¿Se requieren terminales especiales para conectar cables de termopar a una PCB?

Question

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Actualmente estoy intentando integrar un termopar tipo K en un proyecto de electrónica.Tengo la intención de conectar este termopar con el CI convertidor de termopar a digital compensado por unión fría MAX31855.

No soy un experto en termopares y el efecto Seebeck, por lo que tengo algo de curiosidad sobre cómo debería conectar el termopar en la PCB.Suponga que estoy usando cables de termopar sueltos.

Preguntas:

• ¿Puedo usar cualquier tipo de terminal (por ejemplo, un terminal de tornillo de orificio pasante simple) para conectar los cables a la PCB?¿O estos nuevos cruces introducirán errores?

• ¿El método de terminación depende del tipo de termopar?P.ej.use este terminal para el tipo K, use este otro terminal para el tipo J, etc.

Answer 1

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El uso de un bloque de terminales hecho con materiales ordinarios es suficiente para un sistema de precisión relativamente modesto al que aspira.

La compensación de unión fría depende de que el sensor de unión fría (en este caso, el chip en sí) esté a la misma temperatura que las dos uniones donde el cable del termopar pasa a cobre. En otras palabras, los tres deben ser isotérmicos, por lo que desea minimizar los gradientes causados ​​por la disipación en la PCB y los gradientes causados ​​por el calor que fluye por los cables. Puede ayudar mucho en esto junto con planos de tierra o al menos vertidos y manteniendo cualquier cosa que disipe mucho calor bien lejos del bloque de T / C. Mantenga también las corrientes de aire alejadas del bloque de terminales. Por supuesto, colocará el chip lo más cerca posible del bloque de terminales, tanto física como térmicamente.

No hay una gran diferencia entre la mayoría de los sensores en lo que respecta a esto, ya que la mayoría de los termopares son bastante lineales (un par por ciento), por lo que un error de 1 ° C en la unión fría es de alrededor de 1 ° C de error en la lectura de temperatura.

Si la conexión está colgando en la brisa o está a una temperatura elevada (por ejemplo), es mejor usar conectores que estén hechos de materiales de termopar, y esto generalmente se hace para conectores de montaje en panel y conectores en línea. Por lo general, están codificados por colores. En Norteamérica usamos los códigos de color ISA, y el tipo K (Chromel-Alumel) es amarillo, el tipo J (Iron-Constantan) es negro. Por ejemplo, podría tener un conector K de mamparo y conectarlo dentro de un gabinete a la PCB. DEBE usar el cable de extensión de termopar adecuado en el interior y el exterior en este ejemplo, y DEBE estar conectado de la manera correcta (si cambia la polaridad, el error es en realidad doubled). Tenga en cuenta que rojo = negativo en los códigos de color T / C de América del Norte.

Answer 2

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Cualquier cambio de material introducirá un error en la señal. Sin embargo, si los cambios son los mismos (en términos de material y temperatura) en ambos terminales, esos errores se cancelarán. Por lo tanto, puede usar casi cualquier método que desee siempre que mantenga las cosas simétricas.

Dos cosas a tener en cuenta: en primer lugar, la temperatura que se mide es la diferencia entre la unión del termopar y la temperatura en la que los dos cables se vuelven del mismo material, normalmente el rastro de cobre en su PCB o el bloque de terminales. Esto significa que si usa terminales de tornillo, su sensor de temperatura de unión fría debe estar a la misma temperatura que esos terminales de tornillo. Cualquier diferencia se reflejará como un error en su medición.

En segundo lugar, tenga cuidado con los gradientes de temperatura en su PCB, p. ej. si un terminal está más cerca de la fuente de alimentación o más lejos de alguna fuente de flujo de aire, podría estar un poco más caliente, lo que afectará el resultado final. Si los terminales están en el exterior de la caja y la referencia de la unión fría está adentro y se calienta con una CPU, entonces obtendrá un gran error.

Answer 3

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Debes cambiar de metal en algún momento para conectarte al 31855.

Para hacer una compensación de unión fría, el 31855 debe conocer la temperatura de este punto .Cualquier diferencia entre la temperatura de este punto y el punto que detecta el 31855 aparecerá como un error en la lectura de temperatura.

El 31855 mide la temperatura de su matriz como la "unión fría".Esto significa que siempre que el 31855 y su unión de 'cables de termopar a cobre' estén a la misma temperatura, todo estará bien.Esto generalmente significa hacer la unión lo más cerca posible del IC y no tener componentes calientes que produzcan gradientes térmicos en ningún lugar cerca del IC.

Answer 4

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La respuesta rápida: Sí.

La respuesta larga: los termopares utilizan la diferencia entre dos metales a temperaturas para generar un voltaje que es representativo de la temperatura. Esto significa que todo el cable, desde el termopar hasta el sensor, debe ser esta combinación especial de metales para brindarle la medición de temperatura con precisión. Puede comprar alambre de par térmico para este propósito.

Dicho esto, he usado sistemas en los que teníamos un termopar tipo K, yendo a un encabezado estándar en una PCB, a través de pistas estándar antes de ingresar al sensor, y eso podría darnos un valor. El problema de usar algo que no sea un encabezado adecuado es la precisión de la lectura. Sabíamos aproximadamente cuál era la compensación (parecía ser una compensación de alrededor de + 4 ° C a las temperaturas que nos interesaban) y simplemente lo ajustamos en consecuencia. Pero esa era la ventaja de estar en nuestras propias celdas de prueba, donde teníamos otros sensores con los que comparar el valor.

Por lo tanto, aunque debe utilizar conectores adecuados, puede salirse con la suya sin hacerlo.

Answer 5

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Cada vez que cambia a un cable de termopar de metal diferente-> conector de metal-> soldar-> cobre, está agregando otra unión de termopar.Afortunadamente, siempre agrega un par de uniones a la vez, una en el cable que va al termopar y otra en el cable que regresa, y siempre que ambas uniones estén a la misma temperatura, las dos se cancelarán.

El efecto general será el mismo que si tuviera solo dos uniones: la que está al final del termopar (caliente) y la que está en la unión entre los dos cables del termopar y el conector (frío).

Idealmente, debería realizar la compensación de la unión fría midiendo la temperatura de la unión fría (es decir, el conector).Si el chip que está utilizando está haciendo el CJC, debe colocarlo lo más cerca posible del conector y lo más lejos posible de cualquier fuente de calor.

Answer 6

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Pongamos algunos números en el diseño de PCB. La lámina de cobre estándar es de 70 grados centígrados por vatio por cuadrado. Por lo tanto, cuadrados de 1 cm o 1 mm o 100 micrones o 10 cm, con un vatio inyectado uniformemente a lo largo de un borde y ese calor que fluye SOLO hacia el borde opuesto, tendrá un gradiente de temperatura de 70 grados centígrados. Si tiene una MCU de 100 milWatt (suele estar ocupada manejando datos USB para un montón de otros circuitos integrados) necesaria para descargar esos 100mW en un perno de metal a 3 cuadrados de distancia, el gradiente de temperatura será 0.1W * 3 * 70 ° C / watt = 21 grados. C.

Obtenga una almohadilla de cuadrilla y comience a extraer fuentes de calor y salidas de calor, y ranuras en la PCB para guiar los flujos de calor. Y considere usar planos VDD y GND para mover térmicamente el calor.

Si realiza un modelo de elementos finitos, usando una cuadrícula de resistencias en SPICE, con Rs de bajo valor para modelar el cobre y Rs 100X más altas para modelar el FR-4, obtendrá una idea de cuánta superposición de Se necesitan aviones para descargar la mitad del calor del plano más caliente al plano más frío.