In campo fisico chimico da parecchi anni ormai vengono usati i data logger (registratori di dati) utilissimi per registrare un evento fisico o chimico tramite un normale PC.
Esistono data logger dedicati in grado di registrare per tempi più o meno lunghi varie grandezze fisico -chimiche : temperature, pressioni, pH, unita di misura elettriche ecc. Questi registratori sono tutti ottimi per l’uso a cui sono dedicati, hanno solo un difetto, costi relativamente elevati adatti solo ad un uso professionale.
Esistono inoltre data logger ad alta velocità (in pratica sono oscilloscopi USB) usati in campo elettronico.
Ci sono poi data logger per uso generale, e sono questi che rientrano nei miei interessi, che hanno dei costi molto più contenuti, ed alla portata del’uso amatoriale (se ne trovano a partire da 60 Euro). Il problema di questi registratori è che accettano solo ingressi in tensione, quindi per misurare una temperatura una pressione una corrente elettrica una potenza, bisogna porre a monte del data logger un’elettronica che converta queste grandezze fisiche in una tensione elettrica. Di seguito descriverò alcune di queste elettroniche da me realizzate ed impiegate con successo.
Un data logger si distingue per numero di canali disponibili (in genere sono quasi tutti multicanale). Per velocità : numero di letture/sec. (da un minimo di 100/sec a 100K/sec) Per risoluzione: 8 bit (256 livelli), 12 bit(4096 livelli) 16bit (65536livelli) 24 bit (16777216 livelli). I data logger meno costosi in genere accettano solo tensioni positive all’ingresso.
Nello schema sotto riportato, due circuiti per il rilievo di tensione d’alimentazione e corrente assorbita, da notare che tutta l’elettronica deve essere sistemata in un contenitore metallico collegato a massa per evitare interferenze da parte della frequenza di rete ed altro.
Il circuito per il rilievo della tensione è un semplice partitore resistivo, importante che le 2 resistenze siano del tipo a strato metallico con precisione 1% o meglio 0,5% ; l’induttanza
L e la cap.
C costituiscono un filtro passa basso per tagliare eventuali frequenze indesiderate, questo circuito è stato adoperato su un fornetto ad induzione, all’ ingresso il rapporto del partitore è 10:1 (40V all’ingesso vengono ridotti a 4 V in uscita).
Il circuito per il rilievo della corrente si avvale di uno shunt da 0,1 ohm e di 2 circuiti operazionali contenuti in un TL082. Lo shunt deve essere di costantana o meglio manganina leghe che presentano la minima variazione di resistenza al variare della temperatura. In assenza di queste si potrebbe anche usare filo di rame da avvolgimenti ma deve essere di un certo spessore D da1 a 2 mm, (per limitare il suo riscaldamento) in questo caso il filo diventa parecchio lungo e và avvolto su un tubo di plastica con tecnica bifilare per azzerare la sua induttanza, in ogni caso se il filo si riscalda si avrà un errore di misura.
Per il buon funzionamento di questo circuito vanno usati per
P3 e
P4 trimmer a filo multigiri. Anche in questo circuito viene usato un filtro
RC passa basso in ingresso ed uno in uscita per garantire al data logger un segnale pulito. (Il sistema viene usato in presenza di campi elettromagnetici)
Il guadagno del primo stadio OP
G = 1+R2/R1 =7,66 quello del secondo stadio invertente
G=P4/R3.
Modalità di taratura Con I passante nello shunt = 0 tarare l’Off-set con
P3 sino ad ottenere 0V al punto
B; far passare attraverso lo shunt una corrente nota es. 5 A e tarare il trimmer
P4 sino ad ottenere al punto
C esattamente 5V.
Al
CH1 del data logger viene inviata la tensione che va moltiplicata per 10 per ottenere la reale tensione.
Al
CH2 viene inviata la tensione che numericamente corrisponde alla I (A) assorbita dal carico.
Da ricordare che con le tenzioni di alimentazione indicate nello schema ±12V la massima tensione misurabile è 90V CH1
e la massima I misurabile con precisione è di 9A sopra questi valori i due operazionali vanno in saturazione, per misurare tensioni e correnti piu elevate bisogna alzare la tensione di alimentazione ±15V o ±18V.
Sotto esempio di una realizzazione con circuito stampato mille fori. Questo stampato contiene anche un circuito per il rilievo di temperature tramite termocoppia
Di seguito la realizzazione di un paio di misuratori di temperatura adatti all’uso con data logger.
Le misure di temperature tramite termocoppie sfruttano l’effetto Seebeck tra due diversi metalli o leghe.
Nella misura è necessario una giunzione calda a contatto con il corpo di cui si vuole misurare la temperatura ed una giunzione fredda tenuta alla temperatura di 0ºC (ghiaccio fondente) come riferimento. Visto che è praticamente piuttosto scomodo usare un sistema del genere, la giunzione fredda viene simulata elettronicamente.
Per la realizzazione di questo progetto è indispensabile essere in possesso di un termometro elettronico a termocoppia per la taratura, un oscilloscopio potrebbe essere utile ma non indispensabile ( questo per rilevare eventuali auto oscillazione che possono insorgere se il sistema non è ben schermato) Per quanto riguarda la teoria sulle termocoppie rimando a:
-
Termocoppie e termoresistenze
-
Introduzione e teoria sulle termocoppie
Il primo schema che propongo è alloggiato nello stesso circuito stampato dei 2 circuiti precedentemente descritti
E’ costituito da un
TL081 ed un TL 084, la termocoppia da me usata e del tipo K (Chromel – Alumel) che teoricamente permette misure nel range - 200 + 1250 ºC, abbastanza lineare nel tratto 0 - 1000 ºC .
