Fyzikální kabinet FyzKAB

Články Fyzikální pomůcky DIY bodové teplotní čidlo Vernier

DIY bodové teplotní čidlo Vernier

Bodové teplotní čidlo Vernier (STS-BTA, čili Surface Temperature Sensor) je teplotní čidlo pro kontaktní měření teploty v daném bodě. Jak uvádí výrobce, jedná se o šikovné čidlo, které díky malému objemu má rovněž malou tepelnou kapacitu, proto reaguje rychle a téměř neovlivňuje teplotu zkoumaného vzorku. Čidlo je vhodné například pro monitorování rozložení teploty v nádobě s horkou vodou, kdy důsledkem různé hustoty teplé a studené vody dochází k rozvrstvení.

Vernier Surface Temperature Sensor
Obr. č. 1 – Bodové teplotní čidlo Vernier (STS-BTA)

Ve své podstatě se jedná o velmi jednoduché čidlo, které se skládá pouze z malého termistoru a rezistoru identifikace modulu. Nejdražší položkou celého čidla je „verniérovský“ konektor BTA, který slouží k připojení do analogového vstupu dataloggeru LabQuest nebo k počítači přes USB připojení Go!Link.

Používání čidla je jasné a intuitivní, vše pracuje, jak má. Problémem tohoto čidla je však jeho cena! To, že školní pomůcky jsou drahé, jsme si již všichni nějak zvykli. Ale upřímně… Zaplatit přes dva tisíce korun vlastně za termistor, který lze koupit v libovolném obchodě s elektronikou za cenu okolo 10 Kč, tak to je už opravdový úlet! Zvláště pokud si uvědomíme, že jedním čidlem nám není pomoženo. Chceme-li, aby žáci pracovali samostatně, nebo aspoň pracovali při skupinových aktivitách, je jasné, že vstupní investice v podobě minimálně deseti těchto teploměrů je prostě masakr!

V dnešním článku se tedy podíváme, jak si za toto čidlo vyrobit kompatibilní cenově snesitelnou DIY náhradu. Samozřejmě, že finální celkové náklady budou vyšší než zmíněných 10 Kč, ale i tak za cenu jednoho originálního Vernier čidla si dokážeme (s přehledem!) vyrobit alternativních čidel minimálně deset!

Funkce čidla teploměru

Abychom věděli, jak teplotní čidlo nahradit, musíme se nejdříve podívat, jak vlastně funguje. Čidla Vernier se obecně dělí do dvou kategorií: digitální a analogová. Mezi ty nejjednodušší digitální čidla můžeme zařadit kupříkladu světelnou závoru, kdy přerušení světelného paprsku vyvolá digitální pulz na výstupu. Na výstupu je tedy jen dvojice možných napětí. Měření teploty naopak probíhá v podobě analogové, kdy výstupným signálem je celé rozmezí napětí v daném intervalu. Každý typ čidla má tedy zcela odlišný způsob komunikace. Aby se poznalo, které čidlo je analogové a které je digitální, a mohli je správně zapojit, liší se použitými kolektory. V obou případech se jedná o šestipinové britské telefonní konektory, jen v případě analogového čidla je použita jejich pravá varianta, u digitálních čidel naopak levá varianta konektoru.

My se v tomto případě zaměříme jen na analogový konektor BTA. Nejdříve si zde uvedeme celé jeho osazení, jak je uvedeno přímo na stránkách společnosti Vernier.

Vernier Analog
(Konektor BT-631A)
Piny Pozn.
BTA connector 1 – Sensor output Analogový symetrický výstup čidel
(napěťové rozmezí ±10 V)
2 – GND Zemnění
3 – Vres Výstup napěťové reference pro měření rezistorů
(jedná se o výstup z jedné poloviny děliče napětí)
4 – AutoIDENT Pin pro automatickou identifikaci připojeného čidla
(identifikace probíhá na základě propojení pinu 4 a GND zadaným rezistorem)
5 – Power Výstup napájecího napětí 5 V (DC)
6 – Sensor output Analogový asymetrický výstup čidel
(napěťové rozmezí 0–5 V)

Tab. č. 1 – Popis pinů BTA konektoru analogových čidel Vernier

Z popisu jednotlivých pinů konektoru BTA čidel Vernier vidíme, že nejjednodušší cestou k měření teploty je využití převodu teploty na elektrický odpor. Nejinak tomu bude i u bodového čidla Vernier (STS-BTA).

