor. Esto elimina una fuente potencial de gradiente de temperatura.

c) envuelva la tabla con un poco de aislamiento, por ejemplo, plástico de burbujas. No se genera calor allí, por lo que no se va a calentar.

d) Colóquelo todo en una caja de metal fundido a presión. Si desea utilizar dos cajas de fundición a presión, concéntricas (son baratas en comparación con 20k), entonces mucho mejor.

e) Después de todo eso, mantenga el ambiente lo más constante posible. Los cambios en el ambiente calentarán y enfriarán la placa a través de los cables, usted quiere que el gradiente térmico en la placa sea lo más pequeño posible.

Verifique el manual de su instrumento de termopar. Pueden dar una resistencia máxima esperada de la fuente de termopar. Sus interruptores deben presentar una resistencia de encendido mejor que esto. Dependiendo de la familia de la que elija, puede encontrar interruptores CMOS con resistencias de 100s de ohmios, hasta sub-ohmios. Analog y Maxim realizan las nuevas gamas de interruptores, si las familias de tipos estándar HC4051 y DG411 no son adecuadas.

Es probable que una placa de respaldo y dos cajas alrededor de ella sea excesiva. Tal vez si su ambiente es lo suficientemente estable, solo la placa + la placa de respaldo, y envolverlo en un plástico de burbujas es suficiente.

Siempre puedes empezar a experimentar pequeños y baratos. Comience cortando un cable de termopar en dos y vuelva a unirlo con bloques de terminales. Conecte los bloques de terminales con resistencias para verificar la tolerancia del medidor a la resistencia adicional. Caliente una cuadra con un secador de cabello para convencerse de que se debe mantener un gradiente de baja temperatura.

El objetivo de precisión (0.5 K) es alcanzable, pero no permitirá intercambiar termopares (de un lote a otro, se espera que los termopares varíen en uno o dos grados). Multiplexar a una tarjeta de PC es una mala solución porque una computadora personal no es un entorno isotérmico ideal para la unión fría Fin del circuito de termopares. Un medidor de termopar de baja potencia con múltiples entradas (un 'escáner de termopar'), o tal vez dos o tres, puede estar conectado a su PC, y esa podría ser la mejor solución.

Antes de usar (confiar) en los termopares, sería conveniente verificar La resistencia y encontrar el tipo de termopar (hay muchos estándares para tal). La calibración depende de / requiere el circuito del termopar para cumplir con la especificación de conductancia del escáner.

La salida del escáner puede ser automática, y la PC solo necesita recibir una serie datos, como el escáner hace la digitalización (y termopar cálculos de tensión a temperatura y de unión fría).