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Neste Lab detalharemos a forma de Leitura de altas temperaturas utilizando um termopar do tipo K, para uma faixa de 0 a 1024 °C através do CI MAX6675 da Maxim Integrated. Um datalogger destes valores de temperatura também será implementado na aplicação.

Detalhes sensores e montagem final

MATERIAIS

  • (1x) Arduino Nano (Atmega 328);
  • (1x) Display LCD 16×2 (Controlador HD44780);
  • (1x) Potenciômetro de 4K7 Ohms.
  • (2x) Termopar tipo K (0 a 600°C);
  • (1x) Módulo para cartão de memória com Shift Level;
  • (1x) Cartão de memória mini SD;
  • (2x) Módulo para leitura de termopar com o MAX6675 (0 a 1024°C);
  • (1x) Protoboard;
  • Cabos para ligação em protoboard.

O termopar

Um termopar é um dispositivo elétrico formado por dois materiais metálicos diferentes (termo elementos) que quando uma de suas extremidades está unida forma-se uma conexão ou junta que irá gerar uma pequena tensão devido a variação de temperatura. Posteriormente, esses níveis de tensão serão interpretados para representar temperaturas obedecendo ao princípio do efeito termoelétrico descoberto por Thomas Seebeck em 1821. A figura abaixo ilustra o princípio de funcionamento deste dispositivo.

Princípio Termopar (Fonte: Wkipedia)

Termopares comerciais são relativamente baratos, intercambiáveis com conexões padrões e podem medir uma grande gama de temperatura. Em contraste com a maioria dos métodos para medição de temperatura, os termopares não exigem alimentação ou qualquer forma externa de excitação. Sua principal limitação é a precisão de medida onde variações menores do que 1°C são difíceis de alcançar.

São largamente utilizados na indústria para medições de fornos industriais, turbinas a gás, exaustores, temperatura nas câmaras de motores de combustão interna, caldeiras de fermentação e outros diversos processos industriais que envolvam medições de altas temperaturas.

A tabela abaixo ilustra os tipos de termopares mais comuns e a faixa de operação de cada um.

Tabela tipos de termopares (Fonte: Wikipedia)

Neste tutorial utilizaremos o termopar tipo K e sua composição abrange componentes como o Chromel [90% níquel e 10% cromo] e Alumel (níquel alumínio) [95% de níquel, 2% de manganês, 2% de alumínio e 1% de silício]. Assin, um dos lados do termopar é magnético enquanto o outro não. Grassas a esta grande diferença entre os materiais é que obtemos uma pequena tensão de acordo com a variação de temperatura.

COMPENSAÇÃO DE JUNTA FRIA OU JUNTA DE REFERÊNCIA

O nível de tensão gerada pelo termopar tipo K é extremamente baixo, na ordem de 41uV/°C, logo necessitamos de um sistema para amplificar e filtrar estes níveis de tensão para uma forma que possa ser interpretada pelos microcontroladores / microprocessadores comerciais.

Na teoria, a outra extremidade do termopar, a que está aberta, deveria ser imergida em um balde de gelo para gerar uma temperatura de referência para medição a 0 °C.

A menos que o usuário queira, para alcançar melhor precisão, um balde de gelo não é necessário se utilizarmos uma técnica chamada compensação de junta fria ou Cold Junction Compensation (CJC).

Basicamente, um sensor comum de temperatura, não necessariamente um do tipo k, é conectado próximo ao borne onde os cabos do termopar estão fixos – também chamado de ponto frio ou Cold End já que o ponto quente é onde há temperatura. A leitura desta temperatura é transformada em valor de tensão igual a tensão gerada por um termopar do tipo K naquele mesmo ponto. A figura abaixo ilustra o motivo pelo qual deve-se haver a compensação de junta fria.

Compensação de junta fria

Logo, para medirmos o sinal de um termopar utilizando um microcontrolador iremos necessitar de um amplificador operacional de instrumentação com alto ganho, um sensor de temperatura para medição da junta fria, um circuito para filtrar ruídos e de preferência um conversor AD de alta resolução.

MAX6675

O circuito integrado MAX6675 da Maxim Integrated contempla em sua construção toda a “circuitaria” mencionada no final da última seção. Possui um conversor AD de 12 bits de resolução, um sensor para compensação de junta fria, um controlador digital e a saída dos dados de temperatura já convertidos via protocolo SPI para conexão a qualquer tipo de microcontrolador. A imagem abaixo mostra os dois módulos utilizados neste tutorial já com o MAX6675 montado.

Imagem dos dois sensores utilizados neste tutorial

CONVERSÃO DE TEMPERTURA COM O MAX 6675

O MAX6675 já inclui em seu encapsulamento um sistema para condicionamento do sinal e filtro dos ruídos para converter o nível de tensão do termopar à um nível compatível com a entrada do ADC.

Antes de converter o sinal de tensão em uma temperatura equivalente, é necessário compensar a diferença entre a leitura da temperatura na junta fria e o ponto de referência zero virtual a 0°C. Para um termopar do tipo K, a tensão gerada muda 41uV a cada °C.

