Cómo utilizar termopares en tu próximo proyecto

Los termopares son el último sensor en una serie donde examinamos todos los principales tipos de sensores de temperatura que podrías usar en un proyecto de electrónica. En esta serie, hemos analizado las diversas formas de implementar diferentes sensores de temperatura en tu proyecto. Al final de la serie, pondremos a los sensores y sus implementaciones en una competencia cara a cara usando condiciones del mundo real. A través de estas pruebas en el mundo real, obtendremos una mejor comprensión de cómo se comportan y responden los diferentes sensores a las condiciones cambiantes, así como qué tan lineales y precisas son sus salidas de temperatura detectada.

Puedes encontrar los archivos de diseño para este proyecto publicados bajo la licencia de código abierto MIT en GitHub, igual que todos mis otros proyectos. Eres libre de usar los circuitos o el proyecto como desees, incluso para proyectos comerciales.

Los sensores de temperatura son vitales para muchas industrias, y los termopares más que la mayoría. Los termopares pueden ser increíblemente precisos y tienen un rango enorme de temperaturas de detección, lo que los hace ideales para muchas aplicaciones industriales termostáticas, de control de procesos y de monitoreo. En esta serie, veremos una gama de diferentes tipos de sensores y cómo usarlos mejor. Estaremos viendo:

• Termistores con Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)
• Termistores con Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)
• Detectores de Temperatura por Resistencia (RTD)
• Circuitos Integrados de Sensor de Temperatura Analógicos
• Circuitos Integrados de Sensor de Temperatura Digitales
• Termopares

Previamente, construimos dos plantillas de proyecto, en la introducción a esta serie sobre sensores de temperatura. Estas plantillas de proyecto tienen la misma interfaz y colocación de conectores, lo que nos permitirá tener un conjunto de pruebas estándar para todos los diferentes sensores de temperatura que estamos examinando. Uno de estos proyectos está diseñado para sensores de temperatura digitales, y el otro está diseñado para sensores de temperatura analógicos. En este artículo, utilizaremos ambos, empleando la plantilla de proyecto digital para un ADC de alta resolución y la plantilla analógica para todas las otras implementaciones.

Para la conclusión de esta serie, estaremos construyendo dos tarjetas anfitrionas para estas tarjetas de sensores, una diseñada para probar una sola tarjeta con fines de validación, y la otra diseñada para conectarse a un conjunto de tarjetas. Esta segunda tarjeta anfitriona, una vez que tengamos múltiples sensores montados en ella, se utilizará cuando evaluemos el rendimiento de todas las implementaciones de sensores.

Termopares

Si estás buscando medir temperaturas extremas, más allá de cualquier sensor que ya hayamos visto, entonces podrías estar buscando un termopar. Los termopares funcionan de manera bastante diferente a todos los otros sensores que hemos visto, en lugar de medir un cambio en la resistencia, los termopares generan una diferencia de potencial (voltaje) a partir de dos aleaciones de metal soldadas juntas. Esto te permite medir desde el cero absoluto hasta más allá del punto de fusión del hierro y el acero con el termopar adecuado. Los termopares también son muy robustos en su construcción y no se rompen tan fácilmente como cualquiera de los otros sensores que hemos visto en este proyecto. Los termopares no son tan precisos como puede ser un detector de temperatura por resistencia, pero son lo suficientemente precisos para la mayoría de las aplicaciones, especialmente considerando el enorme rango de temperatura.

El hecho de que los termopares generen electricidad a partir de la temperatura también los hace valiosos en la exploración espacial como una fuente de energía. Miles de termopares en serie alrededor de una fuente de calor radiactivo crean un Generador Termoeléctrico de Radioisótopos que se utilizó en misiones de espacio profundo como las sondas Voyager, Cassini y New Horizons, así como el rover Curiosity en Marte, entre otros.

