Come costruire un amplificatore per termocoppia

Le termocoppie sono un sensore utilissimo per la misurazione a contatto della temperatura in numerosi esperimenti, specie ad alte temperature. Una termocoppia è semplicemente una coppia di fili di una certa lunghezza realizzati con due materiali diversi opportuni che sono saldati insieme ad un’estremità. Sia che si stia costruendo un dispositivo di rilevamento della temperatura o sia necessario apportare funzionalità di rilevamento della temperatura a un sistema esistente, è quindi necessario acquisire familiarità con le termocoppie e imparare a ideare interfacce e amplificatori per termocoppia.

La termocoppia è un componente semplice e ampiamente utilizzato per misurare la temperatura. Una termocoppia, mostrata in figura, è costituita da due fili di metalli diversi uniti tra loro ad un’estremità, chiamati giunzione di misurazione (o “calda”). L’altra estremità, in cui i fili non sono uniti, è collegata ai fili del amplificatore del segnale, tipicamente realizzati in rame. Questa giunzione tra i metalli della termocoppia e le tracce di rame è chiamata giunzione di riferimento (o “fredda”).

Poiché la termocoppia è un dispositivo differenziale piuttosto che un dispositivo di misurazione della temperatura assoluta, è necessario conoscere la temperatura di giunzione di riferimento per ottenere una lettura della temperatura assoluta accurata. Questo processo è noto come “compensazione della giunzione di riferimento” (o compensazione della giunzione fredda). Le termocoppie sono il metodo standard per la misurazione economica di una vasta gamma di temperature con ragionevole precisione.

Schema tipico di una termocoppia e delle sue due giunzioni.

Sul mercato sono disponibili molti diversi tipi di termocoppie (le più comuni delle quali sono le termocoppie K fornite insieme a molti tester digitali), a seconda della combinazione dei due conduttori diversi. Tuttavia, tutti i tipi operano in base alla stessa teoria fondamentale: l’effetto Seebeck. Ogni volta che un conduttore subisce un gradiente di temperatura da un’estremità all’altra del conduttore, il potenziale elettrico (noto anche come tensione di Seebeck, o coefficiente di Seebeck) si accumula.

Ciò accade perché gli elettroni liberi all’interno del conduttore si diffondono a velocità diverse, a seconda della temperatura. Gli elettroni con energia più alta che si trovano sul lato caldo (giunzione di misura) del conduttore si diffondono più rapidamente degli elettroni a energia più bassa che si trovano sul lato freddo (giunzione di riferimento). L’effetto netto è che si verifica un accumulo di carica a un’estremità del conduttore e si crea un potenziale elettrico dalle estremità calde e fredde.

Due esempi di termocoppie di tipo K per la misurazione di temperature in un ampio intervallo che va dalle temperature ambiente fino a 1.000 °C e talvolta anche oltre. Puoi trovarne diversi tipi in vendita su Internet, ad esempio qui.

Le termocoppie di tipo K sono di solito scelte per progetti di sensori di monitoraggio della temperatura basati su microcontrollori (ad es. Arduino) poiché sono poco costose, forniscono un intervallo di temperatura sufficiente e hanno una buona precisione e linearità. I due diversi elementi conduttori della termocoppia di tipo K sono la lega di nichel-cromo (lato positivo) e la lega di nichel-alluminio (lato negativo). Purtroppo, la tensione di uscita dalle termocoppie è assai bassa.

Si noti, infatti, che il coefficiente Seebeck di un tipico termistore di tipo K a temperatura ambiente (25 °C) è di 41μV / °C – ovvero a 25 °C si crea una tensione misurabile, di 25 x 41 = 1025 μV = 1,02 mV – e la sua gamma di temperature utilizzabili è compresa tra -270 °C e 1.372 °C. La funzione di trasferimento di una termocoppia di tipo K standard, come mostrato nella figura, dimostra che il coefficiente di Seebeck è approssimativamente costante a circa 41μV / °C da 0 °C a 1.000 °C.

La curva di risposta temperatura-tensione di una termocoppia K, determinata dal’effetto Seebeck, ha variazioni inferiori al 5% su un ampio intervallo di temperature.

Come misurare la temperatura con una termocoppia

Il front-end di un sensore di temperatura basato su termocoppia è, ovviamente, la termocoppia. Poiché la funzione di trasferimento di una termocoppia è in μV / ºC, è necessario un circuito di amplificazione del segnale per amplificare l’uscita della termocoppia a un valore di tensione adeguato per essere registrato e ad es. mostrato su un grafico. Poiché il segnale di tensione è molto piccolo, il circuito di amplificazione del segnale richiede in genere guadagni di circa 100 volte, o giù di lì.

