DESARROLLO DE DISPOSITIVO PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA
CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Se desarrolla un sistema de medición de temperatura basado en un sensor tipo termopar, el cual consta de las siguientes etapas:
Acondicionador de la señal
Referencia o compensación (Cold Junction)
Microprocesador
Etapa de visualización (Display)
En la figura siguiente se muestra un diagrama de bloques que representa todas las etapas del sistema desarrollado.
CIRCUITO ACONDICIONADOR
La etapa de acondicionamiento de señal, se realizo con en circuito amplificador operacional de instrumentación LTC2053, como se muestra en la figura
La ecuación de salida se obtiene del manual de fabricante del LTC2053, tenemos que la ganancia del mismo es determinada por la ecuación.
(1)
Agregando el termopar al circuito acondicionador se tiene,
Para determinar la relación entre la variación de tensión del termopar y la salida del circuito acondicionador y sustituyen el modelo equivalente del termopar, obteniendo
La ecuación de salida del circuito quedaría representada por,
(2)
El valor de la tensión suministrada por la termopar (ET - ETa) viene dada por,
 |
(3)
donde, T(°C): temperatura en °C
S(°C/V): sensibilidad del termopar
Ta(°C): temperatura conexión del termopar °C
S'(°C/V): sensibilidad en conexión del termopar °C
La ecuación quedaría finalmente como sigue,
(4)
Despejando se obtiene la ecuación inversa,
(5)
CIRCUITO DE REFERENCIA
La ecuación que describe al sistema, presenta un error introducido por las conexiones del termopar a los terminales de conexión, representada por ETa y amplificada por el Opam. Para corregir este error se utiliza un circuito de referencia para la corrección de la unión fría, el cual esta compuesto por el circuito integrado LM35 y el operacional LTC2050
El circuito LM35 es un sensor de temperatura de precisión en grados centígrados el cual permite una salida de 10 mV/°C, y utilizando el amplificador operacional LTC2050 como seguidor para acople de impedancia se tiene que la ecuación que describiría al circuito de referencia es,
(6)
donde: a = 10 mV/°C
Ta(°C): temperatura en la conexión del termopar °C
Despejando se obtiene la ecuación inversa,
(7)
INTEGRACIÓN DE COMPONENTES
El circuito integrado LTC2053 utiliza una topología de swicheo de un condensador de entrada, muestreando en aproximadamente 2,5 kHz. Con una capacidad de entrada de muestreo de ~1000 pF, el transiente RC de 10 kΩ resistencia de protección cubre dentro de una ventana de ~180 μs, tal que ellos no contribuyan al error de offset.
Típicamente cuando el LTC2053 opera mediante la señal de entrada, las frecuencias de interés están por debajo de unos cientos de Hz, por tanto es muy utilizado para mejorar la respuesta del amplificador el adicionar un capacitor de 0,1 μF en el circuito de realimentación. La red de termopares ayuda a absorber los picos de RF y a suprimir los artefactos de muestreo para que no aparezcan en los terminales de la misma.
Los resistores conectados a los termopares proveen una alta impedancia de bias VS/2, para maximizar la inmunidad de modo común sin inducir caídas de voltajes en los terminales del termopar.
El circuito general del dispositivo diseñado integrando las etapas queda representado en la figura siguiente,
El circuito del dispositivo quedaría,
Agregando las etapas del microprocesador, donde se utiliza un microprocesador de PIC16F873 el cual posee un conversor A/D de 10 bits. Finalmente completando el diseño con un display de 4 dígitos modelo FE0202. En el siguiente diagrama se muestra el diseño completo del dispositivo de medición de temperatura.
Es de notar que para que el circuito de referencia pueda compensar el error producido por la unión fría de la conexión del termopar del dispositivo es necesario que exista un acoplamiento térmico, que garantice la medición lo más exacta posible de la temperatura de la unión fría.
Gerald Soto, EES.
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