Compensación de unión fría de termopar mediante sensores de temperatura analógicos

Las tablas de consulta de termopares y los modelos matemáticos usan una unión de referencia a 0 °C para especificar el voltaje de salida del termopar. En la práctica, sin embargo, la unión fría no suele estar a 0 °C y se requiere una electrónica de acondicionamiento de señales para interpretar correctamente el voltaje de salida. Esto se conoce como compensación de unión fría (CJC) en el contexto de los termopares.

En este artículo, veremos cómo se pueden usar los circuitos analógicos para implementar la compensación de unión fría.

La idea básica de la compensación de unión fría analógica se ilustra en la Figura 1.

En la Figura 1, asumimos que la unión caliente, la unión fría y el sistema de medición están respectivamente en Th, Tc y TADC. La temperatura de la unión fría (Tc) se mide con un sensor de temperatura (a menudo un sensor semiconductor, a veces un termistor) y se envía al "circuito compensador" para producir el término Vcomp de voltaje de compensación apropiado. Este voltaje se suma a la salida del termopar Vtherm; por lo tanto, el voltaje medido por el ADC es:

$$V_{out}=V_{termia}+V_{comp}$$

De nuestro artículo anterior sobre compensación de unión fría, sabemos que Vcomp es igual al voltaje producido por el termopar cuando su unión caliente está en Tc y su unión fría está a 0 °C. Este voltaje se puede determinar a partir de la tabla de referencia del termopar o del modelo matemático. Implementar una tabla de consulta o una ecuación matemática puede ser extremadamente desafiante con circuitos analógicos. Por lo tanto, con un diseño analógico, Vcomp puede ser solo un valor aproximado de la salida real del termopar.

Los circuitos CJC analógicos normalmente usan una aproximación lineal para producir un voltaje de compensación cercano a la salida real del termopar. Esta salida es posible porque la temperatura de la unión fría generalmente cambia en un rango relativamente estrecho alrededor de la temperatura ambiente, lo que significa que una aproximación lineal puede producir valores relativamente precisos. En las próximas dos secciones, veremos algunos ejemplos de diagramas CJC analógicos.

En la Figura 2 se muestra un ejemplo de implementación de compensación de unión fría analógica.

En este caso, el TMP35, un sensor de temperatura de bajo voltaje de Analog Devices, se usa para medir la unión fría de un termopar tipo K. La entrada no inversora del amplificador operacional mide el voltaje de salida del termopar, Vtherm, más el voltaje producido por el TMP35 dividido por las resistencias R1 y R2 (Vcomp). Traducido al lenguaje matemático, el voltaje en la entrada no inversora, VB, viene dado por:

$$V_{B}=V_{termia}+V_{comp}$$

A partir de la teoría de la compensación de unión fría, sabemos que Vcomp debe ser igual al voltaje que emite el termopar con referencia a 0 °C cuando se coloca a una temperatura de Tc, donde Tc suele estar en un rango estrecho alrededor de la temperatura ambiente. La Tabla 1 muestra el voltaje de salida de un termopar tipo K en el rango de temperatura de 0 °C a 50 °C.

La Figura 3 utiliza los datos anteriores (Tabla 1) para trazar la salida del termopar tipo K frente a la temperatura.

En este rango de temperatura restringido, el termopar parece tener una respuesta relativamente lineal. Para que el circuito compensador produzca estos valores, Vcomp debe tener el mismo coeficiente de temperatura que el termopar empleado y pasar por un punto arbitrario de la curva característica anterior. Puede verificar a partir de los datos de la tabla que la salida de un termopar tipo K cambia en aproximadamente 41 μV/°C a temperatura ambiente (25 °C).

El voltaje producido por el TMP35, nodo A en la Figura 2, tiene un coeficiente de temperatura de 10 mV/°C. Para reducir este valor a 41 μV/°C, necesitamos un factor de escala de 41 μV/°C 10 mV/°C = 0,0041. Este factor de escala se logra a través del divisor de voltaje resistivo formado por R1 y R2 como se calcula a continuación (Ecuación 1):

$$Atenuación\,Factor = \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}=\frac{0.102\,k\Omega}{24.9\,k\Omega+0.102\,l\ Omega}\aprox0.0041$$

Ahora que Vcomp tiene el mismo coeficiente de temperatura que el termopar, debemos asegurarnos de que también pase por un punto arbitrario de la curva característica del termopar. El TMP35 produce una salida de 250 mV a 25 °C. Este valor multiplicado por 0,0041 (el factor de atenuación) da Vcomp = 1,025 mV, que está cerca de la salida ideal de la tabla (1 mV a 25 °C). Por lo tanto, con el TMP35, solo necesitamos un divisor de voltaje resistivo para ajustar el coeficiente de temperatura del sensor de temperatura del semiconductor al del termopar empleado, y no se requiere un valor de compensación. Para aclarar aún más esta discusión, veamos otro ejemplo.