Para nuestros propósitos, un termopar tipo K compuesto por níquel-cromo para el conductor positivo y níquel-aluminio para el conductor negativo es, con mucho, el tipo de termopar más común y el más económico, y es lo que estaremos utilizando. Con un termopar tipo K, puedes medir desde -270°C hasta alrededor de 1372°C, lo que produce -6.458mV a 54.886mV respectivamente. Como puedes ver, la cantidad de voltaje generado a lo largo de este amplio rango de temperatura es bastante mínima, por lo que necesitaremos algún circuito para poder medir la temperatura a partir de este pequeño voltaje. Vale la pena mencionar que no todos los termopares tipo K son capaces de soportar la temperatura máxima que la unión térmica puede - muchos termopares tipo K de muy bajo costo pueden solo manejar 500-700°C antes de que su aislamiento se degrade. La implementación de un termopar tipo K de bajo costo y baja temperatura y un termopar tipo K de mayor costo y alta temperatura suele ser la misma, sin embargo, ya que es la unión térmica la que proporciona el potencial de voltaje que estamos leyendo. Dicho esto, no todos los metales son creados iguales, y algunos termopares más baratos pueden estar utilizando metales menos puros o tener otros atajos que pueden hacer que las opciones más caras sean una mejor elección.

Más allá del rendimiento del termopar, hay otras consideraciones a tener en cuenta cuando se trabaja con termopares para asegurar que la precisión sea la esperada. Deberías usar el diámetro de cable más grande posible para el termopar, siempre y cuando no desvíe el calor del área de medición. He usado termopares tipo K de McMaster Carr que tienen un cable de calibre 8 con secciones de cerámica fundida para aislamiento, perfectos para aplicaciones de fundición a presión y tratamientos térmicos. El cable grueso permite una menor resistencia del cable para proporcionar una medición más precisa, así como menos posibilidades de destruir el cable. El estrés mecánico y la vibración pueden dañar rápidamente el cable de un termopar, por lo que tu termopar debería estar aislado de ambos tanto como sea posible. Si tienes cables de termopar largos, usa una extensión de par trenzado que esté blindada para mejorar la inmunidad contra interferencias que podrían hacer que los pequeños voltajes generados por la unión caliente sean más difíciles de leer con precisión. Si usas un cable de extensión, la conexión al cable del termopar debería estar lo más cerca posible de la temperatura del CI de conversión, ya que esa interfaz entre la extensión y el termopar es donde se encuentra la unión fría.

Leer la temperatura de forma precisa a partir de un termopar no es tan simple como amplificar el voltaje, sin embargo. Para obtener una medición precisa, también necesitamos un punto de referencia para la medición, comúnmente llamado unión fría. Al conectar el termopar a tu placa o simplemente un cable de extensión, estás creando una conexión entre dos metales diferentes adicionales. Por lo tanto, estás creando dos uniones termoeléctricas más en la "unión fría" - donde el extremo del termopar que está sensando la temperatura es la "unión caliente".

Existen varios métodos para realizar la compensación de la unión fría; sin embargo, la mayoría no son prácticos para un PCB. El método que la mayoría de los CI de conversión de termopares utilizan es usar la temperatura del CI como el desfase para la temperatura de la unión, por lo tanto, asegurar que el conector para el termopar esté cerca de tu CI de conversión y tenga la misma temperatura que el CI de conversión es crítico para una medición precisa. En este proyecto, solo vamos a mirar el uso de un termopar con un CI de conversión. Esto simplifica mucho el proceso sin un alto costo en comparación con agregar los componentes adicionales, sin mencionar el tiempo de ingeniería y pruebas, para realizar la compensación de la unión fría en tu código de microcontrolador.

En este proyecto, implementaremos dos amplificadores de termopar leyendo un termopar Tipo K.

Implementación de termopar: MAX31855

Este es posiblemente el circuito integrado de interfaz de termopar más popular disponible, con un modelo de IC diferente para cada tipo de termopar. El MAX31855 es compatible con termopares tipo K, J, N, T, S, R y E, lo que cubre todo lo que probablemente te encuentres en el mundo real. El sufijo de letra después de MAX31855 indica el tipo de termopar, así que para este proyecto, estoy utilizando el MAX31855K para trabajar con mi termopar tipo K. El MAX31855 tiene un ADC de 14 bits internamente y comunica sus lecturas a través de un bus SPI. A pesar de la capacidad de leer temperaturas tan altas como 1800C y hasta -270C, el ADC ofrece una resolución de 0.25C con una precisión de +/- 2C para termopares tipo K entre -200C y +700C. Como se mencionó anteriormente, la compensación de la unión fría es vital para una medición precisa con un termopar, y el MAX31855 se encarga de esto de manera transparente junto con el acondicionamiento de señal de la salida del termopar.

