Como Usar Termopares no Seu Próximo Projeto

Termopares são o último sensor tipo em uma série onde olhamos todos os principais tipos de sensores de temperatura que você pode usar em um projeto eletrônico. Nesta série, examinamos as várias maneiras de implementar diferentes sensores de temperatura em seu projeto. Ao final da série, colocaremos os sensores e implementações em uma competição frente a frente usando condições do mundo real. Por meio desses testes no mundo real, ganharemos uma melhor compreensão de como diferentes sensores se comportam e respondem a condições em mudança, bem como quão lineares e precisas são suas saídas de temperatura sentida.

Você pode encontrar os arquivos de design para este projeto liberados sob a licença de código aberto MIT no GitHub, o mesmo que todos os meus outros projetos. Você está livre para usar os circuitos ou o projeto como desejar, mesmo para projetos comerciais.

Sensores de temperatura são vitais para muitas indústrias, e termopares mais ainda. Termopares podem ser incrivelmente precisos e têm uma enorme faixa de temperaturas de detecção, tornando-os ideais para muitas aplicações industriais termostáticas, de controle de processo e monitoramento. Nesta série, vamos olhar para uma gama de diferentes tipos de sensores e como melhor usá-los. Estaremos olhando para:

• Termistores com Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)
• Termistores com Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)
• Detetores de Temperatura por Resistência (RTD)
• ICs de Sensor de Temperatura Analógico
• ICs de Sensor de Temperatura Digital
• Termopares

Anteriormente, construímos dois modelos de projeto, na introdução desta série sobre sensores de temperatura. Esses modelos de projeto possuem a mesma interface e colocação de conectores, o que nos permitirá ter um conjunto de testes padrão para todos os diferentes sensores de temperatura que estamos analisando. Um desses projetos é projetado para sensores de temperatura digitais, e o outro é projetado para sensores de temperatura analógicos. Neste artigo, utilizaremos ambos, usando o modelo de projeto digital para um ADC de alta resolução e o modelo analógico para todas as outras implementações.

Para a conclusão desta série, estaremos construindo duas placas hospedeiras para esses cartões de sensores, uma projetada para testar um único cartão para fins de validação, e a outra projetada para se conectar a um conjunto de cartões. Esta segunda placa hospedeira, uma vez que tenhamos vários sensores montados nela, será usada quando avaliarmos o desempenho de todas as implementações de sensores.

Termopares

Se você está procurando medir temperaturas extremas, além de qualquer um dos sensores que já examinamos, então você pode estar procurando por um termopar. Termopares funcionam de maneira bastante diferente de todos os outros sensores que analisamos, ao invés de medir uma mudança na resistência, termopares geram uma diferença de potencial (tensão) a partir de duas ligas metálicas diferentes soldadas juntas. Isso permite medir desde o zero absoluto até além do ponto de fusão do ferro e do aço com o termopar adequado. Termopares também são muito robustos em sua construção e não quebram tão facilmente quanto qualquer um dos outros sensores que examinamos neste projeto. Termopares não são tão precisos quanto um detector de temperatura de resistência pode ser, mas são precisos o suficiente para a maioria das aplicações, especialmente considerando a enorme faixa de temperatura.

O fato de os termopares gerarem eletricidade a partir da temperatura também os torna valiosos na exploração espacial como uma fonte de energia. Milhares de termopares em série ao redor de uma fonte de calor radioativa criam um Gerador Termoelétrico de Radioisótopos que foi usado em missões de espaço profundo como as sondas Voyager, Cassini e New Horizons, assim como o rover Curiosity em Marte, entre outros.