A ponta de medição dos termopares aplicados a este CI pode medir em uma faixa de 0 a 1023.75°C e o encapsulamento do CI, onde é medida a temperatura para a compensação de junta fria, deve estar em uma faixa de -20 a +85°C. Este sensor na verdade é um diodo de sinal que muda sua tensão de acordo com a mudança de temperatura. Está localizado dentro do encapsulamento do CI.

Para obter a temperatura final após as medições, o controlador interno do MAX adiciona o valor de tensão medido pelo diodo na junta fria ao valor de tensão já amplificado do termopar e os converte em uma resolução de 12 bits disponibilizando o resultado no pino SO (Serial Data Output) para ser lido por um microcontrolador. O diagrama exposto abaixo explica a composição dos 16 bits de dados fornecidos na saída do MAX6675.

Diagrama temporal MAX6675 (Fonte: Datasheet)

INTERFACE SERIAL

O CI faz a leitura de temperatura e interpreta para disponibilizar em sua saída os dados através de uma interface serial. Por sua vez, esta é compatível com o protocolo SPI trabalhando somente em uma direção, sendo esta do chip para o microcontrolador ou no pino de dados MISO (Master Input, Slave Output) do SPI. A figura abaixo mostra a ligação típica entre o MAX e um microcontrolador.

ligação típica do MAX6675 (Fonte: Datasheet)

Para estabelecer a comunicação o pino CS (Chip Select) deve ser colocado em nível 0 para interromper qualquer processo de conversão no AD e um sinal de clock deve ser aplicado ao pino SCK. Logo, no pino SO, teremos os 16 bits de dados expostos serialmente a cada borda de descida do sinal de clock sendo o bit mais significativo (bit 15) o primeiro e o menos significativo (bit 0) o último. Para iniciar um novo processo de conversão é necessário alterar o pino CS para nível alto novamente. O diagrama abaixo ilustra o protocolo de comunicação a ser estabelecido.

Diagrama do protocolo de comunicação serial (Fonte: Datasheet)

O conteúdo de cada bit da comunicação já foi exposto na figura 6 logo acima.

ESQUEMA DE LIGAÇÃO

O esquema de montagem deste tutorial está exposto abaixo. Note para a necessidade de um shift-level na entrada de dados do módulo do cartão pois o Arduino libera em sua saída um nível de 5V e este poderá danificar o cartão de memória que opera em 3V3. A imagem subsequente ilustra o módulo do cartão SD.

Esquemático de montagem

Módulo do cartão SD

Algoritmo

O algoritmo que implementa este data log de temperatura para termopar tipo K está indicado abaixo. Como sempre, o código está bem comentado e fácil de ler. Faz o uso das bibliotecas para leitura e escrita no catão de memória, SPI e a famosa <LiquidCrystal.h> para o display de 16×2 que mostra os valores de ambos os sensores. Uma imagem da leitura é indicada abaixo e na sequencia temos o algoritmo.

Detalhe do display 16×2


Resultados

Ao termino da programação e testes iniciais de leitura da temperatura dos sensores comuns e armazenamento dos dados no cartão SD, iniciamos um teste com um aparelho denominado CAPPO 10 Plus, da empresa ECIL Instrumentação, que nada mais é do que um gerador de sinais calibrado. Este equipamento foi calibrado em Agosto/2017, possui um selo de calibração emitido pelo Inmetro e segue a norma NBR ISSO/IEC 17025. A imagem deste equipamento está indicada abaixo.

Imagem Cappo 10

Realizamos 42 simulações de valores de temperatura para o termopar tipo K com o equipamento mencionado acima. Os resultados estão indicados na tabela abaixo. Notamos que até 530°C o MAX6675 comportou-se dentro do esperado para a faixa de tolerância indicada no datasheet. Após 530, obtemos leituras acima dos valores tolerantes. O gráfico após a tabela indica o valor de tolerância na linha alaranjada e os valore lidos pelo MAX na linha azul.

Tabela de simulação e medição de leitura

Gráfico dos resultados da simulação

Os resultados das medições dos valores de tensão expostos na tabela acima foram feitos utilizando um multímetro de bancada MDM-8045C da minipa. A imagem deste multímetro com um dos valores de medição, a aproximadamente 650°C, está indicado abaixo.

Leitura simulador em mV

Conclusão

Neste tutorial discutimos o método de leitura de temperatura utilizando os termopares do tipo K como sensores através do CI MAX6675. Um datalogs dos dados de temperatura também foi implementado utilizando um módulo para cartão SD.

Uma análise detalhada nos mostrou que os dados obtidos divergem dos apresentados no datasheet, no âmbito de tolerância de leituras de temperatura, para valores maiores do que 525°C até 1023°C.

Nossa análise nos mostrou também que este erro é devido principalmente a construção da placa e devido ao plano de terra do módulo de leitura.

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