INSTRUMENTAÇÃO II Medição de Temperatura com

INSTRUMENTAÇÃO II
Engenharia de Automação, Controlo e Instrumentação
2006/07
Trabalho de Laboratório nº 3
Medição de Temperatura com Termopares do Tipo K
Associados ao C.I. AD595
Realizado por Rui Vilela Dionísio
17 de Março de 1998
Revisto por Paulo Alvito
15 de Setembro de 2005
1. Objectivos
Neste trabalho de laboratório pretende-se estudar o funcionamento de um termopar do tipo K
(Cromel-Alumel) como sensor de temperatura, associado ao Circuito Integrado (CI) AD595,
bem como observar a sua resposta dinâmica quando aquecido e arrefecido. Por último,
constrói-se um circuito de alarme recorrendo aos dispositivos anteriores.
2. Introdução
O C.I. AD595 é um amplificador de instrumentação especialmente concebido para ser
utilizado, em conjunção com termopares, na medição de temperaturas. Este CI permite
efectuar a compensação de junção fria quando utilizado com termopares do tipo K (CromelAlumel), para além de amplificar o sinal de tensão proveniente do termopar.
Consoante as ligações efectuadas, este CI pode funcionar de uma das seguintes três formas:
como amplificador; como controlador de temperatura com referência fixa ou exteriormente
variável; ou como sensor de temperatura. O CI AD595 possui ainda um sistema de alarme em
caso de avaria do termopar.
Na Figura 1 representa-se o CI AD595.
Fig. 1 - Diagrama de blocos funcional do CI AD595
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Quando utilizado como amplificador de sinal, a tensão de saída do AD595 (Vo – pino 9) é
calculada a partir da expressão:
Vo = (Tensão do termopar [mV] + 11µV) × 247.3 [mV]
(1)
O AD595 é bastante flexível no que diz respeito às tensões de alimentação (V+ − pino 11; V− pino7). Assim, recorrendo a uma fonte unipolar de +5 V (ver Figura 2), é possível medir
temperaturas até 200 ºC.
Fig. 2 - O CI AD595 com alimentação unipolar de +5 V.
Se se considerarem fontes de alimentação com tensões superiores, a gama de funcionamento
do AD595 é alargada, introduzindo, no entanto, algum erro na medição (e.g. +15 V permite
medir temperaturas superiores a 750 ºC). Esse erro é resultante do auto-aquecimento do
AD595.
Se considerarmos tensões de alimentação bipolares (e.g. ±15 V), o AD595 permite a leitura de
temperaturas negativas (ver Figura 3).
Fig. 3 - O CI AD595 com alimentação bipolar de ±15 V.
3. Material
1 × resistência de 270 Ω
1 × fonte de alimentação ±15 V
1 × osciloscópio
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1 × voltímetro
1 × termómetro
1 × cronómetro
1 × isqueiro
1 × lâmpada de incandescência de 60 W
1 × C.I. AD595
1 × termopar tipo K
1 × LED
4. Procedimento Experimental
4.1 Montagem de um sensor de temperatura com termopar. Monte o circuito representado na
Figura 4 e considere a tabela internacional de referência para os termopares tipo K (níquelcrómio/níquel-alumínio) apresentada em anexo e baseada na ITS90 (International
Temperature Scale of 1990), bem como os dados de catálogo sobre o CI AD595, também em
anexo.
+15V
Fig. 4 - O CI AD595 como sensor de temperatura com alimentação unipolar de +15 V.
a) Curte circuite os terminais do termopar. Meça a tensão de saída Vo (pino 9).
b) Qual a temperatura a que corresponde o valor de Vo? Compare com o valor indicado pelo
termómetro.
c) Qual é a tensão produzida na junção fria (ver fórmula 1)? Por consulta da tabela do
termopar em anexo indique a temperatura ambiente. Compare com o valor de b).
Nota: durante toda a execução deste trabalho, e sempre que necessário, obtenha a
temperatura por interpolação dos valores da tabela.
d) Meça com o termopar a temperatura do globo da lâmpada de incandescência. Qual seria o
erro cometido se o AD595 não compensasse a junção fria? Esse erro é significativo?
Justifique.
4.2 Sistema de monitorização de temperatura com um osciloscópio. Pretende-se utilizar a
montagem anterior para medir a variação da temperatura da chama de um isqueiro observando
a evolução da temperatura do termopar desde que a chama se acende até quando se apaga
(com o termopar exposto ao ar, à temperatura ambiente). Utilize o osciloscópio para medir a
tensão de saída Vo (pino 9).
a) Coloque o osciloscópio numa escala adequada à medição (por exemplo: 2V/div e 5s/div).
Inicie as medições da tensão de saída imediatamente antes de acender o isqueiro. Após ter
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acendido o isqueiro meça até a temperatura do termopar estabilizar. Proceda de forma
idêntica depois de apagar o isqueiro. Imprima o resultado.
b) A partir do gráfico obtido, determine a temperatura atingida pelo termopar.
c) Determine a constante de tempo da resposta do termopar.
4.3 O CI AD595 também pode ser utilizado como um circuito de alarme. O transístor da
Figura 5 (pinos 12 e 13) trabalha em modo de alta dissipação, provocando um rápido aumento
de temperatura do circuito relativamente à temperatura ambiente. Sempre que o alarme é
activado, altera-se a compensação da junção fria
Fig. 5 - O CI AD595 como circuito de alarme com alimentação unipolar de +15 V.
a) Monte o circuito da figura 5. Repita a alínea a) do ponto 4.1. Compare os valores obtidos
e tire conclusões.
b) Interrompa um dos terminais do termopar e verifique o estado do LED
(“aceso/apagado”). Mantenha esta situação durante 5 minutos.
c) Reponha a situação inicial. Curte circuite os terminais do termopar e meça a tensão de
saída Vo (pino 9). Que conclusões tira relativamente à compensação da junção fria?
Explique o sucedido com algum detalhe.
d) Para uma temperatura de 230 oC, e relativamente à situação anterior, qual seria a tensão
produzida na junção fria do termopar? Justifique.
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