Mezi piny č. 4 (AutoIDENT) a 2 (GND) musí být zapojen rezistor, který velikostí svého odporu určuje typ čidla. Měřicí termistor pak musí být zapojen mezi piny 3 (Vres) a 2 (GND). Pin 3 je v DataLogeru patrně spojen přes zabudovaný pevný rezistor na vnitřní napěťovou referenci. Připojením vnějšího termistoru tedy vznikne dělič napětí. Napětí na pinu 2 je tedy úměrné velikosti připojeného vnějšího odporu (termistoru). Abychom mohli toto napětí načíst, je pin 2 spojen s pinem 6, který slouží jako napěťový vstup dataloggeru LabQuest. Známe-li velikost napěťové reference, velikost vnitřního rezistoru (obojí je dáno konstrukcí LabQuestu) a naměřeného napětí na připojeném vnějším rezistoru (pin 6), je určení vnějšího odporu pouhou matematickou rozcvičkou.

Návrh čidla

Známe-li princip funkce teplotního čidla, můžeme zkusit navrhnout a realizovat zapojení své DIY varianty. Následující schéma na obr. 2 ukazuje návrh našeho zapojení. Toto zapojení vychází nejen z našich úvah a z výše uvedené „spekulace“ o funkci čidla a LabQuestu, ale i vychází ze schématu ohmmetru, které je prezentované v článku: Jak si vyrobit senzor pro měřicí systém Vernier?, který naše výše uvedené úvahy potvrzuje.

DIY teploměr schéma
Obr. 2 – Schéma zapojení DIY teplotního čidla

Jak bylo naznačeno v popisu funkce čidla, celé zapojení vychází přímo z funkcí jednotlivých pinů. Pin č. 4 (autoIDENT) je přes rezistor 10 kΩ spojen se zemí (pin č. 2). Tím je zajištěno, že po připojení čidla do LabQuestu bude naše čidlo identifikováno jako teploměr, nikoliv třeba jako ohmmetr (i když na jeho principu pochopitelně toto čidlo funguje). Hodnotu identifikačního rezistoru jsme získali ze souboru sensormap.xml, který je součástí kteréhokoliv programu pro načítání Vernier čidel. My jsme jej našli v podsložce cs/Support složky programu Logger Lite (což je free program pro čidla Vernier). Soubor sensormap.xml je klasický XML soubor, tedy čitelní při otevření v poznámkovém bloku. Hodnota identifikačního rezistoru je uvedena v sekci věnované STS-BTA čidlu a to konkrétně v položce BaseID="10".

Hodnotu měřicího termistoru (nominální hodnota je udávána při 25 °C) lze dopočítat z kalibračních konstant, které opět najdeme v souboru sensormap.xml. Tyto konstanty slouží k převodu naměřeného odporu na teplotu a najdeme je v sekci <CalibrationList …> daného čidla.

<Equation Type="12" LabProOp="14" K0="0.00102119" K1="0.000222468" K2="1.33342e-07"/>

Pokud použijeme trochu odlišný typ termistoru s odlišnou charakteristikou, než má originální teplotní čidlo, a chtěli bychom tento rozdíl softwarově dokorigovat, mohli bychom to asi změnit zde. (Tomu se ale, pokud možno, vyhněme!) Naším štěstím je, že v rámci požadované přesnosti se u běžných termistorů moc charakteristika plynoucí z jejich principu neliší.

Převodní vztah mezi odporem teplotního čidla R a teplotou t ve stupních Celsia (popř. kelvinech) je následující:

t [°C] = 1 K 0 + K 1 · ln  R + K 2 · ( ln  R ) 3 teplota v kelvinech 273,15

kde R je odpor čidla a konstanty K0, K1 a K2 jsou kalibrační konstanty K0, K1 a K2 ze souboru sensormap.xml.

Milovníci matematiky si mohou za teplotu t dosadit hodnotu 25 °C a dopočítat hledanou nominální hodnotu termistoru R při této teplotě. Získáme tak hodnotu termistoru, který posléze zakoupíme v obchodě s elektronickými součástkami.

Matematicky „líní“ se asi rovnou smíří s tím, že výsledná hodnota termistoru je 20 kΩ.

Pro experimentálně založené jedince, kteří chtějí získat nominální hodnotu termistoru, je možné nejdříve místo termistoru připájet víceotáčkový trimr. Po připojení takto vzniklého „čidla“ do LabQuestu postupně trimr nastavovat, až na displeji dosáhneme teploty 25 °C. Nyní stačí trimr odpájet a změřit jeho hodnotu. I v tomto případě bychom měli zjistit stejnou hodnotu, tedy 20 kΩ.

Díky tomu, že jsme naše DIY čidlo navrhli na hodnotách součástek, které systém Vernier očekává u svého originálního čidla STS-BTA, zaručili jsme našemu výrobku po připojení k LabQuestu 100% kompatibilitu z hlediska detekce a načítání odporu termistoru.