Puoi certamente usare amplificatori operazionali o persino componenti discreti per costruire il condizionatore di segnale. La figura seguente mostra un circuito sperimentale di condizionamento del segnale della termocoppia basato su un amplificatore operazionale con un guadagno fino a 500 (a seconda del valore del potenziometro). La formula per calcolare il guadagno di questo circuito non invertente basato sull’operazionale LM358 è “Guadagno = 1 + P1 / R1”.

Un circuito per amplificare la tensione di uscita da una termocoppia.

Ad esempio, se R1 = 1 Kohm e P1 = 200 Kohm, ho un guadagno di 201. Ciò significa che un’uscita dalla termocoppia di 5 mV produrrà un’uscita appena sopra 1V. Un guadagno di 500 consentirebbe una migliore risoluzione della temperatura, ma un guadagno di 200–270 è adeguato per la maggior parte degli scopi. Sebbene la temperatura utilizzabile di una termocoppia di tipo K sia compresa tra –270 ° C e 1.372 ° C, esiste un fattore limitante, dovuto ai limiti di temperatura della guaina dei suoi fili.

Non è insolito avere una guaina sulla termocoppia che cade al di sotto del possibile campo di applicazione. Nella figura è mostrata in alto in questo articolo c’è una foto di una termocoppia di tipo K a basso costo. Nota la sua gamma di temperature di lavoro limitata: da –50 °C a 200 °C. Si noti inoltre che la maggior parte delle termocoppie di tipo K sono dotate di un cavo rosso e un cavo giallo. Il cavo rosso è normalmente il collegamento negativo e il cavo giallo è il collegamento positivo.

In alternativa, è possibile usare degli amplificatori di strumentazione in commercio, sotto forma di economici moduli per l’amplificazione differenziale di segnali in tensione estremamente deboli. Tali moduli hanno un guadagno regolabile tramite un trimmer che può arrivare fino a 1000 volte. Per una introduzione agli amplificatori di strumentazione, utili anche in molti altri contesti, rimandiamo al nostro articolo Come realizzare un amplificatore di strumentazione, che puoi trovare qui.

Alcuni esempi di amplificatori di strumentazione utilizzabili come amplificatori di termocoppia. Ne puoi trovare vari a buon prezzo qui.

Se hai solo bisogno di verificare se la temperatura sta aumentando o meno – ad esempio, per monitorare un piccolo forno – e non ti preoccupa conoscere la temperatura effettiva (cioè il suo valore assoluto, non relativo) il circuito di amplificatore del segnale basato su operazionali o quello di un amplificatore di strumentazione (come front-end) va bene, in una certa misura. Ma cosa fare, invece, se ci interessa conoscere anche il valore assoluto delle temperatura e non solo quello relativo?

In tal caso, la misurazione della temperatura di precisione richiede anche un opportuno circuito di correzione della temperatura di giunzione fredda. Poiché l’uscita della termocoppia è in realtà una misurazione della differenza di temperatura tra l’estremità calda e l’estremità fredda, la temperatura effettiva dell’estremità calda (giunzione di misurazione) deve essere corretta aggiungendo la temperatura dell’estremità fredda (giunzione di riferimento) alla lettura della termocoppia.

Una possibile sonda di temperatura (basata sul preciso sensore DS18B20), adatta per temperature ambiente (-55-125 °C), utilizzabile per la misurazione della temperatura al giunto freddo, che va aggiunta a quella fornita dalla termocoppia. La trovi qui.

Per questo, è possibile utilizzare un sensore di temperatura aggiuntivo (di qualsiasi altro tipo) all’estremità fredda. Successivamente, nel software, è sufficiente aggiungere la temperatura della termocoppia misurata dall’amplificatore (la differenza tra l’estremità calda e fredda) alla temperatura misurata dell’estremità fredda. Questo calcolo fornirà la temperatura assoluta dell’estremità calda. La figura seguente mostra una soluzione di base per un amplificatore per termocoppia a due canali.

Progetto di un amplificatore per termocoppia a due canali.

Il circuito utilizza metà di un doppio chip lineare operazionale ad alta precisione, l’LTC1051, per elaborare il segnale dalla termocoppia. L’uso di un amplificatore operazionale a basso offset ovvia al solito requisito dei circuiti di offset zero per questi tipi di amplificatori DC. Il potenziometro “scala intera” può essere usato per calibrare la termocoppia sull’uscita target di 10 mV / ºC dall’LTC1051. L’altro IC utilizzato in questo circuito, l’LT1025, è un ottimo compensatore di termocoppia della Linear Technology Corp (LTC).

