Como construir um amplificador termopar

Um termopar é uma ótima maneira de medir a temperatura. Os efeitos da mudança de temperatura em metais diferentes produzem uma voltagem mensurável. Mas para fazer essa medição você precisa de um circuito amplificador projetado para o termopar que está sendo usado.

Enquanto pesquisava "Zero Drift Amplifiers" como continuação do meu vídeo sobre Amplificadores de Instrumentação, notei o pequeno esquema na primeira página do datasheet do LTC1049 que é mostrado aqui. Eu pensei que era um exemplo ideal de uma aplicação analógica em que algum ganho e algum "auxiliar de ganho" eram necessários para realizar nossa pequena aplicação útil de amplificar uma sonda de termopar.

No vídeo, não falo muito sobre os termopares em si, exceto o tipo que vejo na maioria das vezes, que é o tipo K. Se você ainda não estiver familiarizado com a construção dessas sondas, poderá encontrar um artigo informativo em termopares e os diferentes tipos na página da Wikipedia e você também pode querer verificar a nota do aplicativo Analog Devices se quiser saber mais. O que abordarei é uma maneira confiável e precisa de ler essas sondagens, vista no vídeo abaixo e no restante da postagem após o intervalo.

Diferentes sensores de termopares têm coeficientes de temperatura diferentes, o que significa que eles gerarão diferentes quantidades de tensão para a mesma mudança de temperatura, geralmente especificada em volts por grau Celsius (v/◦C). Saber que o coeficiente de temperatura de um sensor é apenas metade da equação, também precisamos definir o ponto zero, o que significa que estabelecemos um ponto de referência calibrado. A aplicação de uma temperatura conhecida, como a imersão do sensor em água gelada, seria uma maneira simples, embora inconveniente, de estabelecer uma temperatura de referência conhecida. Basicamente, poderíamos zerar e medir a mudança em volts por grau C a partir daí. Abaixo está um gráfico mostrando

Alternativamente, poderíamos usar um Cold Junction Compensator (CJC), como o LT1025, um chip feito para não apenas replicar os diferentes coeficientes de temperatura dos vários termopares, mas também nos fornecer uma calibração bastante razoável.

Nos bastidores, o CJC atua como outro termopar ou termômetro e altera a tensão vista pelo termopar, que está em temperatura ambiente em nosso caso, e também corrige algumas outras não linearidades. Com o termopar sendo acionado pelo CJC, a saída do termopar é razoavelmente linear e razoavelmente calibrada.

Para esta demonstração rápida, dei um passo adiante e usei um chipset da Linear Technology chamado LTK001 (PDF), que é composto por um LT1025 CTC e um amplificador combinado conhecido separadamente como LTKA0x. Uma rápida olhada nas especificações do LTKA0x mostra muito sobre por que ele funciona nesta aplicação: ele tem um alto ganho de malha aberta e correntes de entrada e erros de corrente de entrada muito baixos. Analog Devices tem um bom artigo sobre ganho de loop aberto (PDF), podemos falar mais sobre a corrente de polarização e erros no futuro.

O esquema que usei está aqui e foi uma composição de alguns circuitos de amostra diferentes, se eu fosse fazer este circuito como uma execução de produção, acho que incluiria um potenciômetro também (e um procedimento de calibração).

As camadas do PCB são mostradas abaixo e posso disponibilizar os Gerbers se alguém estiver interessado.

Usando este circuito, você pode criar um amplificador de termopar simples que deve fornecer ganho suficiente para fazer a interface com seu controlador favorito, desde que tenha um conversor analógico para digital (ADC). Como isso é lido em milivolts por grau Celsius, você terá que fazer a conversão para Fahrenheit no software, o que deve ser direto.