Condizionatori di segnale per termocoppie e condizionamento del segnale in prossimità della giunzione fredda

In precedenza in questa serie abbiamo esaminato i principi di funzionamento dei condizionatori di segnale a termocoppia monolitica. Proseguendo la nostra discussione, questo articolo esplora alcune altre opzioni per le applicazioni di termocoppie, vale a dire AD594/AD595, MAX6675 e ADS1220. Alcuni dei concetti base dell'articolo precedente si applicano anche ai condizionatori a termocoppia qui discussi. Ad esempio, tutti questi condizionatori di segnale dovrebbero essere posizionati vicino alla giunzione fredda della termocoppia. Tuttavia, alcune funzionalità potrebbero essere specifiche del dispositivo.

Per rimanere concisi, proveremo a concentrarci principalmente sulle caratteristiche principali di ciascuno di questi dispositivi.

AD594/AD595 è un condizionatore di segnale per termocoppia completo che integra un amplificatore e un compensatore di giunzione fredda in un unico pacchetto. La Figura 1 mostra lo schema a blocchi funzionale e il collegamento base ad alimentazione singola del dispositivo.

Una parte fondamentale del circuito è l'anello di retroazione creato dall'amplificatore differenziale di destra (con guadagno G), dall'amplificatore principale (+A) e dal resistore interno tra i pin 8 e 5. La coppia differenziale di sinistra amplifica il tensione della termocoppia e la applica a un nodo sommatore nel circuito di feedback. Il blocco "Ice Point Comp" produce la tensione di compensazione della giunzione fredda (CJC) e la aggiunge al circuito della termocoppia attraverso la coppia differenziale di destra.

Puoi trovare dettagli su come funziona questo circuito nella scheda tecnica AD594/AD595. Senza entrare ulteriormente in questi dettagli, il risultato finale è che il dispositivo è progettato per collegarsi direttamente alla termocoppia, eseguire la compensazione e l'amplificazione della giunzione fredda e produrre un'uscita di 10 mV/°C. Ad esempio, con una termocoppia di tipo J collegata all'AD594, l'uscita sarà di circa 500 mV quando la giunzione calda è a 50 °C.

Si noti che AD594 e AD595 sono precalibrati mediante rifinitura laser del wafer per corrispondere rispettivamente alle curve caratteristiche delle termocoppie di tipo J e K.

In un articolo precedente abbiamo discusso del fatto che l'AD849x, che è anche un condizionatore di segnale per termocoppia, può misurare temperature negative anche se alimentato da un'alimentazione a binario singolo. A differenza dell'AD849x, l'AD594/AD595 necessita di un'alimentazione a doppio binario per misurare temperature inferiori a 0 °C.

Una caratteristica interessante dell'AD594/AD595 è che alcuni nodi importanti della circuiteria interna sono disponibili sui pin del package. Ad esempio, il pin 8 è collegato al percorso di feedback interno del dispositivo. Inoltre, la tensione CJC, applicata all'amplificatore differenziale di destra, è disponibile sui pin 3 e 5. Rendere disponibili questi nodi sui pin del pacchetto ci consente di avere un condizionatore di segnale più flessibile che può essere regolato a seconda dell'applicazione requisiti.

Tenendo questo a mente, vediamo come può essere utilizzato nella pratica l'accesso al resistore di feedback. Come mostrato nella Figura 1, in condizioni operative normali, i pin 9 e 8 sono collegati insieme. Questo collega l'uscita dell'amplificatore al resistore di feedback interno che imposta il guadagno del dispositivo. La rete di feedback interna è calibrata in fabbrica per produrre un'uscita di 10 mV/°C. Tuttavia, per regolare il guadagno, possiamo posizionare un resistore aggiuntivo tra i pin 9 e 5. Questo resistore esterno sarà in parallelo con il resistore di feedback interno, consentendo la regolazione del guadagno dell'amplificatore. Possiamo anche sostituire la resistenza interna con quella esterna rimuovendo la connessione tra i pin 9 e 8.

La Figura 2 illustra la calibrazione del guadagno regolando il resistore di feedback.

Il diagramma sopra mostra come è possibile utilizzare l'AD594/AD595 per produrre un'uscita proporzionale alla temperatura su una scala Fahrenheit (10 mV/°F). Successivamente, consideriamo la seguente equazione per la conversione della scala di temperatura:

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

Da questa equazione, possiamo verificare che dobbiamo aumentare il guadagno di \(\frac{9}{5}\) (oltre ad aggiungere un valore di offset appropriato) per avere un'uscita che cambia a 10 mV/°F piuttosto rispetto al valore calibrato in fabbrica di 10 mV/°C.