Sensori di termocoppie diversi (non esistono solo quelle di tipo K) hanno naturalmente coefficienti di temperatura diversi, il che significa che genereranno quantità diverse di tensione per lo stesso cambiamento di temperatura, solitamente specificato in volt per grado di Celsius (V / ◦C). Conoscendo il coefficiente di temperatura di un sensore è quindi possibile usare anche questi e determinare correttamente la misura da essi misurata, cui va poi aggiunta quella del giunto freddo.

La curva di risposta temperatura-tensione per vari  tipi di termocoppie, e una tabella con la sensibilità dei vari tipi di termocoppie. 

Utilizzo come front-end di un modulo per termocoppia

Se uno ha tempo e risorse limitati, può acquistare un modulo per termocoppia MAX6675 compatibile con il microcontrollore Arduino e una termocoppia di tipo K (spesso la si ha già in quanto fornita con i multimetri anche low-cost). Poi puoi usare un semplice progetto Arduino per stampare la temperatura in gradi Celsius e Fahrenheit sul monitor seriale. I risultati si sono rivelati piacevoli. Se vuoi provare, basta seguire il cablaggio hardware mostrato e caricare lo sketch di esempio che trovi qui su Arduino.

Il modulo per termocoppia MAX6675 per far leggere una termocoppia K ad Arduino ed i suoi collegamenti con una scheda Arduino Uno. Lo puoi trovare qui.

La libreria “max6675.h” richiesta, che fornisce le funzioni di temperatura Celsius e Fahrenheit, è disponibile qui. Il cuore del modulo MAX6675 è il chip MAX6675 di Maxim, che ha un sensore di temperatura (diodo di compensazione della giunzione fredda) che rileva la temperatura dell’estremità fredda. Presumibilmente, è la stessa temperatura del circuito su cui è montato il chip. L’uso di questo metodo per misurare la temperatura di giunzione fredda è economico e abbastanza preciso.

Secondo la scheda tecnica, il MAX6675 esegue la compensazione della giunzione fredda e digitalizza il segnale da una termocoppia di tipo K. I dati vengono emessi in una risoluzione a 12 bit (maggiore quindi dei 10 bit di Arduino), compatibile SPI, in formato di sola lettura. Di seguito è mostrato lo schema circuitale di un modulo MAX6675. Questo circuito costituisce una replica esatta di ciò che viene offerto nel foglio dati (datasheet) del modulo in questione come disegno di esempio.

Il diagramma circuitale del modulo MAX6675.

Il MAX6675 ha anche una funzione di “rilevamento di termocoppia aperta”. La figura seguente mostra il protocollo dell’interfaccia seriale del MAX6675. Una lettura completa dell’interfaccia seriale richiede 16 cicli di clock. Il primo bit, D15, è un bit con segno fittizio ed è sempre zero. I bit D14 -D3 contengono la temperatura convertita nell’ordine da MSB a LSB. D1 è basso per fornire un ID dispositivo per il MAX6675 e il bit D0 è a tre stati. Il bit D2 è di norma basso e diventa alto quando l’ingresso della termocoppia è aperto.

Un’alternativa migliore al modulo MAX6675 è il modulo MAX31855, che ha un ADC a 14 bit (rispetto ai 12 bit del precedente modulo), il che si traduce in una risoluzione due volte maggiore. Anche questo modulo è facilmente interfacciabile ad Arduino. Inoltre è disponibile in diverse versioni, ciascuna ottimizzata per uno specifico tipo di termocoppia (K, J, N, T, S, R o E.). L’amplificatore di ingresso è un amplificatore a basso rumore progettato per abilitare il rilevamento di ingressi ad alta precisione

A causa dei piccoli livelli di segnale coinvolti, la misurazione della temperatura con una termocoppia è suscettibile al rumore accoppiato all’alimentazione. Gli effetti del rumore dell’alimentazione possono essere ridotti al minimo posizionando un condensatore di bypass ceramico 0,1 µF vicino al pin Vcc del dispositivo e a GND. Si consiglia vivamente di aggiungere un condensatore in ceramica da 10nF, posizionato (in parallelo) sui piedini della termocoppia, al fine di filtrare il rumore sui relativi fili.

Il modulo per termocoppia MAX31855, che ha una risoluzione maggiore del MAX6675, ed il suo collegamento a una scheda Arduino Uno. Lo puoi acquistare qui.