Mientras que el MAX31855 utiliza SPI, es un dispositivo solo de lectura, por lo que no utiliza el pin MOSI, lo que requiere solo 3 líneas de datos al circuito integrado. Dependiendo de otros dispositivos SPI que podrías estar utilizando, esto podría ahorrarte un pin del microcontrolador o al menos hacer que el enrutamiento sea más accesible al convertidor de termopar a digital IC. Ya que estamos hablando del protocolo de comunicaciones, por experiencia práctica, no deberías hacer solicitudes de conversión rápidas al MAX31855 - si lo haces, es probable que se generen resultados espurios. Encuentro que 4 solicitudes por segundo es una velocidad segura de solicitud de temperatura para asegurar que los datos proporcionados sean fiables.

La implementación para el MAX31855 es increíblemente simple, solo se requieren 2 pasivos y un puerto SPI en tu microcontrolador. Este sensor convierte directamente el voltaje de salida del termopar a una lectura de temperatura digital, lo que hace que la implementación con un microcontrolador sea muy rápida y fácil.

Estoy utilizando un conector de tipo poke home de bajo perfil para conectar el termopar de AVX, la misma serie que usé en mi controlador de iluminación RGBW. Este conector es ideal para estas placas de prueba ya que su baja altura permite que las placas se apilen sin que el conector estorbe, y también proporciona una forma realmente fácil de conectar el termopar de manera segura.

Dejaré el puente térmico en su lugar para este diseño de placa, ya que quiero mantener las temperaturas medidas consistentes entre las diferentes placas de prueba que estamos construyendo. Pegaré la unión caliente del termopar a la placa de circuito en el mismo lugar que los otros sensores están colocados con cinta Kapton. Esta colocación debería darnos una medición consistente en relación con las otras placas de prueba de la serie.

Como se mencionó anteriormente, el conector debe estar lo más cerca posible del IC de conversión. Por lo tanto, los dos están uno al lado del otro con el capacitor de desacoplamiento para el termopar colocado entre ellos.

Implementación del Termopar: AD8495

De Analog Devices tenemos un amplificador de instrumentación con compensación de unión fría incorporada. La salida de este dispositivo es analógica y, por lo tanto, se puede utilizar para limitación de temperatura y aplicaciones de seguridad que respaldan un microcontrolador, o en un circuito puramente analógico. Aún puedes leer la salida con un microcontrolador, sin embargo, a 5mV/°C probablemente querrás usar un ADC externo de alto conteo de bits para asegurarte de poder obtener una lectura precisa de la temperatura.

La serie AD849x de amplificadores para termopares opera con una única fuente de alimentación, sin embargo, aún puede leer temperaturas por debajo de cero, donde el voltaje del termopar es negativo. Aunque el AD8495 puede entregar hasta 5mA de corriente a una carga, esto conducirá a un auto-calentamiento que, como se discutió en artículos anteriores de la serie, lleva a lecturas inexactas. En este caso, no de la temperatura del termopar, sino de la temperatura de la unión fría y, por lo tanto, de la compensación de la temperatura de la unión fría. Si su aplicación con el AD8495 requiere más que una cantidad simbólica de corriente, debería usar un seguidor de voltaje para suministrar corriente y proporcionar una entrada de alta impedancia para la salida del AD8495. La implementación del amplificador de instrumentación de los AD849x ofrece un excelente rechazo al modo común de ruido que puede ser captado por cables de termopar largos.

