Acondicionadores de señal de termopar y acondicionamiento de señal cerca de la unión fría

Anteriormente en esta serie, analizamos los principios de funcionamiento de los acondicionadores de señal de termopar monolíticos. Continuando con nuestra discusión, este artículo explora algunas otras opciones para aplicaciones de termopar, a saber, el AD594/AD595, el MAX6675 y el ADS1220. Algunos de los conceptos básicos del artículo anterior también se aplican a los acondicionadores de termopar discutidos aquí. Por ejemplo, todos estos acondicionadores de señal deben colocarse cerca de la unión fría del termopar. Sin embargo, algunas funciones pueden ser específicas del dispositivo.

Para ser concisos, intentaremos centrarnos principalmente en las características clave de cada uno de estos dispositivos.

El AD594/AD595 es un acondicionador de señal de termopar completo que integra un amplificador y un compensador de unión fría en un solo paquete. La figura 1 muestra el diagrama de bloques funcional y la conexión básica de suministro único del dispositivo.

Una parte fundamental del circuito es el circuito de retroalimentación creado por el amplificador diferencial derecho (con ganancia G), el amplificador principal (+A) y la resistencia interna entre los pines 8 y 5. El par diferencial izquierdo amplifica el voltaje del termopar y lo aplica a un nodo sumador en el circuito de retroalimentación. El bloque "Ice Point Comp" produce el voltaje de compensación de unión fría (CJC) y lo agrega al bucle del termopar a través del par diferencial derecho.

Puede encontrar detalles sobre cómo funciona este circuito en la hoja de datos AD594/AD595. Sin profundizar en estos detalles, el resultado final es que el dispositivo está diseñado para conectarse directamente al termopar, realizar compensación y amplificación de unión fría y producir una salida de 10 mV/°C. Por ejemplo, con un termopar tipo J conectado al AD594, la salida será de unos 500 mV cuando la unión caliente esté a 50 °C.

Tenga en cuenta que el AD594 y el AD595 están precalibrados mediante recorte de obleas láser para que coincidan con las curvas características de los termopares tipo J y K, respectivamente.

En un artículo anterior, discutimos que el AD849x, que también es un acondicionador de señal de termopar, puede medir temperaturas negativas incluso cuando se alimenta con un suministro de un solo riel. A diferencia del AD849x, el AD594/AD595 necesita un suministro de doble riel para medir temperaturas por debajo de 0 °C.

Una característica interesante del AD594/AD595 es que ciertos nodos importantes del circuito interno están disponibles en los pines del paquete. Por ejemplo, el pin 8 está conectado a la ruta de retroalimentación interna del dispositivo. Además, el voltaje CJC, que se aplica al amplificador diferencial derecho, está disponible en los pines 3 y 5. Hacer que estos nodos estén disponibles en los pines del paquete nos permite tener un acondicionador de señal más flexible que se puede ajustar según la aplicación. requisitos

Con eso en mente, veamos cómo se puede usar en la práctica el acceso a la resistencia de retroalimentación. Como se muestra en la Figura 1, en condiciones normales de funcionamiento, los pines 9 y 8 están unidos. Esto conecta la salida del amplificador a la resistencia de retroalimentación interna que establece la ganancia del dispositivo. La red de retroalimentación interna está calibrada de fábrica para producir una salida de 10 mV/°C. Sin embargo, para ajustar la ganancia, podemos colocar una resistencia adicional entre los pines 9 y 5. Esta resistencia externa estará en paralelo con la resistencia de retroalimentación interna, lo que permitirá realizar ajustes en la ganancia del amplificador. Incluso podemos sustituir la resistencia interna por la externa quitando la conexión entre los pines 9 y 8.

La Figura 2 ilustra la calibración de ganancia ajustando la resistencia de retroalimentación.

El diagrama anterior muestra cómo se puede usar el AD594/AD595 para producir una salida proporcional a la temperatura en una escala Fahrenheit (10 mV/°F). A continuación, consideremos la siguiente ecuación para la conversión de la escala de temperatura:

\[Grados\,Fahrenheit=\frac{9}{5}(Grados\,Celsius)+32\]

A partir de esa ecuación, podemos verificar que necesitamos aumentar la ganancia en \(\frac{9}{5}\) (así como agregar un valor de compensación apropiado) para tener una salida que cambie a 10 mV/°F en lugar de que el valor calibrado de fábrica de 10 mV/°C.

