Conditionneurs de signal de thermocouple et conditionnement de signal près de la jonction froide

Précédemment dans cette série, nous avons examiné les principes de fonctionnement des conditionneurs de signal à thermocouple monolithique. Poursuivant notre discussion, cet article explore quelques autres options pour les applications de thermocouple, à savoir l'AD594/AD595, le MAX6675 et l'ADS1220. Certains des concepts de base de l'article précédent s'appliquent également aux conditionneurs de thermocouple discutés ici. Par exemple, tous ces conditionneurs de signaux doivent être placés près de la jonction froide du thermocouple. Cependant, certaines fonctionnalités peuvent être spécifiques à l'appareil.

Pour rester concis, nous essaierons de nous concentrer principalement sur les fonctionnalités clés de chacun de ces appareils.

L'AD594/AD595 est un conditionneur de signal thermocouple complet qui intègre un amplificateur et un compensateur de soudure froide dans un seul boîtier. La figure 1 montre le schéma fonctionnel et le raccordement de base à une seule alimentation de l'appareil.

Une partie fondamentale du circuit est la boucle de rétroaction créée par l'amplificateur différentiel droit (avec gain G), l'amplificateur principal (+A) et la résistance interne entre les broches 8 et 5. La paire différentielle gauche amplifie le tension du thermocouple et l'applique à un nœud de sommation dans la boucle de rétroaction. Le bloc "Ice Point Comp" produit la tension de compensation de soudure froide (CJC) et l'ajoute dans la boucle de thermocouple via la paire différentielle de droite.

Vous pouvez trouver des détails sur le fonctionnement de ce circuit dans la fiche technique AD594/AD595. Sans entrer plus loin dans ces détails, le résultat final est que l'appareil est conçu pour se connecter directement au thermocouple, effectuer une compensation et une amplification de la soudure froide et produire une sortie de 10 mV/°C. Par exemple, avec un thermocouple de type J connecté à l'AD594, la sortie sera d'environ 500 mV lorsque la soudure chaude est à 50 °C.

Notez que l'AD594 et l'AD595 sont pré-étalonnés par ajustement de plaquette laser pour correspondre aux courbes caractéristiques des thermocouples de type J et K, respectivement.

Dans un article précédent, nous avons expliqué que l'AD849x, qui est également un conditionneur de signal de thermocouple, peut mesurer des températures négatives même lorsqu'il est alimenté par une alimentation à rail unique. Contrairement à l'AD849x, l'AD594/AD595 nécessite une alimentation à double rail pour mesurer des températures inférieures à 0 °C.

Une caractéristique intéressante de l'AD594/AD595 est que certains nœuds importants du circuit interne sont disponibles au niveau des broches du boîtier. Par exemple, la broche 8 est connectée au chemin de retour interne de l'appareil. De plus, la tension CJC, qui est appliquée à l'amplificateur différentiel droit, est disponible sur les broches 3 et 5. La mise à disposition de ces nœuds sur les broches du boîtier nous permet d'avoir un conditionneur de signal plus flexible qui peut être ajusté en fonction de l'application. exigences.

Dans cet esprit, voyons comment l'accès à la résistance de rétroaction peut être utilisé dans la pratique. Comme le montre la figure 1, dans des conditions de fonctionnement normales, les broches 9 et 8 sont liées ensemble. Cela connecte la sortie de l'amplificateur à la résistance de rétroaction interne qui définit le gain de l'appareil. Le réseau de rétroaction interne est calibré en usine pour produire une sortie de 10 mV/°C. Cependant, pour ajuster le gain, nous pouvons placer une résistance supplémentaire entre les broches 9 et 5. Cette résistance externe sera en parallèle avec la résistance de rétroaction interne, permettant d'ajuster le gain de l'amplificateur. Nous pouvons même remplacer la résistance interne par celle externe en supprimant la connexion entre les broches 9 et 8.

La figure 2 illustre l'étalonnage du gain en ajustant la résistance de rétroaction.

Le diagramme ci-dessus montre comment l'AD594/AD595 peut être utilisé pour produire une sortie proportionnelle à la température sur une échelle Fahrenheit (10 mV/°F). Considérons ensuite l'équation suivante pour la conversion de l'échelle de température :

\[Degrés\,Fahrenheit=\frac{9}{5}(Degrés \,Celsius)+32\]

À partir de cette équation, nous pouvons vérifier que nous devons augmenter le gain de \(\frac{9}{5}\) (ainsi qu'ajouter une valeur de décalage appropriée) pour avoir une sortie qui change à 10 mV/°F plutôt inférieure à la valeur calibrée en usine de 10 mV/°C.

