Em seu Application Report SLOA123, a Texas Instruments mostra um circuito processador de sinais para termopar de baixo custo, com características de isolamento e imunidade ao ruído. Diferentemente dos circuitos convencionais que empregam uma compensação na junção fria, neste projeto, o termopar é conectado diretamente às entradas diferenciais de um amplificador para instrumentação INA326. O circuito é mostrado na figura 1.

 

Circuito sugerido pelo fabricante.
Circuito sugerido pelo fabricante.

 

Esta configuração aproveita as vantagens do alto CMRR (Rejeição em modo comum) do amplificador de instrumentação que, neste caso, é maior que 90 dB.

Conforme sabemos, um termopar é um dispositivo simples, sendo formado por fios de metais diferentes conectados num ponto comum. Neste ponto, forma-se uma junção e quando existe uma diferença de temperatura entre as partes unidades e as partes abertas do dispositivo, é gerada uma tensão proporcional.

Esta tensão tipicamente fica entre 30 uV e 60 uV por oC dependendo dos metais utilizados. Para um termopar do tipo K, onde os metais são o níquel/cromo e o cromo, o coeficiente de Seebeck é de aproximadamente 39,4 V/oC.

Como a tensão produzida por um termopar é proporcional à diferença de temperatura entre seus terminais, é importante conhecer de modo preciso a temperatura do conector onde o termopar é ligado, no sistema de medida. Neste projeto um detector de temperatura de platina (RTD) é utilizado para fazer esta medida.

O PT100 (RTD) é conectado a um amplificador de instrumentação separado (U2), fixado para o mesmo ganho que o amplificador conectado ao termopar. (U1). O PT100 tem uma resistência de 100 ? em 0o C e sua resistência é uma função linear da temperatura com um coeficiente de 0,385% por oC. A tensão Vtc é então função da temperatura e corrente através do RTD. O valor do resistor r1 (20 k ?) é escolhido de tal forme que o coeficiente de temperatura da tensão Vpt se case com a de um termopar do tipo K (39,4 uV/oC). O valor do resistor R2 é fixado para ser igual ao de R1 e o valor de R3 fixado em 100 ?, de tal forma que Vtc seja 0 em 100º C.

A entrada de referência 9reference0 de U1 proporciona uma maneira simples de se somar Vpt (a tensão dependente da temperatura do RTD de platina) e Vtc (a tensão dependente da temperatura do termopar).

 

tp = temperatura do sensor (junção) em oC

ta = temperatura ambiente em oC

Vtc - tensão gerada no termopar em mV

 

V(PT100) = 10,19 + 0,0395 x ta (mV)

Vtc = 0,0395 x (tp - ta)

Vpt = 100 x (V (PTC100) - 10,19) + 2048 = 2048 + 3,95 x ta (mV)

ADCVIN = 100 x Vtc + Vpt - 2048 + 3,95 x (tp - ta) + 3,95 x ta = 2048 + 3,95 x ta (mV)

 

O ADS1244 é um conversor A/D de 24 bits com uma resolução efetiva de 20 bits (7,8 uV, como conectado). O DCR10505 é um conversor DC-DC isolado com um regulador interno de tensão, fornecendo os 5 V para os circuitos analógicos.

Dois sinais digitais (Data Out e Clock) ligam o ADS1244 ao MSP430F122, microcontrolador de ultra-baixo consumo. O ISO721MS proporciona o isolamento de terra entre os terras digitais e analógicos. Note que a isolação elétrica é mantida entre o terra analógico (circuitos da esquerda da linha tracejada) e o terra digital (circuitos à direita da linha tracejada).

Na figura 2 temos a montagem prática, como sugerida no Application Report da Texas.

 

Foto do projeto.
Foto do projeto.

 

Mais informações podem ser obtidas no documento original disponível no formato PDF no site da Texas Instruments.

 

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