Thermokoppel Met LCD Display

Wij hebben voor ons DEF project een thermokoppel gebouwd. Dit zijn twee draden van een verschillend metaal, waar een stroom in gaat lopen door een temperatuurverschil. Deze meten we met een arduino en laten we zien op een lcd display. Ook laten we merken dat iets heet is door een rode waarschuwings LED aan te zetten.

Materialen

• Houten plank (ongeveer 50cm x 50cm)
• Ongeveer 30cm koperdraad
• Ongeveer 30cm Constantaandraad (pas op: dit kan heel dun zijn)
• 8 jumperdraadjes
• Krimpkousjes
• Soldeertin
• Een kroonsteentje
• Kabelclipjes
• Kleine schroefjes (ø 15mm)
• Een bakje
• Een (klein) breadboard
• Een Arduino Uno
• Een LCD display
• Een I2C adapter
• Een verhittingselement (in ons geval een kookplaat)
• Een verkoelingselement (in ons geval smeltend ijs)
• Een plaat piepschuim (15cm x 15cm x 5cm)
• Optioneel: 120cm x 30cm kippengaas als beveiliging.

Benodigd gereedschap

• Hamer
• Schroevendraaier
• Spanningszoeker
• Striptang
• Soldeerijzer
• Föhn
• Lijmpistool
• Stanleymes
• Kniptang

Benodigde skills voor het maken van de thermokoppel

• Solderen
• Een arduino programmeren
• Een lijmpistool gebruiken

Het thermokoppel bestaat uit twee verschillende draden. Een draad van volledig koper en een draad van constantaan dat vast zit aan een koperdraad. Als je kijkt naar bovenstaande schets van het circuit zie je twee knooppunten met een verschillende temperatuur (dit zijn geen weerstanden). Het stukje tussen de twee knooppunten is van constantaandraad gemaakt. De rest is koperdraad.

Begin met de volledige koperdraad. Strip ongeveer 7cm van de koperdraad aan een uiteinde weg, dit gaat verhit worden en je wilt geen smeltend isolatiemateriaal hebben. Aan het andere uiteinde: strip 1-2cm weg en knip een jumperdraadje door midden. Strip van het jumperdraadje ook 1-2cm weg en doe er een krimpkous omheen (nog niet verhitten). De krimpkous moet aan beiden kanten van het knooppunt tot en met het isolatiemateriaal kunnen komen. Soldeer de twee draden aan elkaar (zorg dat je goede ventilatie hebt) en verplaats de krimpkous naar het knooppunt. Verhit nu de krimpkous met een Föhn tot deze strak om de draden heen zit.

Doe hetzelfde voor de constantaandraad (let op: het constantaandraad heeft waarschijnlijk geen isolatiemateriaal, je kan dus het strippen overslaan. Voeg alsnog wel een krimpkous toe aan het knooppunt). Zorg ervoor dat je genoeg koperdraad hebt. Het knooppunt van de koperdraad en de constantaandraad gaat het koude punt worden en komt in het bakje te liggen en moet dus een stukje van het breadboard af kunnen. Voeg zo nodig nog een stuk koperdraad toe tussen de constantaandraad en het jumperdraadje.

Pak nu het kroonsteentje en verwijder uit deze een van de koperen hulzen waar stroomdraden in worden gestoken (zie foto's). Breng hier in een uiteinde het gestripte einde van de koperdraad in en aan het andere einde de constantaandraad. Zorg ervoor dat de draden om elkaar heen gewikkeld zijn en goed contact make (NB: gebruik GEEN soldeertin, dit punt zal het hete knooppunt worden en het soldeertin zal smelten). Schroef de kroonsteen dicht en het thermokoppel is klaar.

Maak de thermokoppel vast aan de plank met de kabelclips. Doe dit op een manier die handig is voor jezelf en houd rekening met de plaatsing van het bakje en de hittebron.

De stroom van de thermokoppel moet gemeten worden. Hiervoor gebruiken we een Arduino Uno en een breadboard.

