Come costruire un amplificatore per termocoppia

Una termocoppia è un modo fantastico per misurare la temperatura. Gli effetti del cambiamento di temperatura su metalli diversi producono una tensione misurabile. Ma per effettuare tale misurazione è necessario un circuito amplificatore progettato per la termocoppia utilizzata.

Durante la ricerca su "Zero Drift Amplifiers" come seguito al mio video sugli amplificatori strumentali ho notato il piccolo schema sulla prima pagina del foglio dati dell'LTC1049 mostrato qui. Ho pensato che fosse un esempio ideale di applicazione analogica in cui erano necessari un po' di guadagno e qualche "aiutante di guadagno" per realizzare la nostra utile piccola applicazione di amplificazione di una sonda a termocoppia.

Nel video non parlo molto delle termocoppie stesse a parte il tipo che vedo la maggior parte delle volte che è di tipo K. Se non hai già familiarità con la costruzione di queste sonde puoi trovare un articolo informativo sulle termocoppie e sui diversi tipi nella pagina Wikipedia e potresti anche voler controllare la nota dell'app Analog Devices se desideri saperne di più. Quello di cui parlerò è un modo affidabile e preciso per leggere da queste sonde, visto nel video qui sotto e nel resto del post dopo la pausa.

Diversi sensori di termocoppie hanno coefficienti di temperatura diversi, il che significa che genereranno quantità diverse di tensione per lo stesso cambiamento di temperatura, solitamente specificato in volt per grado Celsius (v/◦C). Poiché conoscere il coefficiente di temperatura di un sensore è solo metà dell'equazione, dobbiamo anche fissare il punto zero, ovvero stabilire un punto di riferimento calibrato. Applicare una temperatura nota, ad esempio immergendo il sensore in acqua ghiacciata, sarebbe un modo semplice, anche se scomodo, per stabilire una temperatura di riferimento nota. Fondamentalmente potremmo azzerare e misurare la variazione in volt per grado C da lì. Di seguito è riportato un grafico che mostra

In alternativa potremmo utilizzare un compensatore di giunzione fredda (CJC) come l'LT1025, un chip realizzato non solo per replicare i diversi coefficienti di temperatura delle varie termocoppie, ma anche per fornirci una calibrazione abbastanza ragionevole.

Dietro le quinte il CJC agisce come un'altra termocoppia o termometro e modifica la tensione vista dalla termocoppia, che nel nostro caso è a temperatura ambiente, e corregge anche alcune altre non linearità. Con la termocoppia pilotata dal CJC, l'uscita della termocoppia è quindi abbastanza lineare e abbastanza calibrata.

Per questa rapida demo ho fatto un ulteriore passo avanti e ho utilizzato un chipset di Linear Technology chiamato LTK001 (PDF) che comprende un CTC LT1025 e un amplificatore abbinato noto separatamente come LTKA0x. Una rapida occhiata alle specifiche dell'LTKA0x mostra molto sul motivo per cui funziona in questa applicazione: ha un guadagno ad anello aperto elevato e correnti di ingresso ed errori di corrente di ingresso molto bassi. Analog Devices ha un buon articolo sul guadagno ad anello aperto (PDF), in futuro potremo parlare di più della corrente di polarizzazione e degli errori.

Lo schema che ho usato è qui ed era composto da un paio di circuiti campione diversi, se dovessi realizzare questo circuito come ciclo di produzione penso che includerei anche un potenziometro (e una procedura di calibrazione).

Gli strati del PCB sono mostrati di seguito e posso rendere disponibili i Gerber se qualcuno è interessato. Il fondo è un riempimento del piano di terra, motivo per cui le tracce di terra non sono facili da individuare.

Usando questo circuito puoi realizzare un semplice amplificatore a termocoppia che dovrebbe darti un guadagno sufficiente per interfacciarti con il tuo controller preferito purché abbia un convertitore analogico-digitale (ADC). Poiché questo viene letto in millivolt per grado Celsius, dovrai eseguire la conversione in Fahrenheit nel software, il che dovrebbe essere semplice.