Para os nossos propósitos, um termopar tipo K composto por níquel-cromo para o condutor positivo e níquel-alumínio para o condutor negativo é de longe o tipo mais comum e o mais barato de termopar e é o que estaremos utilizando. Com um termopar tipo K, você pode medir de -270°C até cerca de 1372°C, o que produz -6,458mV a 54,886mV, respectivamente. Como você pode ver, a quantidade de voltagem gerada ao longo dessa vasta faixa de temperatura é bastante mínima, então precisaremos de algum circuito para poder medir a temperatura a partir dessa pequena voltagem. Vale ressaltar que nem todos os termopares tipo K são capazes de suportar a temperatura máxima que a junção térmica pode - muitos termopares tipo K de muito baixo custo podem apenas suportar 500-700°C antes que sua isolação se degrade. A implementação de um termopar tipo K de baixo custo e baixa temperatura e um termopar tipo K de custo mais alto e temperatura mais alta é tipicamente a mesma, no entanto, pois é a junção térmica que fornece o potencial de voltagem que estamos lendo. Dito isso, nem todos os metais são criados iguais, e alguns termopares mais baratos podem estar usando metais menos puros ou ter outros atalhos que podem fazer com que as opções mais caras sejam uma escolha melhor.

Além do desempenho do termopar, existem outras considerações a ter em conta ao trabalhar com termopares para garantir que a precisão seja conforme esperado. Você deve usar o maior diâmetro de fio possível para o termopar, desde que não desvie calor da área de medição. Eu usei termopares tipo K da McMaster Carr que possuem fio de calibre 8 com seções de cerâmica fundida para isolamento - perfeito para aplicações de fundição sob pressão e tratamento térmico. O fio grosso permite uma menor resistência do fio para fornecer uma medição mais precisa, bem como menor chance de destruir o fio. Estresse mecânico e vibração podem danificar rapidamente o cabo de um termopar, então seu termopar deve ser isolado de ambos tanto quanto possível. Se você tiver fios de termopar longos, use uma extensão de par trançado que seja blindada para melhorar a imunidade contra interferências, o que poderia tornar os pequenos voltages gerados pela junção quente mais desafiadores de ler com precisão. Se você usar um fio de extensão, a conexão com o cabo do termopar deve ser o mais próximo possível da temperatura do CI de conversão, pois essa interface entre a extensão e o termopar é onde a junção fria está localizada.

Ler a temperatura de forma precisa a partir de um termopar não é tão simples quanto amplificar a voltagem, no entanto. Para obter uma medição precisa, também precisamos de um ponto de referência para a medição, comumente chamado de junção fria. Ao conectar o termopar à sua placa ou apenas a um fio de extensão, você está criando uma conexão entre dois metais dissimilares adicionais. Portanto, você está criando mais duas junções termoelétricas na "junção fria" - onde a extremidade do termopar que está sentindo a temperatura é a "junção quente".

Existem vários métodos para realizar a compensação da junção fria; no entanto, a maioria não é prática para uma PCB. O método que a maioria dos CI de conversão de termopar utiliza é usar a temperatura do CI como o deslocamento para a temperatura da junção, garantindo assim que o conector para o termopar esteja próximo ao seu CI de conversão e tenha a mesma temperatura que o CI de conversão é crucial para uma medição precisa. Neste projeto, vamos apenas olhar para o uso de um termopar com um CI de conversão. Isso simplifica muito o processo sem custo elevado em comparação com a adição de componentes adicionais, sem mencionar o tempo de engenharia e teste, para realizar a compensação da junção fria no seu código de microcontrolador.

Neste projeto, implementaremos dois amplificadores de termopar lendo um termopar do tipo K.

Implementação de Termopar: MAX31855

Este é, sem dúvida, o circuito integrado de interface de termopar mais popular disponível, com um modelo de CI diferente para cada tipo de termopar. O MAX31855 suporta termopares tipo K, J, N, T, S, R e E, o que cobre tudo o que você provavelmente encontrará no mundo real. O sufixo de letra após MAX31855 é o tipo de termopar, então, para este projeto, estou usando o MAX31855K para trabalhar com meu termopar tipo K. O MAX31855 possui internamente um ADC de 14 bits e comunica suas leituras por meio de um barramento SPI. Apesar da capacidade de ler temperaturas tão altas quanto 1800°C e até -270°C, o ADC oferece uma resolução de 0,25°C com uma precisão de +/- 2°C para termopares tipo K entre -200°C e +700°C. Como mencionado acima, a compensação de junção fria é vital para uma medição precisa com um termopar, e o MAX31855 cuida disso de forma transparente, juntamente com o condicionamento do sinal de saída do termopar.