Sláva! Teoreticky máme tedy vše hotovo.

Stavba čidla

Praktická stavba by měla být záležitostí chvíle – připájet rezistor a termistor na konektor by neměl být problém. Bohužel problém trochu nastává právě s tím BTA konektorem!

Konektor BT 631A

BTA konektor (přesné označení pro případné „googlení“ je BT 631A) je konektorem využívaným v britských telekomunikacích, zde na kontinentu se jedná o velmi exotický kousek a bohužel není zrovna běžným zbožím. Navíc jde o tzv. krimpovací konektory, tedy pro připojení kabelu potřebujete zcela speciální kleště (viz obr. 3) – podobně jako u konektoru RJ-45 na LAN kabelu pro připojení k internetu (kleště na RJ konektory však na BTA konektroy použít nelze!).

Možnosti máme v zásadě dvě: buď objednat si konektory v zahraničí a ručně je nakrimpovat, nebo zkusit sehnat již hotový kabel s tímto konektorem a střihnout ho. Trochu se na obě varianty podíváme.

Krimpování konetoru

Pokud se rozhodnete koupit celou sadu konektorů BT 631A, jde asi o nejlevnější variantu. Můžete zkusit využít někoho známého, kdo aktuálně sídlí na britských ostrovech. Ten by konektory mohl sehnat tam. Jinak nám nezbývá nic jiného, než se tradičně orientovat na čínské e-shopy. Při nákupu si dejte pozor, aby skutečně šlo o konektory s 6 piny. Podobně jako u našich telefonních konektorů existují varianty tvarově stejné, ale osazené různým počtem kontaktů. Např. typ BT 431A vypadá na první pohled stejně, jen dva krajní kontakty nejsou osazeny. Pro zařízení Vernier potřebujeme mít vždy k dispozici všech 6 pinů, i když třeba některé zrovna nevyužijme! Číslice 6 v označení typu BT 631A by měla zaručovat potřebných 6 pinů.

Problémem je, že práce s těmito konektory vyžaduje speciální kleště, které se z hlediska ceny stavby stanou Vaší počáteční investicí. Tyto krimpovací kleště opět v Čechách běžně nekoupíte.

kleště BTA
Obr. 3 – Krimpovací kleště pro BTA konektory

V případě nouze lze místo kleští použít plochý šroubovák, jeho tlakem (nebo opatrným poklepáváním na rukojeť) se Vám podaří zarazit kontakty do vložených vodičů, tedy vytvořit vodivé spojení. Ale je to práce nepříjemná, minimálně pro dva lidi, kdy jeden člověk drží konektor a kabel, druhý se snaží udržet plochý hrot šroubováku na zvoleném kontaktu konektoru. Silou nebo poklepáváním je třeba opatrně zatlačit kontakt do platového těla konektoru (viz obr. 4). Kovové kontakty konektoru jsou relativně velké a dostatečně vystouplé z těla konektoru, takže to jde rozhodně lépe než takto třeba krimpovat naše konektory RJ.

krimpovaní kontaktů
Obr. 4 – Postupné „zaklepávání“ kontaktů BTA konektoru na vodiče připojeného kabelu

Po zatlačení kontaktů do konektoru a vytvoření vodivého spojení s jednotlivými vodiči je třeba ještě zacvaknout platový zámeček pro fixaci kabelu v konektoru (viz obr. 5).

zacvaknutí zámečku kabelu
Obr. 5 – (vzadu) Zakrimpované kontakty a zacvakávání zámečku kabelu plochým šroubovákem,
(vpředu) Konektor připravený pro krimpování.

Nesporným pozitivem této metody je nejen cena, ale především ta nefalšovaná radost, když se to (náhodou) povede! 😉

Nákup kabelu s BTA

Pokud Vás předchozí odstavec vyděsil natolik, že přemýšlíte o nákupu originálního čidla Vernier, máme pro Vás ještě jedno řešení. Asi schůdnější cestou je nákup kabelu s BTA konektorem a jeho použití. Tyto kabely opět nejsou zcela běžných sortimentem, ale na rozdíl od holých konektorů se již dají v Čechách občas koupit. Asi nejlepší je koupit kabel oboustranně osazený konektory BTA. Přestřižením jednoho kabelu tak máme rázem dva použitelné BTA konektory s již připojeným kusem kabelu. Cena je v tomto případě také přívětivá. V den sepisování tohoto článku (květen 2024) je na jednom českém e-shopu takový kabel (oboustranně osazený šestipinovými BTA konektory) dostupný skladem za méně než 100 Kč.