En la Figura 4 se muestra otro circuito analógico de compensación de unión fría.

Para comprender mejor este circuito, primero ignoremos la parte de "ajuste de compensación" de la Figura 4 y encontremos el voltaje en el nodo C. En este ejemplo, el LM335 se usa para detectar la temperatura de la unión fría. El potenciómetro conectado a través del LM335 permite calibrar el coeficiente de temperatura de la salida del sensor al valor nominal de 10 mV/°C. La salida del LM335 es proporcional a la temperatura absoluta con la salida extrapolada del sensor yendo a cero voltios a 0 K (−273,15 °C).

El error en la salida de este sensor es solo un error de pendiente. Como resultado, la calibración del sensor se puede lograr mediante una calibración de un solo punto a una temperatura arbitraria a través del recipiente a través del sensor. Por ejemplo, para calibrar el TC del sensor a 10 mV/°C, podemos ajustar el potenciómetro para que tenga un voltaje de salida de VA = 2.982 V a 25 °C como se calcula a continuación:

$$V_{A}\,@26°C=10mV/°C\times(25+273.15)\simeq2.982\,V$$

Similar a nuestro ejemplo anterior, el divisor de voltaje resistivo creado por R3 y R4 divide el coeficiente de temperatura de 10 mV/°C del sensor semiconductor al del termopar empleado. Por ejemplo, con un termopar tipo K (41 μV/°C), necesitamos un factor de escala de 41 μV/°C 10 mV/°C = 0,0041. Por lo tanto, deberíamos tener:

$$\frac{R_{4}}{R_{4}+R_{3}}=0,0041$$

Asumiendo R3 = 200 kΩ, obtenemos R4 = 823 Ω. Esto asegura que VB tenga un coeficiente de temperatura de 41 μV/°C. El voltaje en el nodo C viene dado por la Ecuación 2:

$$V_{C}=V_{termia}+V_{B}$$

Para lograr la compensación de unión fría, VB debe tener el mismo coeficiente de temperatura que el termopar empleado y pasar por un punto arbitrario de la curva de salida del termopar. A 25 °C, VA = 2,982 V y, por tanto, VB=2,9820,0041 = 12,22 mV. De la Tabla 1, la salida ideal es 1 mV a 25 °C. Por lo tanto, necesitamos restar un valor de CC de 11,22 mV de la Ecuación 2 para producir el voltaje de compensación adecuado. Esto se logra a través de la parte de "ajuste de compensación" en la Figura 4.

El LM329 es una referencia de voltaje de 6,9 ​​V con compensación de temperatura de precisión. Si ignoramos R7, las resistencias R5 y R6 forman un divisor de tensión. Este divisor de voltaje debería atenuar 6.9 V a 11.22 mV en el nodo D. Por lo tanto, tenemos:

$$\frac{R_{6}}{R_{6}+R_{5}}=\frac{11.22mV}{6.9V}=0.0016$$

Asumiendo R5 = 200 kΩ, obtenemos R6 = 320 Ω. Por lo tanto, la salida total del circuito viene dada por:

$$V_{salida}=V_{C}-V_{D}=V_{termia}+V_{B}-V_{D}$$

Donde VB-VD es el voltaje de compensación general y produce el voltaje de salida frente a la curva de temperatura de un termopar tipo K. R7 y R2 en la Figura 4 nos permiten ajustar con precisión el voltaje de CC del nodo D y eliminar cualquier error constante de los valores de resistencia, etc. En este artículo, explicamos los conceptos básicos de los circuitos analógicos de compensación de unión fría.

Para obtener información adicional sobre los circuitos de las Figuras 2 y 4, consulte el "Manual de diseño de circuitos lineales" y el "Sensor de temperatura IC proporciona compensación de unión fría de termopar" de Analog Devices y Texas Instruments, respectivamente.

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