Sind spezielle Klemmen erforderlich, um Thermoelementdrähte an eine Leiterplatte anzuschließen?

Ich versuche derzeit, ein Thermoelement vom Typ K in ein Elektronikprojekt zu integrieren. Ich beabsichtige, dieses Thermoelement mit dem kompakten Thermoelement-Digital-Wandler-IC MAX31855 zu verbinden .

Ich bin kein Experte für Thermoelemente und den Seebeck-Effekt, daher bin ich etwas neugierig, wie ich das Thermoelement tatsächlich auf der Leiterplatte landen soll. Angenommen, ich verwende lose Thermoelementdrähte.

Fragen:

• Kann ich eine beliebige Art von Klemme (z. B. eine einfache Durchgangslochschraube) verwenden, um die Drähte auf der Leiterplatte zu landen? Oder führen diese neuen Verbindungen zu Fehlern?

• Ist die Abschlussmethode vom Thermoelementtyp abhängig? Verwenden Sie beispielsweise dieses Terminal für Typ K, verwenden Sie dieses andere Terminal für Typ J usw.

Die Verwendung eines Klemmenblocks aus gewöhnlichen Materialien ist für ein System mit relativ geringer Genauigkeit, wie Sie es anstreben, völlig ausreichend.

Die Vergleichsstellenkompensation hängt davon ab, dass der Vergleichsstellensensor (in diesem Fall der Chip selbst) die gleiche Temperatur wie die beiden Verbindungsstellen hat, an denen der Thermoelementdraht zu Kupfer übergeht. Mit anderen Worten, alle drei sollten isotherm sein. Sie möchten also Gradienten minimieren, die durch Verlustleistung auf der Leiterplatte und durch Gradienten verursacht werden, die durch Wärme verursacht werden, die über die Drähte fließt. Sie können dies zusammen mit Bodenebenen oder zumindest Güssen erheblich unterstützen, indem Sie alles, was viel Wärme abführt, vom T / C-Block fernhalten. Halten Sie auch Luftströme vom Klemmenblock fern. Natürlich werden Sie den Chip sowohl physikalisch als auch thermisch so nah wie möglich am Klemmenblock platzieren.

In dieser Hinsicht gibt es keinen großen Unterschied zwischen den meisten Sensoren, da die meisten Thermoelemente ziemlich linear sind (ein paar Prozent), sodass der 1 ° C-Fehler an der Vergleichsstelle bei der Temperaturmessung bei etwa 1 ° C liegt.

Wenn die Verbindung nicht im Wind hängt oder eine erhöhte Temperatur aufweist (z. B.), ist es besser, Steckverbinder aus Thermoelementmaterialien zu verwenden. Dies erfolgt normalerweise für Steckverbinder für Schalttafelmontage und Inline-Steckverbinder. Sie sind normalerweise farbcodiert. In Nordamerika verwenden wir die ISA-Farbcodes und Typ K (Chromel-Alumel) ist gelb, Typ J (Eisen-Constantan) ist schwarz. Sie könnten beispielsweise einen Schott-K-Stecker haben und diesen in einem Gehäuse mit der Leiterplatte verbinden. In diesem Beispiel MÜSSEN Sie sowohl innen als auch außen das richtige Thermoelement-Verlängerungskabel verwenden, und es MUSS richtig angeschlossen sein (wenn Sie die Polarität vertauschen, wird der Fehler tatsächlich verdoppelt ). Beachten Sie, dass in den T / C-Farbcodes für Nordamerika Rot = negativ ist.

Jede Materialänderung führt zu einem Fehler im Signal. Wenn jedoch die Änderungen an beiden Klemmen gleich sind (sowohl hinsichtlich Material als auch Temperatur), werden diese Fehler behoben. Sie können also nahezu jede Methode verwenden, die Sie mögen, solange Sie die Dinge symmetrisch halten.

Zwei Dinge, auf die Sie achten sollten - Erstens ist die gemessene Temperatur die Differenz zwischen dem Thermoelementübergang und der Temperatur, bei der die beiden Drähte aus demselben Material bestehen, normalerweise die Kupferspur auf Ihrer Leiterplatte oder dem Klemmenblock. Dies bedeutet, dass bei Verwendung von Schraubklemmen der Temperatursensor für die Vergleichsstelle die gleiche Temperatur wie diese Schraubklemmen haben muss. Jeder Unterschied wird als Fehler in Ihrer Messung angezeigt.

Achten Sie zweitens auf Temperaturgradienten auf Ihrer Leiterplatte, z. B. wenn sich ein Anschluss näher an der Stromversorgung oder weiter von einer Luftstromquelle entfernt befindet, kann es etwas wärmer sein, was sich auf das Endergebnis auswirkt. Wenn sich die Klemmen an der Außenseite der Box befinden und die Referenz für die Vergleichsstelle im Inneren von einer CPU erwärmt wird, tritt ein großer Fehler auf.