I zde je však třeba varovat před nákupem kabelu s nižším počtem osazených kovových kontaktů (viz obr. 6). Ze samé radosti, že jsme našli ten nejlevnější kabel, bychom si mohli koupit něco, co by pak bylo k nepotřebě. Chybějící kontakty pinu 1 a pinu 6 odpovídají oběma analogovým výstupům čidla, to je pro naše účely špatně!

srovnání kabelů s konektory BT-631A a BT-431A
Obr. 6 – Srovnání kabelů s konektorem BT 631A a BT 431A
(je třeba sledovat počet kovových kontaktů na těle konektoru)

NTC termistor 20 kΩ

V případě termistoru máme hned několik možností (viz obr. 7). Asi nejlepší je zakoupit termistor ve skleněném pouzdře, který lze bez problémů namáčet. Lze vybrat i pouzdro v provedení černé pryskyřice, které se nejvíce podobá originálnímu bodovému čidlu. Bohužel ne všechny prodejny elektronických součástek budou míst právě Vámi požadované provedení v potřebné nominální hodnotě 20 kΩ. V případě, že seženete provedení zapouzdřené jen v barvě, je dobré tento termistor ještě „naimpregnovat“ – hlavičku termistoru smočit v kapce epoxidu, který po vytvrzení termistor hermeticky zapouzdří.

různé typy termistorů
Obr. 7 – Různá provedení pouzder termistorů

Docela zajímavou variantou termistoru je termistor zapouzdřený do nerezového pouzdra. Toto provedení jistě známe kupříkladu z teplotních čidel pro domácích meteostanice. Jedná se o nerezový váleček dlouhý asi 2 cm o průměru cca 4 mm (viz obr. 8). Čidlo pak lze bez problémů vystavovat i agresivnějším prostředím nebo chemikáliím.

termistor s nerezovým pouzdrem
Obr. 8 – Provedení termistoru 20 kΩ v nerezovém pouzdru

Pravda, toto pojetí se od původního bodového čidla trochu vzdaluje, ale zase toto provedení vypadá mnohem fortelněji, tedy i tak nějak „žákůmvzdorněji“. Použitím tohoto typu termistoru získáme čidlo, které je svými parametry něco mezi teploměry Vernier STS-BTA (Surface Temperature Sensor) a Vernier TMP-BTA (Stainless Steel Temperature Probe). I to se někdy může hodit. 👍

Kontrola přesnosti měření

Poslední fází výroby našeho DIY čidla je nutná kontrola přesnosti měření. Pro tuto kontrolu jsem využili USB teploměr Go!Temp, na jehož špičku jsme dočasně připevnili termistor našeho čidla, aby oba teploměry měřily pokud možno ve stejném místě. Oba teploměry jsme pak vnořili do termohrnku, ve kterém jsme nechali pomalu chladnout horkou vodu. Teploměr USB Go!Temp byl načítán počítačem, naše DIY čidlo vyhodnocoval datalogger LabQuest. V případě teploty 25 °C byla shoda jasná, otázkou bylo, zda se teplotní charakteristika nebude příliš odchylovat u vyšších (popř. nižších) teplot. Obrázek č. 9 ukazuje situaci při teplotě 83 °C. Uvědomíme-li si, že samotný teploměr Go!Temp i originální STS-BTA čidlo mají přesnost měření ±0,5 °C, tak vidíme, že shoda je velice slušná.

kalibrace čidla s termistorem
Obr. 9 – Připevnění termistoru na špičku USB teploměru (vlevo) a následná kontrola přesnosti měření DIY čidla (vpravo)

V případě nějaké výrazné neshody mezi změřenou hodnotou a realitou by asi bylo třeba vyzkoušet jiný typ detekčního termistoru, nebo zasáhnout do kalibrační křivky čidla – ale to jsme si již řekli, že raději dělat nebudeme (důvody asi každý chápe sám).

Cena DIY teploměru

Jestliže jsme celý článek odstartovali „spravedlivým“ rozhořčením nad cenou originálního bodového teplotního čidla (STS-BTA), měli bychom se nyní podívat na výslednou cenu našeho DIY řešení.

Rozhodneme-li se pro výrobu využít kabel s dvojicí BTA konektorů, získáme za cca 100 Kč po jeho přestřižení hned dva kabely zakončené BTA konektorem. Při krimpování konektorů se lze asi dostat na nižší cenu, ale je zde jednorázový nákup krimpovacích kleští nebo dost nepříjemné práce s možným rizikem zničení několika BTA konektorů. Takže cena 50 Kč za BTA konektor s kusem kabelu je cena akceptovatelná. Cena rezistoru pro identifikaci modulu je asi 1 Kč, což je zanedbatelné. Cena termistoru se odvíjí dle konkrétního typu, klasické provedení se pohybuje kolem 10 Kč, provedení v nerezovém pouzdru asi 50 Kč.