Enquanto o MAX31855 utiliza SPI, trata-se de um dispositivo somente de leitura, portanto, não utiliza o pino MOSI, o que requer apenas 3 linhas de dados para o circuito integrado. Dependendo de outros dispositivos SPI que você possa estar usando, isso pode economizar um pino do microcontrolador ou, pelo menos, facilitar o roteamento para o conversor de termopar para digital IC. Como estamos falando do protocolo de comunicação, pela experiência prática, você não deve fazer solicitações de conversão rápidas ao MAX31855 - se fizer, é provável que sejam gerados resultados espúrios. Descobri que 4 solicitações por segundo são uma velocidade segura de solicitação de temperatura para garantir que os dados confiáveis sejam fornecidos.

A implementação para o MAX31855 é incrivelmente simples, necessitando apenas de 2 componentes passivos e uma porta SPI no seu microcontrolador. Este sensor converte diretamente a tensão de saída do termopar para uma leitura de temperatura digital, tornando a implementação com um microcontrolador muito rápida e fácil.

Estou usando um conector de placa a fio tipo poke home de perfil baixo da AVX para conectar o termopar, da mesma série que usei no meu controlador de iluminação RGBW. Este conector é ideal para essas placas de teste, pois sua baixa altura permite que as placas se empilhem sem que o conector atrapalhe, e também oferece uma maneira realmente fácil de conectar o termopar de forma segura.

Estou mantendo a interrupção térmica no lugar para este design de placa, pois quero manter as temperaturas medidas consistentes entre as diferentes placas de teste que estamos construindo. Vou colar a junção quente do termopar na placa de circuito no mesmo lugar que os outros sensores estão colocados com uma fita Kapton. Este posicionamento deve nos dar uma medição consistente em relação às outras placas de teste da série.

Como mencionado anteriormente, o conector deve estar o mais próximo possível do CI de conversão. Portanto, os dois estão bem próximos um do outro com o capacitor de desacoplamento para o termopar colocado entre eles.

Implementação do Termopar: AD8495

Da Analog Devices, temos um amplificador de instrumentação com compensação de junção fria integrada. A saída deste dispositivo é analógica e, portanto, pode ser usada para limitação de temperatura e aplicações de segurança que dão suporte a um microcontrolador, ou em um circuito puramente analógico. Você ainda pode ler a saída com um microcontrolador, no entanto, a 5mV/°C, você provavelmente vai querer usar um ADC externo de alta contagem de bits para garantir que você possa obter uma leitura precisa da temperatura.

A série AD849x de amplificadores de termopar opera com uma única fonte de alimentação, no entanto, ainda pode ler temperaturas abaixo de zero, onde a tensão do termopar é negativa. Embora o AD8495 possa fornecer até 5mA de corrente para uma carga, isso levará ao autoaquecimento que, como discutido em artigos anteriores da série, leva a leituras imprecisas. Neste caso, não da temperatura do termopar, mas da temperatura da junção fria e, portanto, da compensação da temperatura da junção fria. Se sua aplicação usando o AD8495 requer mais do que uma quantidade simbólica de corrente, você deve usar um seguidor de tensão para fornecer corrente e fornecer uma entrada de alta impedância para a saída do AD8495. A implementação do amplificador de instrumentação do AD849x oferece uma excelente rejeição de modo comum de ruídos que podem ser captados por cabos de termopar longos.

O AD8495 que estamos usando neste projeto é otimizado para operação entre 0°C e 50°C, no entanto, pode ler a gama completa de um termopar tipo K. O AD8494 tem a mesma faixa de temperatura para um termopar tipo J. Se uma temperatura mais alta para a faixa de operação da junção fria/conversor for necessária, o AD8496 e o AD8497 oferecem uma faixa de operação otimizada de 25°C a 100°C para termopares tipo J e tipo K, respectivamente.

