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