El AD8495 que estamos utilizando en este proyecto está optimizado para operar entre 0°C y 50°C, sin embargo, puede leer el rango completo de un termopar tipo K. El AD8494 tiene el mismo rango de temperatura para un termopar tipo J. Si se requiere una temperatura más alta para el rango de operación de la unión fría/conversor, los AD8496 y AD8497 ofrecen un rango de operación optimizado de 25°C a 100°C para termopares tipo J y tipo K, respectivamente.

Supongamos que estás trabajando con temperaturas muy altas en tu proyecto y quieres añadir una funcionalidad de seguridad que funcione sin importar lo que le ocurra al microcontrolador. En ese caso, podrías usar el AD8495 con un comparador analógico para proporcionar un apagado a un elemento calefactor. Las salidas digitales son simples y permiten lecturas precisas; sin embargo, a veces necesitas una salida analógica para una característica de seguridad secundaria (o primaria) en un dispositivo.

La implementación del AD8495 no es tan simple como la del MAX31855, ya que para leer temperaturas negativas necesitamos proporcionar un sesgo de cc a la señal si vamos a usar una fuente única y queremos una salida de voltaje positivo en todo el rango del sensor. El voltaje de salida se define como:

Por lo tanto, sabemos que 100°C provocarán un aumento de 0.5V en el voltaje de salida, ya que esta implementación de termopar tendrá el termopar adjunto a la placa de circuito que aloja el IC convertidor, no vamos a experimentar lo que un termopar tipo K consideraría temperaturas extremas. Al proporcionar un sesgo de 1.25V, de modo que 0°C equivaldrán a 1.25V, podemos medir temperaturas desde -250°C hasta 410°C, ambas superarán las capacidades del IC convertidor y la placa a la que está montado. Podría usar un voltaje de referencia más bajo. Sin embargo, estoy yendo en contra de la hoja de datos aquí, y 1.25V es muy conveniente para mí.

Para proporcionar un voltaje de referencia, la hoja de datos recomienda no usar un divisor de voltaje directamente, sino usar un amplificador operacional o un amplificador de búfer para aislar el voltaje del divisor al pin Ref. Al comparar costos, una referencia de voltaje de 1.25V MAX6070 es una solución más barata y también más precisa, es el voltaje de salida más bajo de todas las referencias de voltaje en mi biblioteca.

El esquemático implementado sigue siendo relativamente simple para un amplificador de termopar con compensación de unión fría, pero no tan simple como el convertidor digital. Lo que encuentro interesante del pin REF es que, en lugar de usar simplemente una referencia de voltaje o un divisor de voltaje aquí, también podríamos agregar un potenciómetro a un divisor resistivo para proporcionar un ajuste fino del termopar y ofrecer un circuito calibrado de alta precisión si quisiéramos.

La placa de circuito es muy similar a la MAX31855, con el conector del termopar y el capacitor de desacoplamiento uno al lado del otro, para proporcionar una buena referencia de compensación de unión fría. Al igual que la MAX31855, estaremos fijando la unión caliente del termopar a la PCB con cinta Kapton en la misma ubicación que los otros tipos de sensores que hemos examinado en esta serie.

Filtro RF para Termopar

Si espera usar el termopar en un ambiente adverso de RF/EMI, considere agregar un simple filtro RC a sus líneas de termopar. Sin embargo, no agregaré esto a la PCB que estamos haciendo en este proyecto, pero, dada la prevalencia de termopares en aplicaciones industriales y de monitoreo de procesos, creo que vale la pena mencionarlo.

Conclusión

Puedes encontrar detalles de cada uno de estos circuitos de prueba para tableros con todas las demás implementaciones de sensores de temperatura en GitHub. Estos tableros se publican bajo la licencia de código abierto MIT, así que eres bienvenido a construirlos tú mismo, implementar sus circuitos en tus proyectos o usarlos de la manera que desees.

Asegúrate de echar un vistazo a los otros proyectos de esta serie si estás interesado en sensores de temperatura, ya que podrías encontrar una alternativa más económica al uso de un termopar u otra opción que podría funcionar para tu proyecto. Al final de esta serie, verás una comparación entre todos los diferentes tipos de sensores, para que puedas comparar directamente cómo las diferentes implementaciones de sensores se desempeñan en diversas condiciones entre sí.

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