Compensation de soudure froide de thermocouple à l'aide de capteurs de température analogiques

Les tables de consultation des thermocouples et les modèles mathématiques utilisent une jonction de référence à 0 °C pour spécifier la tension de sortie du thermocouple. En pratique, cependant, la soudure froide n'est généralement pas à 0 °C et une électronique de conditionnement du signal est nécessaire pour interpréter correctement la tension de sortie. Ceci est connu sous le nom de compensation de soudure froide (CJC) dans le contexte des thermocouples.

Dans cet article, nous verrons comment les circuits analogiques peuvent être utilisés pour implémenter la compensation de soudure froide.

L'idée de base de la compensation de soudure froide analogique est illustrée à la figure 1.

Dans la figure 1, nous supposons que la jonction chaude, la jonction froide et le système de mesure sont respectivement à Th, Tc et TADC. La température de soudure froide (Tc) est mesurée par un capteur de température (souvent un capteur à semi-conducteur, parfois une thermistance) et délivrée au "circuit compensateur" pour produire le terme de tension de compensation approprié Vcomp. Cette tension s'ajoute à la sortie du thermocouple Vtherm ; ainsi, la tension mesurée par l'ADC est :

$$V_{out}=V_{therm}+V_{comp}$$

D'après notre précédent article sur la compensation de soudure froide, nous savons que Vcomp est égal à la tension produite par le thermocouple lorsque sa soudure chaude est à Tc et que sa soudure froide est à 0 °C. Cette tension peut être déterminée à partir de la table de référence du thermocouple ou du modèle mathématique. La mise en œuvre d'une table de correspondance ou d'une équation mathématique peut être extrêmement difficile avec des circuits analogiques. Par conséquent, avec une conception analogique, Vcomp ne peut être qu'une valeur approximative de la sortie réelle du thermocouple.

Les circuits CJC analogiques utilisent normalement une approximation linéaire pour produire une tension de compensation proche de la sortie réelle du thermocouple. Cette sortie est possible car la température de la soudure froide change généralement dans une plage relativement étroite autour de la température ambiante, ce qui signifie qu'une approximation linéaire peut produire des valeurs relativement précises. Dans les prochaines sections, nous examinerons quelques exemples de diagrammes CJC analogiques.

Un exemple de mise en œuvre de la compensation de soudure froide analogique est illustré à la figure 2.

Dans ce cas, le TMP35, un capteur de température basse tension d'Analog Devices, est utilisé pour mesurer la soudure froide d'un thermocouple de type K. L'entrée non inverseuse de l'ampli-op mesure la tension de sortie du thermocouple, Vtherm, plus la tension produite par le TMP35 divisée par les résistances R1 et R2 (Vcomp). Traduite en langage mathématique, la tension à l'entrée non inverseuse, VB, est donnée par :

$$V_{B}=V_{therm}+V_{comp}$$

D'après la théorie de la compensation de la soudure froide, nous savons que Vcomp doit être égal à la tension que le thermocouple référencé à 0 °C produit lorsqu'il est placé à une température de Tc où Tc se situe généralement dans une plage étroite autour de la température ambiante. Le tableau 1 montre la tension de sortie d'un thermocouple de type K sur la plage de température de 0 °C à 50 °C.

La figure 3 utilise les données ci-dessus (tableau 1) pour tracer la sortie du thermocouple de type K en fonction de la température.

Sur cette plage de température restreinte, le thermocouple semble avoir une réponse relativement linéaire. Pour que le circuit compensateur produise ces valeurs, Vcomp doit avoir le même coefficient de température que le thermocouple utilisé et passer par un point arbitraire de la courbe caractéristique ci-dessus. Vous pouvez vérifier à partir des données du tableau que la sortie d'un thermocouple de type K change d'environ 41 μV/°C à température ambiante (25 °C).

