Las mediciones precisas son un objetivo constante para los diseñadores de diversas aplicaciones en la industria. Para lograr esto, la selección juiciosa de termopares y ADC delta-sigma de alta resolución pueden funcionar juntos a la perfección. Un diseño que emplea estas dos técnicas permite que el sistema proporcione mediciones confiables y precisas.
prólogo
Las mediciones precisas son un objetivo constante para los diseñadores de diversas aplicaciones en la industria. Para lograr esto, la selección juiciosa de termopares y ADC delta-sigma de alta resolución pueden funcionar juntos a la perfección. Un diseño que emplea estas dos técnicas permite que el sistema proporcione mediciones confiables y precisas.
Los termopares se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones de detección de temperatura. Los desarrollos recientes en el diseño de termopares, así como nuevos estándares y algoritmos, han ampliado en gran medida el rango de temperatura y la precisión. Ahora es posible una precisión de hasta ±0,1 °C en un rango muy amplio de -270 °C a +1750 °C. Para aprovechar todas las nuevas capacidades de termopar, necesita un sistema de medición de temperatura de termopar de alta resolución. Un convertidor de analógico a digital (ADC) delta-sigma de 24 bits y bajo ruido con la capacidad de resolver voltajes muy pequeños es perfectamente adecuado para esta tarea. Un sistema de adquisición de datos (DAS) con un kit de evaluación (EV) ADC de 24 bits puede realizar mediciones de temperatura de termopar en su amplio rango de temperatura. La integración de un termopar, un detector de temperatura de resistencia de platino (PRTD) y un ADC en el circuito proporciona un sistema de medición de temperatura de alto rendimiento. Los DAS basados en ADC también se pueden diseñar para operar a un costo muy razonable y bajo consumo de energía, lo que los hace ideales para aplicaciones de detección portátiles.
Cebador de termopar
Thomas Seebeck descubrió el principio del termopar en 1822. Un termopar es un dispositivo simple de medición de temperatura que consiste en la unión de dos metales diferentes, el metal 1 y el metal 2 (Figura 1). Seebeck descubrió que diferentes metales producen diferentes potenciales en función del gradiente de temperatura aplicado. Cuando estos metales se sueldan juntos en una unión de detección de temperatura (TJUNC, también conocida como unión caliente), la otra unión sin conexión diferencial (TCOLD, que se mantiene a una temperatura de referencia constante) exhibe un aumento de voltaje VOUT. Proporcional a la temperatura aplicada a la junta soldada. Esto convierte al termopar en un dispositivo generador de voltaje/carga que no requiere excitación de voltaje o corriente.
VOUT es una función de la diferencia de temperatura (TJUNC – TCOLD) y los tipos de metal para Metal 1 y Metal 2. Esta función está definida con precisión en la base de datos de termopares ITS-90 del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). [1] Las combinaciones Metal 1 y Metal 2 más prácticas. La base de datos puede calcular la temperatura relativa TJUNC en función de las mediciones de VOUT. Sin embargo, los termopares miden TJUNC diferencialmente, por lo que sin conocer la temperatura absoluta de la unión fría (°C, °F o K), no se puede determinar la temperatura real medida en la unión caliente. Todos los sistemas modernos basados en termopares utilizan un sensor de temperatura absoluta adicional (PRTD, sensor de silicio, etc.) para medir con precisión la temperatura en los extremos de la unión fría y compensar matemáticamente la diferencia.
Ejemplo de aplicación
La interfaz electrónica del termopar consiste en un ADC de alta resolución con entradas diferenciales y la capacidad de resolver voltajes pequeños. Un estándar estable y de baja deriva. Cómo medir con precisión la temperatura de la unión fría.
La Figura 2 muestra un ejemplo de esquema simplificado. El MX7705 es un ADC delta-sigma de 16 bits que integra un amplificador de ganancia programable interno (PGA), lo que elimina la necesidad de un amplificador de precisión externo y resuelve los voltajes de nivel de microvoltios de los termopares. La temperatura de la unión fría se mide utilizando un sensor de diodo remoto MAX6627 y un transistor conectado a un diodo externo colocado en el conector del termopar. El MX7705 puede manejar un rango limitado de temperaturas negativas y su rango de modo común de entrada se extiende hasta 30 mV bajo tierra.
También hay disponibles circuitos integrados específicos de la aplicación para el acondicionamiento de señales de termopar. Estos circuitos integrados integran un sensor de temperatura local, un amplificador de precisión, ADC y referencia de voltaje. Por ejemplo, el MAX31855 es un convertidor de termopar a digital con compensación de unión fría que digitaliza señales de termopares tipo K, J, N, T o E. El MAX31855 mide temperaturas de termopar con una resolución de 14 bits (0,25 °C).
análisis de errores
Un termopar es un sensor diferencial en el que la diferencia de temperatura entre las uniones caliente y fría produce un voltaje de salida. De acuerdo con la Ecuación 1 anterior, la temperatura absoluta de la unión caliente (Tabs) solo se puede determinar si la temperatura absoluta de la unión fría de referencia (TREF) se puede medir con precisión.
Los RTD de platino modernos (PRTD) se pueden utilizar para mediciones de temperatura absoluta de unión fría de referencia. Ofrece un excelente rendimiento en un amplio rango de temperatura en un factor de forma pequeño, bajo consumo de energía y un costo muy razonable.
La Figura 3 es un esquema simplificado que muestra un DAS de precisión que permite realizar mediciones de temperatura de termopar utilizando el kit de evaluación (EV) ADC delta-sigma de 24 bits MAX11200. donde R1 – PT1000 (PTS 1206, 1000Ω) se usa para la medición de temperatura absoluta de unión fría. Esta solución permite medir la temperatura de la unión fría con una precisión superior a ±0,30 °C.
Como se muestra en la Figura 3, el GPIO MAX11200 está configurado para controlar el multiplexor de precisión MAX4782 que selecciona un termopar o un PRTD R1 – PT1000. Este enfoque permite mediciones dinámicas de termopar o PRTD usando un solo ADC. Este diseño mejora la precisión del sistema y reduce los requisitos de calibración.
Conclusión
La medición de la temperatura se convierte en una tarea más sencilla si sigue las sugerencias presentadas en este diseño de referencia. La combinación de termopares modernos con ADC delta-sigma de alta resolución permite una evaluación y análisis de temperatura de alta precisión.