Acondicionamiento de Termopar Con Opam

ACONDICIONAMIENTO DE UN TERMOPAR CON AMPLIFICADOR OPERACIONAL Cuando hay que hacer medidas de valores altos de temperatura, tales como los que existen en hornos, llamas de calentadores, estufas incandescentes y otras, se necesitan transductores que cumplan ciertos requisitos dentro del rango de temperaturas que se quiere cubrir, requisitos tales como sensibilidad y linealidad, y que al mismo tiempo sean lo suficientemente robustos como para no deteriorarse fácilmente con el uso repetido en las duras condiciones de medida en las que se utilizan. La unión de dos metales diferentes, formando lo que se conoce como termopar, cumple en ciertos casos con las condiciones mencionadas ya que proporciona una tensión eléctrica entre los extremos de los hilos metálicos que lo forman, tensión que es linealmente dependiente de la temperatura a la que se encuentra la unión de los mismos, y tiene a la vez gran resistencia mecánica y química a temperaturas relativamente altas. En realidad la tensión que se obtiene es proporcional a la diferencia de temperaturas que hay entre el extremo libre de los hilos, conocido como unión fria, fria, y el que está formando la unión, conocido como unión caliente, caliente, y además dicha tensión sólo suele ser lineal con la temperatura en ciertos rangos limitados de valores de la misma, dependiendo de los metales que se utilicen para formar el termopar. La magnitud de la tensión obtenida depende también de los metales utilizados para formar el termopar pero suelen ser tensiones muy pequeñas, del orden de las décimas de milivoltio  por grado de temperatura, y por ello ello se necesitará amplificarlas de forma que se pueda obtener una tensión estable y fácil de leer en un dispositivo de presentación, sea éste analógico o digital. El esquema de un circuito electrónico e lectrónico diseñado para funcionar con un termopar, es e l que se  presenta en la figura siguiente y sus características y principio de funcionamiento se describen a continuación.

El termopar que se usa en este caso es uno de hierro-constantán(aleación Cu-Ni), que puede cubrir un rango de temperatura de entre 40º y 700ºC y que produce una tensión en sus extremos libres de 0.05 mv/ º aproximadamente, pero el circuito podría utilizarse con cualquier otro tipo de termopar, p.ej. de cobre-niquel, sin más que introducir la correspondiente modificación de los valores seleccionados en las resistencias variables. Este tipo de termopar también puede usarse para temperaturas menores y mayores que las indicadas, perdiendo algo de linealidad, y teniendo en cuenta que además sufrirá un mayor deterioro por efecto de la oxidación del hierro si se usa para temperaturas mayores en atmósferas con alto contenido en oxígeno, como es el caso del aire. La tensión generada en el termopar se lleva por medio de los hilos que lo forman hasta una clema o regleta de sujeción desde la que se toman las entradas al circuito amplificador. Como en estos hilos se pueden recoger tensiones alternas inducidas de los campos electromagnéticos presentes en el medio, se hace necesaria la presencia de el condensador de 1nf a la entrada del circuito para filtrarlas y evitar que resulten también amplificadas  junto con la pequeña tensión continua generada en el termopar por efecto de la temperatura. Lo que sigue del circuito es un amplificador de instrumentación realizado con tres de los cuatro amplificadores operacionales de entrada FET contenidos en el circuito integrado LF347, al que se le dota de una ganancia variable mayor de 40 por medio de la resistencia variable de 2.2K, con lo que obtendremos una tensión a su salida de al menos 2mv por grado de variación de la temperatura. En esta salida tenemos que compensar la parte de variación de tensión debida a la unión fria del termopar, para que las medidas que se hagan sean independientes de la temperatura a la que ésta se encuentre y ello se consigue por medio del cuarto amplificador operacional del LF347 a cuya entrada inversora se lleva la salida del amplificador de instrumentación y a cuya entrada no-inversora se hace llegar la tensión obtenida del divisor formado por dos diodos de Silicio, del tipo 1N4148 o similar, en serie con una resistencia variable de 10k conectados entre las tensiones positiva y negativa de la fuente de alimentación de 15v y 15v respectivamente y que deberán ir montados en buen contacto térmico con los extremos del termopar fijados en la clema o regleta. Así, si por ejemplo la temperatura de la unión fría aumenta en 3º, la tensión obtenida del termopar disminuiría en 0.16 mv aproximadamente y a la salida del amplificador obtendríamos una tensión negativa inferior a la correcta en al menos 6 o 7 mv, tensión que se lleva a la entrada inversora del amplificador de salida, pero como a la entrada noinversora se hace llegar una tensión que se hace más positiva al aumentar la temperatura de los diodos, que están en contacto con la unión fría, el resultado puede llegar a ser una tensión de salida independiente de dichos cambios de temperatura. Con esta disposición podemos ajustar el cero de temperatura por medio de dicha resistencia de 10k, y con la resistencia variable de 50k que forma la realimentación del amplificador de salida podemos ajustar la tensión de salida para que la lectura de dicha tensión pueda realizarse fácilmente en un galvanómetro o milivoltímetro con la escala calibrada en temperatura. El proceso para calibrar el termómetro consistirá en ajustar primero de forma aproximada el cero de temperatura con alguna referencia adecuada, como hielo fundente o similar, ajustar después la ganancia del amplificador de instrumentación de forma que no se produzcan

variaciones en la lectura de temperatura al producir variaciones de temperatura en los hilos sujetos en la clema y los diodos, aquí hay que tener en cuenta que la inercia térmica del conjunto hilos-clema y de los diodos puede no ser exactamente la misma y por tanto las variaciones de temperatura que se produzcan deben ser estables durante un intervalo de tiempo suficiente para asegurar que se haya alcanzado el equilibrio térmico en ambos. Por último se ajustará la ganancia del amplificador de salida para una lectura adecuada a la escala del dispositivo de salida que utilicemos, tomando para ello otro valor de temperatura de referencia que puede ser agua o aceite hirviendo o cualquier otro cuyo valor conozcamos con seguridad, esto alterará ligeramente los ajustes anteriores por lo que será necesario realizar un nuevo ajuste más fino, repitiendo los pasos anteriores, con lo que el termómetro quedará listo para su uso.