La tension produite par le TMP35, nœud A sur la Figure 2, a un coefficient de température de 10 mV/°C. Pour réduire cette valeur à 41 μV/°C, nous avons besoin d'un facteur d'échelle de 41 μV/°C 10 mV/°C = 0,0041. Ce facteur d'échelle est obtenu grâce au diviseur de tension résistif formé par R1 et R2 comme calculé ci-dessous (équation 1) :

$$Atténuation\,Facteur = \frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}=\frac{0.102\,k\Omega}{24.9\,k\Omega+0.102\,l\ Oméga}\approx0.0041$$

Maintenant que Vcomp a le même coefficient de température que le thermocouple, nous devons nous assurer qu'il passe également par un point arbitraire de la courbe caractéristique du thermocouple. Le TMP35 produit une sortie de 250 mV à 25 °C. Cette valeur multipliée par 0,0041 (le facteur d'atténuation) donne Vcomp = 1,025 mV, ce qui est proche de la sortie idéale du tableau (1 mV à 25 °C). Par conséquent, avec le TMP35, nous n'avons besoin que d'un diviseur de tension résistif pour ajuster le coefficient de température du capteur de température à semi-conducteur à celui du thermocouple utilisé, et une valeur de décalage n'est pas nécessaire. Pour clarifier davantage cette discussion, regardons un autre exemple.

Un autre circuit de compensation de soudure froide analogique est illustré à la figure 4.

Pour mieux comprendre ce circuit, ignorons d'abord la partie "réglage du décalage" de la figure 4 et trouvons la tension au nœud C. Dans cet exemple, le LM335 est utilisé pour détecter la température de jonction froide. Le potentiomètre connecté aux bornes du LM335 permet de calibrer le coefficient de température de la sortie du capteur à la valeur nominale de 10 mV/°C. La sortie du LM335 est proportionnelle à la température absolue avec la sortie extrapolée du capteur passant à zéro volt à 0 K (-273,15 ° C).

L'erreur en sortie de ce capteur n'est qu'une erreur de pente. En conséquence, l'étalonnage du capteur peut être réalisé par un étalonnage en un seul point à une température arbitraire à travers le pot à travers le capteur. Par exemple, pour calibrer le TC du capteur à 10 mV/°C, nous pouvons ajuster le pot pour avoir une tension de sortie de VA = 2,982 V à 25 °C comme calculé ci-dessous :

$$V_{A}\,@26°C=10mV/°C\fois(25+273.15)\simeq2.982\,V$$

Semblable à notre exemple précédent, le diviseur de tension résistif créé par R3 et R4 divise le coefficient de température de 10 mV/°C du capteur à semi-conducteur par celui du thermocouple utilisé. Par exemple, avec un thermocouple de type K (41 μV/°C), nous avons besoin d'un facteur d'échelle de 41 μV/°C 10 mV/°C = 0,0041. Par conséquent, nous devrions avoir :

$$\frac{R_{4}}{R_{4}+R_{3}}=0.0041$$

En supposant R3 = 200 kΩ, on obtient R4 = 823 Ω. Cela garantit que VB a un coefficient de température de 41 μV/°C. La tension au nœud C est donnée par l'équation 2 :

$$V_{C}=V_{thermique}+V_{B}$$

Pour obtenir une compensation de soudure froide, VB doit avoir le même coefficient de température que le thermocouple utilisé et passer par un point arbitraire de la courbe de sortie du thermocouple. A 25 °C, VA = 2,982 V et donc VB=2,9820,0041 = 12,22 mV. D'après le tableau 1, la sortie idéale est de 1 mV à 25 °C. Par conséquent, nous devons soustraire une valeur CC de 11,22 mV de l'équation 2 pour produire la tension de compensation appropriée. Ceci est réalisé grâce à la partie "réglage du décalage" de la figure 4.

Le LM329 est une référence de tension de précision de 6,9 ​​V compensée en température. Si nous ignorons R7, les résistances R5 et R6 forment un diviseur de tension. Ce diviseur de tension devrait atténuer 6,9 V à 11,22 mV au nœud D. Par conséquent, nous avons :

$$\frac{R_{6}}{R_{6}+R_{5}}=\frac{11.22mV}{6.9V}=0.0016$$

En supposant R5 = 200 kΩ, on obtient R6 = 320 Ω. Par conséquent, la sortie globale du circuit est donnée par :

$$V_{sortie}=V_{C}-V_{D}=V_{therm}+V_{B}-V_{D}$$

Où VB-VD est la tension de compensation globale et produit la tension de sortie par rapport à la courbe de température d'un thermocouple de type K. R7 et R2 sur la figure 4 nous permettent d'affiner la tension continue du nœud D et d'éliminer toute erreur constante des valeurs de résistance, etc. Dans cet article, nous avons expliqué les bases des circuits de compensation de soudure froide analogiques.

Pour plus d'informations sur les circuits des figures 2 et 4, veuillez vous reporter au « Manuel de conception de circuits linéaires » et « Le capteur de température IC fournit une compensation de soudure froide de thermocouple » d'Analog Devices et de Texas Instruments, respectivement.

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