Lze tedy říci, že v případě naší DIY výroby se i se započtením dalšího spotřebního materiálu nedostaneme přes hranici 100 Kč (popř. 150 Kč u „nerezové“ varianty). Za cenu originálního Vernier čidla se tedy dá vyrobit DIY čidel dokonce dvacet!

A to už asi za trochu toho pájení stojí…


Doplněk:

Jak se „vyhnout“ BTA konektorům

Pokud bychom chtěli do budoucna rozšiřovat naši flotilu DIY verniérovských čidel, například o voltmetr nebo teslametr… (viz článek Jak si vyrobit senzor pro měřicí systém Vernier?, je možné se začít zamýšlet nad možnou náhradou obtížněji sehnatelných BTA konektorů za nějakou dostupnější alternativu. Pochopitelně vstup do LabQuestu bude vždy pomocí konektoru BTA. Jde tedy o to, zda by nebylo špatné, vyrobit redukční díl mezi konektorem BTA a dostupnějším konektorem. Takových redukcí by pak stačilo jen pár – ke každému LabQuestu, zatímco DIY čidel může být nespočetně více.

Na stránkách společnosti Vernier je nabízen mezikus mezi konektorem BTA a kulatým pětikolíkem DIN (cena 323 Kč). Na první pohled to vydá slibně – pět kolíků plus zemnění na těle konektoru by mohlo krásně převést všech šest pinů BTA konektoru na něco rozumnějšího. Přece DIN konektor je běžně dostupný! Bohužel, tomu tak není, neboť na této redukci na DIN pětikolík nejsou připojeny všechny piny konektoru BTA (viz tab. 2). To je opravdu škoda!

redukce BTA-DIN DIN5 ⟷ BTA Pozn.
1 ⟷ 6 Sensor output (0–5 V)
2 ⟷ ❌ pin 2 na DIN není využit
3 ⟷ 4 AutoIDENT
4 ⟷ 5 Power
5 ⟷ 2 GND
❌ ⟷ 1 BTA pin 1 na DIN není
❌ ⟷ 3 BTA pin 3 na DIN není

Tab. č. 2 – Propojení redukce Vernier BTA-DIN5; pro piny 1 a 3 BTA konektoru propojení chybí!

Rozhodli jsme se tedy tuto redukci z BTA konektoru na „cokoliv dostupnějšího“ vyrobit vlastními silami a dle vlastního návrhu. Nakonec padla volba na standardní osmipinový konektorem RJ-45. Na konektoru RJ-45 využíváme pouze prvních 6 pinů, které jsou postupně propojeny s BTA konektorem (pin 1–pin 1, pin 2–pin 2 atd.). Pochopitelně bylo možné použít i existující šestipinovou variantu, ale osmipinová varianta je dnes nejčastěji používaný typ zapojení síťových kabelů. Každý správce sítě disponuje dostatkem jak potřebných konektorů a kabelů, tak i potřebnými krimpovacími kleštěmi. Stejně tak lze poměrně levně sehnat potřebné zásuvky (tzv. keystone) pro tuto variantu konektorů. Pravdou je, že námi použitá zásuvka (keystone) je trochu zbytečně velké monstrum (viz obr. 10).

redukce BTA-RJ
Obr. 10 – Provedení redukce BTA-RJ pomocí zásuvky keystone a osazení měřicího čidla konektorem RJ-45

Kdo by chtěl menší variantu kabelové zásuvky, může koupit RJ zásuvku do desky plošného spoje (nejlépe s vývody dozadu) a napájet jednotlivé vodiče kabelu přímo na kontakty určené pro zapájení do DPS. Po řádném zaizolování spájených spojů lze to celé „zakapotovat“ smršťovací bužírkou.

Obrázek č. 11 ukazuje výsledné řešení teplotního DIY čidla s termistorem v nerezovém pouzdru, osazené konektorem RJ-45 a připojené k LabQuestu přes náš adaptér BTA-RJ.

hotové řešení DIY teplotní čidlo
Obr. 11 – Výsledné řešení DIY teplotního čidla včetně BTA-RJ redukce

Reklama:
UPOZORNĚNÍ:
Nesouhlasíme s vyřazením Newtonových zákonů, Ohmova zákona a zákona zachování energie z učiva fyziky základních škol v České republice!