Compensação de junção fria de termopar usando sensores analógicos de temperatura

Tabelas de consulta de termopares e modelos matemáticos usam uma junção de referência a 0 °C para especificar a tensão de saída do termopar. Na prática, no entanto, a junção fria geralmente não está a 0 °C e a eletrônica de condicionamento de sinal é necessária para interpretar corretamente a tensão de saída. Isso é conhecido como compensação de junção fria (CJC) no contexto de termopares.

Neste artigo, veremos como os circuitos analógicos podem ser usados ​​para implementar a compensação de junta fria.

A ideia básica da compensação de junta fria analógica é ilustrada na Figura 1.

Na Figura 1, estamos assumindo que a junção quente, a junção fria e o sistema de medição estão respectivamente em Th, Tc e TADC. A temperatura da junção fria (Tc) é medida por um sensor de temperatura (geralmente um sensor semicondutor, às vezes um termistor) e entregue ao "circuito compensador" para produzir o termo de tensão de compensação apropriado Vcomp. Essa tensão é adicionada à saída do termopar Vtherm; assim, a tensão medida pelo ADC é:

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

De nosso artigo anterior sobre compensação de junção fria, sabemos que Vcomp é igual à tensão produzida pelo termopar quando sua junção quente está em Tc e sua junção fria está em 0 °C. Essa tensão pode ser determinada a partir da tabela de referência do termopar ou modelo matemático. Implementar uma tabela de consulta ou uma equação matemática pode ser extremamente desafiador com circuitos analógicos. Portanto, com um projeto analógico, Vcomp pode ser apenas um valor aproximado da saída real do termopar.

Os circuitos CJC analógicos normalmente usam uma aproximação linear para produzir uma tensão de compensação próxima à saída real do termopar. Essa saída é possível porque a temperatura da junção fria geralmente muda em uma faixa relativamente estreita em torno da temperatura ambiente, o que significa que uma aproximação linear pode produzir valores relativamente precisos. Nas próximas seções, veremos alguns exemplos de diagramas CJC analógicos.

Um exemplo de implementação de compensação de junta fria analógica é mostrado na Figura 2.

Neste caso, o TMP35, um sensor de temperatura de baixa tensão da Analog Devices, é usado para medir a junção fria de um termopar tipo K. A entrada não inversora do amplificador operacional mede a tensão de saída do termopar, Vtherm, mais a tensão produzida pelo TMP35 dividida pelos resistores R1 e R2 (Vcomp). Traduzido em linguagem matemática, a tensão na entrada não inversora, VB, é dada por:

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

A partir da teoria de compensação de junta fria, sabemos que Vcomp deve ser igual à tensão que o termopar referenciado a 0 °C produz quando colocado a uma temperatura de Tc, onde Tc está tipicamente em uma faixa estreita em torno da temperatura ambiente. A Tabela 1 mostra a tensão de saída de um termopar tipo K na faixa de temperatura de 0 °C a 50 °C.

A Figura 3 usa os dados acima (Tabela 1) para plotar a saída do termopar tipo K em relação à temperatura.

Nessa faixa restrita de temperatura, o termopar parece ter uma resposta relativamente linear. Para que o circuito compensador produza esses valores, Vcomp deve ter o mesmo coeficiente de temperatura do termopar empregado e passar por um ponto arbitrário da curva característica acima. Você pode verificar a partir dos dados da tabela que a saída de um termopar tipo K muda em cerca de 41 μV/°C à temperatura ambiente (25 °C).

A tensão produzida pelo TMP35, nó A na Figura 2, tem um coeficiente de temperatura de 10 mV/°C. Para reduzir esse valor para 41 μV/°C, precisamos de um fator de escala de 41 μV/°C 10 mV/°C = 0,0041. Este fator de escala é obtido através do divisor de tensão resistivo formado por R1 e R2 conforme calculado abaixo (Equação 1):

$$Atenuação\,Fator = \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}=\frac{0,102\,k\Omega}{24,9\,k\Omega+0,102\,l\ Ômega}\approx0.0041$$