Begin met de breadboard aan de plank plakken met de plakrand die erop zit. Schroef vlak daarnaast de arduino in de plank met de kleine schroefjes en de gaatjes van de arduino. Verbindt de thermokoppel (via de breadboard) als getoond op het plaatje aan de arduino (de 'koude' kant komt aan de aarde). De code voor op de arduino is op https://github.com/jozefkes/Thermokoppel.git te vinden. Kopieer deze naar Arduino IDE en zorg dat je de library "LiquidCrystal I2C" hebt gedownload (Dit is belangrijk voor later). Upload vervolgens deze code naar je arduino.

Dan misschien wel het belangrijkste deel van een thermokoppel: de temperatuur. Zoals eerder genoemd heeft een thermokoppel een warm knooppunt en een koud knooppunt. Het koude knooppunt plaatsen we in een bakje waar we smeltend ijs in gaan plaatsen voor een koude referentietemperatuur van 0° C. Het hete knooppunt leggen we neer op een kookplaat die opwarmt tot bijna 400° C.

Begin met het bakje aan de plank te lijmen met behulp van je lijmpistool. Zorg dat hij stevig vast zit. Pak dan je piepschuim en maak voor je bakje een isolerende laag die de koude temperatuur vast moet houden. Hierdoor hoef je niet constant je ijs te vervangen. Wij hebben deze laag gemaakt door de dimensies van ons bakje te meten en elk onderdeel af te zagen met een stanleymesje om ze vervolgens aan elkaar de lijmen. Plaats in dit bakje je gesoldeerde knooppunt tussen constantaandraad en koperdraad.

Plaats het hete knooppunt (zie eerste plaatje) op de kookplaat. Als je de kookplaat nu aanzet zal er een temperatuurverschil zijn en zal je arduino een spanning kunnen meten. Let op: een arduino kan op zijn minst een bit meten wat ongeveer gelijk staat aan 5mV. Een thermokoppel produceert niet veel stroom en die van ons maakte bij een kookplaat op ongeveer 300° C slechts 16mV. Je zal dus even moeten wachten tot je arduino daadwerkelijk iets meet.

Zit jij nou net als wij in een situatie waar je de thermokoppel moet presenteren en het gevaarlijk kan zijn voor publiek om een hete kookplaat open en bloot neer te zetten? Dan is het aan te raden om als veiligheidsmaatregel een kooi te maken waar de kookplaat in kan staan. Wij hebben er eentje gemaakt van kippengaas (zie laatste foto).

Pak de aangegeven hoeveelheid kippengaas of iets dat lang genoeg is om om je kookplaat heen te kunnen gaan. Vorm het kippengaas om je kookplaat heen en vouw de onderkant om, zodat je kookplaat je gaas op zijn plek kan houden, of desnoods zodat je het gaas in je plank kan schroeven. Kijk waar de stroomtoevoer en bedieningsknop van je kookplaat zitten en knip met een scherpe tang gaten in het kippengaas zodat je bij de knop kan en de stekker erdoorheen kan. De draden van je thermokoppel zijn als het goed is klein genoeg om door de kleine gaatjes heen te gaan.

We laten de arduino meten of er een spanning op de thermokoppel staat, maar we willen ook laten zien dat deze er is, zonder naar een computerscherm te hoeven kijken. Dit doen we op twee manieren: allereerst laten we een rode LED branden om aan te duiden dat het gemeten gebied heet is. We laten ook het gemeten voltage zien op een LCD scherm.

Sluit eerst je LED lampjes en weerstanden aan in de breadboard zoals in de eerste schets is gegeven. De onderste LED moet groen zijn en de bovenste LED moer rood zijn. Als je de code upload zal de groene LED aangaan om aan te duiden dat de temperatuur veilig is. Zodra de arduino een voltage meet zal deze de groene LED uitschakelen en de rode LED aanzetten.

Dan voor de LCD display. Pak je display en de I2C adapter. De display heeft als het goed is 16 gaatjes en de I2C adapter een rij met 16 pins. Steek de pins vanaf onder door de gaatjes en soldeer elke pin vast aan de LCD display. Verbindt nu de I2C adapter zoals gegeven staat in de tweede schets met de arduino. Tip: je merkt misschien dat er nu al veel draadjes naar de ground van de arduino gaan. Stop alle grounds in de min kant van het breadboard en doe één draadje van je breadboard naar de ground van je arduino. Schroef ten slotte je LCD display ook in de plank.

Na dit ben je klaar met de opstelling. Kijk hoeveel stroom jij kan opwekken.