En d'autres termes, nous devons ajuster la résistance de rétroaction pour avoir une sortie \(10\times\frac{9}{5}=18 mV/°C\).

Le diagramme ci-dessus y parvient en plaçant un potentiomètre de réglage entre les broches 9 et 8. Pour un thermocouple de type J, la sensibilité à la température ambiante est de 51,7 μV/°C. Par conséquent, le gain résultant pour l'AD594 peut être trouvé comme suit :

\[Gain_{Nouveau}=\frac{18 mV/°C}{51,7 μV/°C}=348,16\]

Comme expliqué dans cette note d'application, nous pouvons appliquer un signal AC, VTest, aux broches 1 et 14, puis ajuster RGain jusqu'à ce que nous obtenions VTest ⨉ GainNew à la sortie.

Il est également possible d'ajouter un décalage à la sortie de l'AD594/AD595. Une façon d'effectuer l'étalonnage du décalage est illustrée à la Figure 3.

Cela peut être particulièrement utile lors de la réduction de l'erreur d'étalonnage résiduelle de l'appareil. L'AD594/AD595 est une plaquette laser ajustée pour obtenir une erreur d'étalonnage maximale de 1°C ou 3°C, selon le niveau de performance de l'appareil. Avec une application exigeante, on peut utiliser le diagramme ci-dessus pour éliminer cette erreur résiduelle. La résistance de 15 MΩ augmente légèrement le potentiel de l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel droit. Cela force le circuit à avoir un décalage négatif d'environ -3 °C. Le décalage négatif "forcé" est ensuite calibré à travers le réseau résistif connecté à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur différentiel. Ce schéma de calibrage garantit qu'un seul trim unidirectionnel peut être utilisé pour annuler l'erreur. Vous pouvez voir un autre exemple d'étalonnage de décalage dans la figure 2.

En plus d'ajuster le gain et l'offset, il est possible d'ajuster le coefficient de température du compensateur de soudure froide interne. Cela nous permet d'utiliser l'AD594/AD595 avec d'autres types de thermocouples. Par exemple, la fiche technique explique comment l'AD594, qui est calibré en usine pour les thermocouples de type J, peut être recalibré pour conditionner les thermocouples de type E.

Une autre option pour le conditionnement du signal de thermocouple est le MAX6675, dont le schéma fonctionnel est illustré ci-dessous.

Le MAX6675 intègre un ADC 12 bits (convertisseur analogique-numérique) et un compensateur de soudure froide dans un seul boîtier. Il peut se connecter directement à un thermocouple de type K, comme illustré à la Figure 5.

L'appareil peut mesurer une large gamme de températures de soudure chaude de 0 °C à 1024 °C (notez qu'il ne peut pas mesurer les températures négatives). La température de soudure froide ou la température de fonctionnement du MAX6675 doit être comprise entre -20 °C et +85 °C.

Comme le montre la figure 4, le signal CJC et la sortie du thermocouple sont numérisés par l'ADC. L'appareil utilise ces informations pour effectuer CJC et lit le résultat (c'est-à-dire que la température est mesurée comme une valeur 12 bits sur la broche SO). Une séquence de tous les zéros correspond à 0 °C, alors qu'une séquence de tous les uns signifie que le thermocouple est à +1023,75 °C.

En tant que troisième option de conditionneur de thermocouple, j'aimerais mentionner qu'au lieu d'utiliser un appareil avec un compensateur de soudure froide intégré, vous pouvez également utiliser un ADC qui comprend un capteur de température de précision interne. Un exemple de schéma utilisant l'ADS1220 est illustré à la Figure 6.

L'ADS1220 est un ADC 24 bits avec un capteur de température de haute précision qui peut être utilisé pour mesurer la température de l'appareil à des fins de CJC. L'ADS1220 ne peut pas effectuer automatiquement la compensation de soudure froide ; cependant, cela peut être fait dans le processeur qui suit l'ADC. Si l'utilisation du capteur de température interne n'est pas possible, par exemple, en raison de sa précision limitée ou parce que nous ne pouvons pas placer l'ADC près de la soudure froide, nous pouvons utiliser un RTD ou une thermistance pour mesurer la température de la soudure froide. Cela consommera cependant un canal d'entrée supplémentaire de l'ADC.

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