Suponha que você esteja trabalhando com temperaturas muito altas em seu projeto e queira adicionar uma funcionalidade de segurança que funcionará independentemente do que aconteça com o microcontrolador. Nesse caso, você poderia usar o AD8495 com um comparador analógico para fornecer um desligamento a um elemento de aquecimento. Saídas digitais são simples e permitem leituras precisas; no entanto, às vezes você precisa de uma saída analógica para um recurso de segurança secundário (ou primário) em um dispositivo.

A implementação do AD8495 não é tão simples quanto a do MAX31855, pois para ler temperaturas negativas precisamos fornecer um viés de cc para o sinal se quisermos usar uma única fonte de alimentação e desejar uma saída de tensão positiva em toda a faixa do sensor. A tensão de saída é definida como:

Portanto, sabemos que 100°C irão criar um aumento de 0.5V na tensão de saída, já que essa implementação de termopar terá o termopar acoplado à placa de circuito que hospeda o CI conversor, não vamos experimentar o que um termopar tipo K consideraria temperaturas extremas. Ao fornecer um viés de 1.25V, assim 0°C será igual a 1.25V, podemos medir temperaturas de até -250°C e até 410°C, ambas excedendo as capacidades do CI conversor e da placa em que está montado. Eu poderia usar uma tensão de referência mais baixa. No entanto, estou indo contra o datasheet aqui, e 1.25V é muito conveniente para mim.

Para fornecer uma tensão de referência, o datasheet recomenda não usar um divisor de tensão diretamente, mas sim usar um amplificador operacional ou amp de buffer para bufferizar a tensão do divisor para o pino Ref. Ao comparar custos, uma referência de tensão de 1.25V MAX6070 é uma solução mais barata e também mais precisa, é a saída de tensão mais baixa de todas as referências de tensão na minha biblioteca.

O esquema implementado ainda é relativamente simples para um amplificador de termopar com compensação de junção fria, mas não tão simples quanto o conversor digital. O que acho interessante sobre o pino REF é que, em vez de apenas usar uma referência de tensão ou divisor de tensão aqui, também poderíamos adicionar um potenciômetro a um divisor resistivo para fornecer um ajuste fino do termopar, oferecendo um circuito calibrado de alta precisão, se quiséssemos.

A placa de circuito é muito semelhante à do MAX31855, com o conector do termopar e o capacitor de desacoplamento um ao lado do outro, para fornecer uma boa referência de compensação de junção fria. Como o MAX31855, estaremos fixando a junção quente do termopar na PCB com fita Kapton na mesma localização que os outros tipos de sensores que examinamos nesta série.

Filtro RF para Termopar

Se você espera usar o termopar em um ambiente adverso de RF/EMI, considere adicionar um simples filtro RC às suas linhas de termopar. Eu não estarei adicionando isso à PCB que estamos fazendo neste projeto, no entanto, dada a prevalência de termopares em aplicações industriais e de monitoramento de processos, acho que vale a pena mencionar.

Conclusão

Você pode encontrar detalhes de cada uma dessas placas de circuito de teste com todas as outras implementações de sensores de temperatura no GitHub. Essas placas são liberadas sob a licença de código aberto MIT, então você está livre para construí-las você mesmo, implementar seus circuitos em seus projetos ou usá-las da maneira que desejar.

Certifique-se de dar uma olhada nos outros projetos desta série se você tem interesse em sensores de temperatura, pois você pode encontrar uma alternativa mais barata ao uso de um termopar ou outra opção que possa funcionar para o seu projeto. Ao final desta série, você verá uma comparação entre todos os diferentes tipos de sensores, para que possa comparar diretamente como as diferentes implementações de sensores se comportam em condições variadas uma em relação à outra.

Você gostaria de saber mais sobre como o Altium Designer® pode ajudá-lo com o seu próximo design de PCB? Fale com um especialista na Altium.