熱電対から一貫した正確な測定値を取得する方法は？

Mk9デュアルエクストルーダーにアップグレードすると、以前のサーミスターの代わりに熱電対がインストールされました。

熱電対で何をしたとしても、示された温度は30℃以上も跳ね上がりました。要するに、数週間いじった後、私は熱電対をうまく動作させることができず、サーミスタに置き換えました。

私の質問は、熱電対を使用して信頼性の高い一貫した正確な測定値を得るために必要なものは何ですか？彼らは信じられないほど手ごわいですか？

私が試したいくつかのことは次のとおりです。

• もちろん、小さな電圧差をArduinoまたは同様のアナログ入力で使用できる大きな差に変換するために、回路（通常はhttp://wiki.ultimaker.com/Thermocouple_Sensor_Board_v1などの熱電対アンプボード）を追加する必要があります。

• これらのボードを熱電対の近くに配置しますが、それ自体はかなり安定した温度になります。

• スプライスのワイヤ延長、ワイヤタイプ（材料）の変更などは一切ありません。

• 繰り返し測定を速すぎることは避けてください。

• Arduino、ピン構成、またはソフトウェアの問題を排除するために、熱電対ボードをポテンショメータからアナログ入力ピンに通して5Vに交換し、安定した読み取り値を得ました。

• ヒーターブロック、熱電対の両側、ヒーター自体などからの短絡をチェックしました。何も見つかりませんでした。

• 熱電対のワイヤは、編組シールドで囲まれています（一般的ではないか、いずれかの熱電対ワイヤに短絡しています）。ヒートブロック、プリンターフレーム、電源グランド、RAMPSボードのグランドに、両端と両端を接地してみました。これらにはさまざまな効果がありました（時には大きい）が、測定値を安定させる構成は見つかりませんでした（はるかに正確ではありません！）。

不足しているものはありますか？

ありがとう！

スティーブ

熱電対は、ゼーベック効果（通常は数十ミリボルト）を介して非常に小さな電圧を受動的に生成することで機能します。それらは文字通り、「ホット」エンドで電気的に接続された2種類の特殊合金で作られた単なるワイヤーのペアです。そのワイヤジャンクションは、どのような種類のアタッチメントチップまたはラグでも内部に取り付けることができます。

それらは非常にシンプルで受動的なデバイスであるという事実により、同じタイプのTC間で非常に正確で一貫性があり、サーミスタよりもはるかに優れています。世界中のタイプK熱電対は、同じ正確な出力+/- 1-2C程度を提供します。熱電対を半分に切断し、ワイヤーの端をねじり直しても機能します。

ただし、それらが生成する非常に小さな（ミリボルト）信号は、電気ノイズと回路設計の影響を非常に受けやすくなります。有用であるためには、信号電圧を大きく増幅する必要があります。そのため、TCの読み取りを妨げるために、ヒーターまたはステッパーワイヤからEMRをあまり必要としません。3DプリンターのTC回路でよくある問題は、恐ろしいグラウンドループです。「ホット」チップがホットブロックに電気的に接続されている場合、ヒーターとモーターワイヤの電圧と電流は、TCワイヤに小さな電流を誘導します。ミリボルト信号を上げます。アンプはこれらの浮遊電圧を拾い上げ、温度読み取りを無効にします。そのため、TCワイヤからノイズを排除するための重要なガイドラインがいくつかあります。

• TCワイヤーは、取り付け金具（アイラグ、サーモウェル、押出機の種類）から電気的に絶縁する必要があります。これはマルチメーターで確認できます。TCリードから取り付けチップおよびホットブロックまでの無限/範囲外の抵抗が必要です。その間、ヒーターカートリッジワイヤーがホットブロックに短絡していないことを確認してください。これは安全ではなく、TCで問題を引き起こす可能性があります。
• 2本のTCワイヤは、PWM制御ヒーターやステッパー配線などのノイズ源とすぐに平行ではなく、互いに近づけてください。TCを他のワイヤーと一緒に束ねて実行する必要がある場合は、ヒーター/ステッパーの配線ペアをツイストします。（ステッパーの場合、可能であれば、各コイルペアを異なるピッチにツイストします。別々のコイルペアを互いにツイストする必要はありません。）

TC回路に関するもう1つの一般的な問題は、冷接点補償です。熱電対はチップの温度を測定するのではなく、TCがアンプまたは銅の配線に接続されているホットチップとコールドジャンクション間の温度差を測定します。TCアンプには、サーモカップルからの測定信号に冷接点の温度を追加するために使用するオンボードサーミスタがあります。冷接点補償が適切に機能することを確認するために必要なことがいくつかあります。

• TCワイヤーは、「ホット」チップからTCアンプまでずっと配線する必要があります。スプライスしてプラグを取り付けることができますが、タイプK TCワイヤと適切なタイプK熱電対プラグのみが必要です。これらはTCワイヤと同じ金属を使用するため、TC信号に干渉する望ましくない接合電圧を生成しません。TCとアンプの間に銅線を接続すると、銅に沿った温度差は測定されません！これは、温かいエンクロージャー内で銅に接続し、次にエンクロージャー外のアンプに銅線を接続する場合、特に大きな問題です。
• アンプは極度に高温にしないでください。オンボードサーミスタは、ホットブロック温度ではなく、室温にかなり近い温度を正確に測定するように設計されています。
• アンプの近く、またはTCワイヤ終端と実際のアンプチップの間に大きな温度勾配があってはなりません。アンプをホットエンドやその他の熱源（ステッピングモーターなど）から十分に離して配置し、奇妙な温度プロファイルが発生しないようにします。

上記を行うと、TCは良好な信号を出力し、アンプはそれを適切に読み取ります。しかし、もう1つ問題があります。メインボードは、アンプの出力を理解する方法を知っている必要があります。Mightyboardsなど、TC専用に設計された3Dプリンターコントロールボードは、通常、アンプとメインコントロールチップ（MCU）の間でデジタル通信を使用します。これは高信頼性であり、特別なファームウェア構成を必要としません-サポートが組み込まれています。ただし、サーミスタを必要とするボードに外部TCアンプをストラップする場合は、必要と場合は、ファームウェアに信号の読み取り方法を伝える必要があります。アンプから。最も一般的な手法は、アンプが線形電圧信号をMCUの通常のサーミスタ入力（ADC）に出力することです。次に、その特定のアンプに適切な「サーミスタテーブル」（実際には電圧ルックアップテーブル）を使用するようにファームウェアを設定します。コントローラボードによっては、通常のサーミスタのプルアップ/プルダウン抵抗がアンプの出力に影響を与えないようにする必要があります。

そのため、以下を確認する必要があります。

• 電気ノイズの問題はありません
• 冷接点補償は意図したとおりに機能しています
• ファームウェアとコントローラーボードがアンプチップの出力用に正しく構成されている

これらすべてを行う場合、TCはサーミスタよりも優れた精度と信頼性を提供する必要があります。

熱電対に欠陥があるように聞こえます。しかし、「なぜ熱電対が不正確なのか」というグーグル検索を行ったところ、不良な熱電対と予防保守の特定に関するこの記事が見つかりました。この記事で多くのヒントを思いついたことは一度もありませんでしたが、そのような急激な温度エラーも経験していません。