Per un corretto funzionamento i trimmer
P1 e P3 devono essere a filo o strato metallico multigiri. I fili della termocoppia vanno opportunamente schermati non è consigliabile usare il connettore DB25 per fare entrare i fili della termocoppia in quanto bisogna creare un giunto isotermo, una morsettiera come nello schema dove i punti di contatto fra i fili si trovano alla stessa temperatura (temperatura ambiente).
IC1, IC2, IC3 costituiscono un amplificatore differenziale con configurazione adatta per strumenti di misura con i 2 ingressi ad elevatissima impedenza, per i particolari vedere
- Amplifiers and signal conditioners.
La resistenza
R e la capacità
C all’ingresso di
IC1 e IC2 costituiscono un filtro passa basso per l’eliminazione di qualsiasi frequenza parassita in ingresso, se non necessari possono anche essere eliminati, (questo tipo di filtrazione del segnale mi ha permesso di rilevare la temperatura di un crogiolo inserito in un forno ad induzione, dove uno strumento commerciale a termocoppia aveva fallito ).
Le resistenze
R4, R5, R6 ,R7. sarebbe utile fossero almeno al 2% di precisione, in alternativa misurarle con tester ed annotarne il valore esatto.
Tratura del circuito
Per la taratura di questo circuito è necessario conoscere il guadagno del blocco:
IC1, IC2, IC3.
G=[1+2(R5/R4)]R7/R6=104 (con i valori dello schema)
Bisogna inoltre procurarsi la tabella di riferimento per termocoppia tipo K che trovate qui:
- Thermocouple K
Ora supponiamo che il circuito e la sonda si trovino alla temperatura ambiente di 22 º C sulla tabella sopraindicata ricaviamo che a 22 ºC corrispondono 0,879 mV moltiplichiamo questo valore per il guadagno sopraindicato :
0,879x104 = 91,41 mV agiamo su
P1 sino ad avere al punto
D esattamente 91,41mV ora abbiamo in questo modo introdotto nel sistema di misura lo stesso effetto di una giunzione a 0 C.
Poniamo la TC a contatto con un corpo a temperatura nota es. 100º C controllato con un term. elettronico e regoliamo
P2 sino ad ottenere al punto
E 1,00 V. in questo modo il termometro è tarato, basta moltiplicare per 100 il valore in V rilevato all’uscita
E per ottenere la temp. in ºC (Es 4,00 V in uscita = 400 ºC).
Una volta tarato, il circuito misura anche temp. negative (sotto zero), il difetto di questo circuito consiste nel fatto che in caso di variazione della temperatura ambiente si introduce un errore che per valori di temperatura elevati (300 ºC ed oltre) è trascurabile, ma per valori bassi nò ed andrebbe ritarato
P1 considerando la nuova temperatura ambiente; per tutto il resto il circuito funziona senza alcun problema.
Per introdurre la correzione automaticamente sarebbe necessario introdurre una tensione di correzione tramite un ponte di Wheatstone ed un termistore come descritto qui a pag. 12
- Measurement Systems
Sotto il circuito completo per il trattamento dei 3 segnali V,I e ºC.
Per un circuito più completo che non necessita di tutte queste tarature e limitazioni, e con giunzione di riferimento a = 0ºC che si compensa automaticamente al variare della temperatura ambiente bisogna ricorrere ad un C.I. dedicato, tipo l’ AD595 che è specifico per la termocoppia tipo K . Di questo tipo esistono 2 versioni: la A con precisione 3%, e la C con precisione 1%, certo questo non è un componente che si trova nel negozio d’elettronica sotto casa, si può però reperire facilmente su ebay ad un prezzo di 10–15 € per la versione A, 20-25 € per la versione C.
Qui il data sheet del AD595 :
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD594_595.pdf che contiene pure la tabella di taratura.
Di questo componente esiste anche la versione per la termocoppia tipo J (ferro – costantana): l’ AD594.
Sotto lo schema adatto per la termocoppia tipo K
Non è necessaria nessuna taratura, in uscita
CH3 abbiamo una tensione che moltipllicata x100 dà direttamente la temp. in ºC (Es. 6,30V su CH3 = 630ºC).
Anche qui è stato inserito all’ingresso un filtro
RC che se non serve si può eliminare. Lo schema sopra riportato permette di rilevare solo temperature positive se necessita la lettura di temperature sotto zero bisogna alimentare con ±12V lo schema di alimentazione lo potete trovare qui:
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD594_595.pdf
e qui per altre possibili calibrazioni: Application notes
http://www.analog.com/en/special-linear-functions/thermocouple-interface/ad594/products/product.html
Sotto il circuito completo per il trattamento dei 3 segnali V,I e ºC. con AD595
Realizzazione del circuito per il trattamento dei 3 segnali V,I e ºC. con AD595
Bibliografia:
- Termocoppie e termoresistenze
- Introduzione e teoria sulle termocoppie
- Amplifiers and signal conditioners.
- Tabelle per termocoppie K
- Misure di temperature
- AD595 Applications notes
