Estoy buscando el circuito más económico que sea un circuito razonablemente preciso para amplificar el voltaje producido por un termopar (para que pueda ser leído por un ADC). Por el bien del argumento, el recuento de componentes y el tiempo de calibración manual no son un problema.
Es un termopar tipo K (41uV/ºC) y espero una precisión de unos 25ºC de 100ºC a 1000ºC. 1 muestra por segundo es suficiente. El ADC es de 10 bits, y hay un suministro regulado de 12v, 5v, 3.3v y tierra.
¿Podría ser más económico con los requisitos anteriores usar amplificadores operacionales baratos en lugar de un amplificador de instrumentación especialmente diseñado?
Según tengo entendido, el problema con los amplificadores operacionales baratos es su voltaje de compensación de entrada y su deriva. Pero estoy en lo correcto al decir:
Si es así, la pregunta sigue siendo qué circuito podría usarse. ¿Serían necesarios 3 amplificadores operacionales? ¿O podría hacerse con menos?
Por último, pero no menos importante, se agradecerán sugerencias sobre qué amplificador operacional .
¿Serían necesarios 3 amplificadores operacionales?
No en teoría . En teoría, podría simplemente conectar un extremo del termopar a tierra y luego alimentar el otro extremo a un amplificador no inversor. El problema, sin embargo, es la captación de ruido. Los termopares tienen cables largos, y esos cables largos actúan como antenas, recogiendo todo tipo de basura. En la mayoría de los circuitos, esto no sería un problema, pero debido a que los termopares tienen voltajes tan bajos, la basura puede abrumar fácilmente la señal de temperatura real. Al construir un amplificador de instrumentación, con 3 amplificadores operacionales, puede eliminar (la mayor parte) de este ruido.
Es posible que pueda salirse con la suya con un solo amplificador diferencial de amplificador operacional, pero los grandes valores de resistencia que necesitaría usar para obtener una buena impedancia de entrada crearían una gran cantidad de ruido Johnson, que terminaría en su señal.
Si no desea optar por un amplificador adecuado, deberá usar tres amplificadores operacionales. Sin embargo, las resistencias combinadas que necesitaría, más los amplificadores operacionales, pueden terminar costando más que un amplificador de instrumentación que usa, por ejemplo, una única resistencia de ajuste de ganancia.
Además, ¿ha pensado en su compensación de unión fría? Uno de los problemas con los termopares es que miden la temperatura diferencial ; por ejemplo, tiene una unión a la temperatura A y otra a la temperatura B, el voltaje del termopar es (some constant K) * (A - B).
Si quieres saber la temperatura absoluta de A, necesitas saber la temperatura de B.
Ahora, según sus requisitos, es posible que pueda salirse con la suya con un truco barato. Simplemente puede suponer que B es, por ejemplo, 25 ° C (aproximadamente la temperatura ambiente) y, siempre que B no se salga del rango de 12,5 ° C a 37,5 ° C, la temperatura que obtenga para A estará dentro de los 25 ° C de la temperatura real de A. Tienes suficiente tolerancia a errores para que lo considere viable.
Sin embargo, si la temperatura ambiente en la que debe operar su circuito puede salir de ese rango de temperatura, deberá incorporar una compensación de unión fría. Este consiste, básicamente, en generar un voltaje con el mismo coeficiente de temperatura que tu termopar, pero relativo a la temperatura absoluta ; en otras palabras, usted tiene ((some constant K) * (A - B)) + C. C sería igual a su constante K por B; como tal, cancela B y terminas solo con ((some constant K) * (A - B)) + K*B = K*A - K*B + K*B = K*A.
El método típico para generar este voltaje es a través de un diodo. Esto se hace mejor en un circuito integrado y, como tal, es posible que un amplificador de termopar con un compensador de unión fría incorporado sea mucho mejor que un amplificador operacional y, de hecho, puede costar menos.
Realmente no quieres hacer este circuito "manualmente". Si bien el circuito no es muy difícil, hay muchas cosas que debe considerar para que funcione correctamente.
Varias compañías, como Analog Devices y Maxim, fabrican chips específicamente para este tipo de cosas, que incluyen el ADC y todo el material de compensación de la unión fría. El MAX31855 de Maxim es un pequeño chip de 8 pines que toma energía, las entradas TC y un puerto SPI para conectarse directamente a la MCU. ¡No puedes ser más simple que eso! Y tampoco es muy caro.
Hay otra opción completamente diferente, que es no usar un amplificador en absoluto. En su lugar, utilice un A/D delta-sigma de alta resolución. Esto soluciona completamente el problema del voltaje de compensación del amplificador ya que no hay amplificador. Un poco de filtrado de paso bajo sería una buena idea, y debe considerar cuidadosamente el diseño y los gradientes térmicos en su placa, pero también tendría que hacer eso con cualquier amplificador.
Los A/D delt-sigma modernos tienen una resolución tan alta que es factible leer termopares con ellos directamente. Digamos que cree que puede obtener 20 bits de resolución. Eso es una resolución de aproximadamente 3 µV, incluso si el A/D se ejecuta desde una referencia de 3,3 V. Algunos pueden ir a la referencia de 2 V y aún así mantener la resolución, pero de cualquier manera eso sigue siendo una pequeña fracción de un °C. Una fuente de error mucho más importante será medir la temperatura de las uniones en la placa con la precisión suficiente para realizar la compensación de la unión fría correctamente. En cualquier caso, todo esto está bien dentro de su especificación de precisión de 25°C.
Andy alias