Sie müssen irgendwann die Metalle wechseln, um eine Verbindung zum 31855 herzustellen.

Um eine Vergleichsstellenkompensation durchzuführen, muss der 31855 die Temperatur dieses Punktes kennen . Jeder Unterschied zwischen der Temperatur dieses Punkts und dem Punkt, den der 31855 erfasst, wird als Fehler bei der Temperaturmessung angezeigt.

Der 31855 misst seine Düsentemperatur als "Vergleichsstelle". Dies bedeutet, dass alles in Ordnung ist, solange der 31855 und Ihre Verbindung „Thermoelementdrähte zu Kupfer“ die gleiche Temperatur haben. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass der Übergang so nahe wie möglich am IC liegt und keine heißen Komponenten vorhanden sind, die irgendwo in der Nähe des IC Wärmegradienten erzeugen.

Die schnelle Antwort: Ja.

Die lange Antwort: Thermoelemente verwenden die Differenz zwischen zwei Metallen bei Temperaturen, um eine Spannung zu erzeugen, die für die Temperatur repräsentativ ist. Dies bedeutet, dass das gesamte Kabel vom Thermoelement zum Sensor aus dieser speziellen Metallkombination bestehen muss, damit Sie die Temperatur genau messen können. Zu diesem Zweck können Sie ein Thermokoppeldraht kaufen.

Davon abgesehen habe ich Systeme verwendet, bei denen wir ein K-Thermoelement hatten, das über Standardspuren in einen Standard-Header auf einer Leiterplatte einging, bevor wir in den Sensor gingen, und das könnte uns einen Wert geben. Das Problem bei der Verwendung von etwas anderem als einem richtigen Header ist die Genauigkeit des Lesens. Wir wussten ungefähr, wie hoch der Versatz war (schien bei den Temperaturen, an denen wir interessiert waren, ein Versatz von etwa + 4 ° C zu sein) und haben ihn einfach entsprechend angepasst. Dies war jedoch der Vorteil, dass wir uns in unseren eigenen Testzellen befanden, in denen wir andere Sensoren hatten, mit denen wir den Wert vergleichen konnten.

Während Sie also geeignete Anschlüsse verwenden sollten, können Sie ohne dies davonkommen.

Jedes Mal, wenn Sie zu einem anderen Metall-Thermoelementdraht-> Stecker Metall-> Lot-> Kupfer wechseln, fügen Sie eine weitere Thermoelementverbindung hinzu. Glücklicherweise fügen Sie immer zwei Verbindungsstellen gleichzeitig hinzu - eine im Kabel zum Thermoelement und eine im Kabel, das zurückkommt - und solange beide Verbindungsstellen die gleiche Temperatur haben, heben sich die beiden auf.

Der Gesamteffekt ist der gleiche wie bei nur zwei Übergängen: dem am Ende des Thermoelements (heiß) und dem am Übergang zwischen den beiden Thermoelementdrähten und dem Stecker (kalt).

Idealerweise sollten Sie Ihre Vergleichsstellenkompensation durchführen, indem Sie die Temperatur der Vergleichsstelle (dh des Steckverbinders) messen. Wenn der von Ihnen verwendete Chip den CJC ausführt, sollten Sie ihn so nah wie möglich am Stecker und so weit wie möglich von Wärmequellen entfernt platzieren.

Lassen Sie uns einige Zahlen auf das PCB-Design setzen. Standard-Kupferfolie ist 70 Grad pro Watt pro Quadrat. Somit haben Quadrate von 1 cm oder 1 mm oder 100 Mikron oder 10 cm, wobei ein Watt gleichmäßig entlang einer Kante injiziert wird und die Wärme NUR zur gegenüberliegenden Kante fließt, einen Temperaturgradienten von 70 Grad Celsius. Wenn Sie eine 100-Millwatt-MCU haben (die normalerweise damit beschäftigt ist, USB-Daten für eine Reihe anderer ICs zu verarbeiten), um diese 100 mW auf eine 3 Quadrate entfernte Metallschraube zu übertragen, beträgt der Temperaturgradient 0,1 W * 3 * 70 ° C / Watt = 21 Grad. C.

Holen Sie sich ein Quadrille-Pad und zeichnen Sie Wärmequellen und Wärmeabgänge sowie Schlitze in die Leiterplatte, um die Wärmeströme zu steuern. Und erwägen Sie die Verwendung von VDD- und GND-Ebenen, um die Wärme thermisch zu bewegen.

Wenn Sie ein Finite-Elemente-Modell unter Verwendung eines Widerstandsgitters in SPICE mit einem niedrigen Wert von Rs zum Modellieren des Kupfers und einem 100-fachen höheren Wert zum Modellieren des FR-4 durchführen, erhalten Sie eine Vorstellung davon, wie viel Überlappung von Ebenen erforderlich ist die Hälfte der Wärme in der heißeren Ebene in die kühlere Ebene abzulassen.