Galvaanisesti eristetty monikanavainen termoparimittari

Abstract

Opinnäytetyön tarkoituksena oli toteuttaa galvaanisesti eristetty monikanavainen termoparimittari. Työssä suunniteltiin ja rakennettiin galvaanisesti eristetty monikanavainen termoparimittari , jolla mitataan lämpötila –10 ja –200 °C:n välisellä alueella K-tyyppisellä termoparilla ja joka toimii Raspberry Pi:n yhteydessä.

Opinnäytetyöraportissa käydään läpi termoparien teoriaa. Termopari on lämpötila-anturi, jonka toiminta perustuu lämpösähköilmiöön. Anturi soveltuu erittäin laajalle mittausalueelle ja haastaviin käyttöympäristöihin. Ominaisuuksiensa ansiosta termoparista on tullut suosittu teollisuudessa.

Laite suunniteltiin toimeksiantajan antaman määritelmän perusteella. Työssä avataan, mihin osiin laitteen rakenne perustuu ja selitetään kytkennässä käytettyjen komponenttien tehtävät ja toimintaperiaatteet. Termoparilta saatu jännitesignaali menee vahvistimelle, jossa jännite vahvistetaan 330-kertaiseksi. Vahvistettu signaali muunnetaan digitaaliseksi ja isolaattorin kautta lähetetään Raspberry Pi:lle. Isolaattorin rooli on tässä laitteessa tärkeä, sillä se tuottaa turvallisuutta ennen kaikkea käyttäjälle.

Piirilevysuunnittelu ja osasijoittelu toteutettiin PADS-ohjelmiston avulla. PADS on Mentor Graphicsin maksullinen piirilevysuunnitteluohjelmisto, joka on laajasti käytössä elektroniikan suunnittelussa Suomessa.

Mittarin toimivuus todettiin laboratoriossa oskilloskoopilla ja yleismittarilla tehdyissä testeissä. Mittaustulokset osoittivat, että laite on toimiva ja täyttää toimeksiantajan vaatimukset. Laitteen vaatimukset saavutetaan valitsemalla komponentit, joiden toleranssit ovat mahdollisimman pienet. Esimerkiksi käytetyt vastukset on valittu toleranssilla ±1%. A/D-muunnoksen tarkkuutta on parannettu koodilla, joka suoran yhtälön avulla kalibroi mittaustuloksia.

Valmis laite voidaan koteloida tai sitä voidaan käyttää laboratoriomittauksissa sellaisenaan. Laite on Huld Oy:n omaisuutta.

The purpose of the thesis is to create a galvanically isolated multichannel thermocouple thermometer. The thermometer will be used in the electronics laboratory of the company Huld Ltd.

The beginning of the study is dedicated to the theory of thermocouples. A thermocouple is a sensor used to measure temperature and it can be applied to extremely high temperature measurements.

The thesis describes how the printed circuit board (PCB) was designed, what the main components are and what role they play in the circuit. The circuit is based on a differential amplifier, which amplifies the signal coming from the thermocouple, an AD converter, which converts the signal from analog to digital form and a digital isolator, which provides safety.

The PCB was designed with PADS design software. PADS Logic was used to create the schematic and PADS Layout for making the PCB’s layout. The software and a license were provided by Huld Ltd.

After the PCB’s production, it was tested in Huld’s laboratory with an oscilloscope, a multimeter and scripts. During the tests, the amplification of the circuit, AD converter’s functionality and I2C bus’s traffic were checked. The tests have demonstrated that the device is working well and is suitable for internal measurements. The thermometer is the property of the company.