En otras palabras, necesitamos ajustar la resistencia de retroalimentación para tener una salida de \(10\times\frac{9}{5}=18 mV/°C\).

El diagrama anterior logra esto colocando un potenciómetro de ajuste entre los pines 9 y 8. Para un termopar tipo J, la sensibilidad a la temperatura ambiente es de 51,7 μV/°C. Por lo tanto, la ganancia resultante para el AD594 se puede encontrar como:

\[Ganancia_{Nueva}=\frac{18 mV/°C}{51,7 μV/°C}=348,16\]

Como se explica en esta nota de aplicación, podemos aplicar una señal de CA, VTest, a los pines 1 y 14 y luego ajustar RGain hasta que obtengamos VTest ⨉ GainNew en la salida.

También es posible agregar un desplazamiento a la salida del AD594/AD595. En la Figura 3 se muestra una forma de realizar la calibración de compensación.

Esto puede ser particularmente útil cuando se elimina el error de calibración residual del dispositivo. El AD594/AD595 es una oblea láser recortada para lograr un error de calibración máximo de 1 °C o 3 °C, según el grado de rendimiento del dispositivo. Con una aplicación exigente, se puede usar el diagrama anterior para eliminar este error residual. La resistencia de 15 MΩ aumenta ligeramente el potencial de la entrada inversora del amplificador diferencial derecho. Esto obliga al circuito a tener una compensación negativa de aproximadamente -3 °C. La compensación negativa "forzada" luego se calibra a través de la red resistiva conectada a la entrada no inversora del amplificador diferencial. Este esquema de calibración asegura que se pueda usar un solo ajuste unidireccional para anular el error. Puede ver otro ejemplo de calibración de compensación en la Figura 2.

Además de ajustar la ganancia y la compensación, es posible ajustar el coeficiente de temperatura del compensador de unión fría interno. Esto nos permite usar el AD594/AD595 con otros tipos de termopares. Por ejemplo, la hoja de datos explica cómo el AD594, que está calibrado de fábrica para termopares tipo J, se puede recalibrar para acondicionar termopares tipo E.

Otra opción para el acondicionamiento de señales de termopar es el MAX6675, cuyo diagrama de bloques funcional se muestra a continuación.

El MAX6675 integra un ADC (convertidor analógico a digital) de 12 bits y un compensador de unión fría en un solo paquete. Puede conectarse directamente a un termopar tipo K, como se muestra en la Figura 5.

El dispositivo puede medir una amplia gama de temperaturas de unión caliente de 0 °C a 1024 °C (tenga en cuenta que no puede medir temperaturas negativas). La temperatura de unión fría o la temperatura de funcionamiento del MAX6675 debe estar en el rango de -20 °C a +85 °C.

Como se muestra en la Figura 4, el ADC digitaliza tanto la señal CJC como la salida del termopar. El dispositivo usa esta información para realizar CJC y lee el resultado (es decir, la temperatura se mide como un valor de 12 bits en el pin SO). Una secuencia de ceros corresponde a 0 °C, mientras que una secuencia de unos significa que el termopar está a +1023,75 °C.

Como tercera opción de acondicionador de termopar, me gustaría mencionar que en lugar de usar un dispositivo con un compensador de unión fría integrado, también puede usar un ADC que incluye un sensor de temperatura interno de precisión. En la Figura 6 se muestra un diagrama de ejemplo que utiliza el ADS1220.

El ADS1220 es un ADC de 24 bits con un sensor de temperatura de alta precisión que se puede usar para medir la temperatura del dispositivo con fines de CJC. El ADS1220 no puede realizar automáticamente la compensación de unión fría; sin embargo, se puede hacer en el procesador que sigue al ADC. Si no es posible usar el sensor de temperatura interna, por ejemplo, debido a su precisión limitada o porque no podemos colocar el ADC cerca de la unión fría, podemos usar un RTD o un termistor para medir la temperatura de la unión fría. Sin embargo, esto consumirá un canal de entrada adicional del ADC.

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