Compensazione della giunzione fredda della termocoppia mediante sensori di temperatura analogici

Le tabelle di ricerca delle termocoppie e i modelli matematici utilizzano una giunzione di riferimento a 0 °C per specificare la tensione di uscita della termocoppia. In pratica, tuttavia, la giunzione fredda non è solitamente a 0 °C e per interpretare correttamente la tensione di uscita è necessaria l'elettronica di condizionamento del segnale. Questo è noto come compensazione della giunzione fredda (CJC) nel contesto delle termocoppie.

In questo articolo vedremo come utilizzare i circuiti analogici per implementare la compensazione della giunzione fredda.

L'idea di base della compensazione analogica della giunzione fredda è illustrata nella Figura 1.

Nella Figura 1, assumiamo che la giunzione calda, la giunzione fredda e il sistema di misurazione siano rispettivamente a Th, Tc e TADC. La temperatura della giunzione fredda (Tc) viene misurata da un sensore di temperatura (spesso un sensore a semiconduttore, talvolta un termistore) e inviata al "circuito compensatore" per produrre il termine di tensione di compensazione appropriato Vcomp. Questa tensione viene aggiunta all'uscita della termocoppia Vtherm; quindi, la tensione misurata dall'ADC è:

$$V_{uscita}=V_{termo}+V_{comp}$$

Dal nostro precedente articolo sulla compensazione della giunzione fredda, sappiamo che Vcomp è uguale alla tensione prodotta dalla termocoppia quando la sua giunzione calda è a Tc e la sua giunzione fredda è a 0 °C. Questa tensione può essere determinata dalla tabella di riferimento della termocoppia o dal modello matematico. L'implementazione di una tabella di ricerca o di un'equazione matematica può essere estremamente impegnativa con i circuiti analogici. Pertanto, con un design analogico, Vcomp può essere solo un valore approssimativo dell'uscita effettiva della termocoppia.

I circuiti CJC analogici utilizzano normalmente un'approssimazione lineare per produrre una tensione di compensazione vicina all'uscita effettiva della termocoppia. Questo risultato è possibile perché la temperatura della giunzione fredda cambia tipicamente in un intervallo relativamente ristretto intorno alla temperatura ambiente, il che significa che un'approssimazione lineare può produrre valori relativamente accurati. Nelle prossime due sezioni daremo uno sguardo ad alcuni esempi di diagrammi CJC analogici.

Un esempio di implementazione della compensazione analogica della giunzione fredda è mostrato nella Figura 2.

In questo caso, il TMP35, un sensore di temperatura a bassa tensione di Analog Devices, viene utilizzato per misurare la giunzione fredda di una termocoppia di tipo K. L'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale misura la tensione di uscita della termocoppia, Vtherm, più la tensione prodotta dal TMP35 divisa dai resistori R1 e R2 (Vcomp). Tradotta in linguaggio matematico la tensione all’ingresso non invertente VB è data da:

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

Dalla teoria della compensazione della giunzione fredda, sappiamo che Vcomp dovrebbe essere uguale alla tensione emessa dalla termocoppia con riferimento a 0 °C quando posizionata a una temperatura di Tc dove Tc è tipicamente in un intervallo ristretto intorno alla temperatura ambiente. La tabella 1 mostra la tensione di uscita di una termocoppia di tipo K nell'intervallo di temperatura da 0 °C a 50 °C.

La Figura 3 utilizza i dati di cui sopra (Tabella 1) per tracciare l'uscita della termocoppia di tipo K rispetto alla temperatura.

In questo intervallo di temperature ristretto, la termocoppia sembra avere una risposta relativamente lineare. Affinché il circuito compensatore produca questi valori, Vcomp dovrebbe avere lo stesso coefficiente di temperatura della termocoppia utilizzata e passare attraverso un punto arbitrario della curva caratteristica sopra. Dai dati in tabella è possibile verificare che l'uscita di una termocoppia di tipo K varia di circa 41 μV/°C a temperatura ambiente (25 °C).

La tensione prodotta dal TMP35, nodo A in Figura 2, ha un coefficiente di temperatura di 10 mV/°C. Per ridurre questo valore a 41 μV/°C, abbiamo bisogno di un fattore di scala di 41 μV/°C 10 mV/°C = 0,0041. Questo fattore di scala si ottiene attraverso il partitore di tensione resistivo formato da R1 e R2 come calcolato di seguito (Equazione 1):

$$Attenuazione\,Fattore = \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}=\frac{0,102\,k\Omega}{24,9\,k\Omega+0,102\,l\ Omega}\circa0,0041$$