Mjerenje temperature pomoću PT100 i Arduina: 16 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

Cilj ovog projekta je dizajnirati, izgraditi i testirati sistem osjetljivog na temperaturu. Sistem je dizajniran za mjerenje temperaturnog raspona od 0 do 100 ° C. Za mjerenje temperature korišten je PT100, a to je otpornički detektor temperature (RTD) koji mijenja svoj otpor ovisno o temperaturi okoline.

Korak 1: Uređaj

1x PT100

1x Oglasna ploča

2x 2.15 komskih otpornika

1x 100 ohmski otpornik

Žice

Napajanje strujom

Diferencijalno pojačalo

Korak 2: O PT100

Kao dio našeg projekta, imamo zadatak mjerenje temperature okoline u rasponu od 0 stepeni do 100 stepeni Celzijusa. Odlučili smo se za upotrebu PT100 iz sljedećih razloga:

PT100 je otpornički detektor temperature (RTD), koji može mjeriti temperature od -200 stepeni do maksimalno 850 stepeni Celzijusa, ali se obično ne koristi za mjerenje temperatura preko 200 stepeni. Ovaj asortiman je u skladu s našim zahtjevima.

Ovaj senzor proizvodi otpor za datu temperaturu okoline. Odnos između temperature i otpora senzora je linearan. Ovo, uz minimalno postavljanje koje senzor zahtijeva, olakšava rad i oltar ako su u budućnosti potrebni drugi rasponi temperatura.

PT100 takođe ima sporo vreme odziva, ali je tačan. Ove karakteristike nemaju veliki utjecaj na naš cilj pa stoga nisu bile toliko utjecajne pri odlučivanju koji temperaturni senzor koristiti.

Korak 3: Wheatstoneov most

Most od pšeničnog kamena koristi se za mjerenje nepoznatog električnog otpora uravnoteženjem dva kraka mosta, od kojih jedan krak uključuje nepoznatu komponentu.

Primarna prednost kola je njegova sposobnost da dobije raspon izlaznog napona koji počinje na 0V.

Mogao bi se koristiti jednostavan razdjelnik napona, ali nam ne dopušta da se riješimo bilo kakvog prisutnog pomaka, što bi pojačavanje izlaznog napona učinilo manje efikasnim.

Otpor u PT100 varira od 100 do 138.5055 za temperature od 0 do 100 stepeni Celzijusa.

Formula za most od pšeničnog kamena nalazi se ispod, može se koristiti za promjenu veličine mosta od pšeničnog kamena za različite raspone dobivene iz priložene PDF tablice.

Vout = Vin (R2/(R1+R2) - R4/(R3+R4))

U našem scenariju:

R2 će biti naš PT100 otpor.

R1 će biti jednako R3.

R4 mora biti jednak 100 ohma da bi izlaz 0V na 0 stepeni Celzijusa.

Postavljanje Vout na 0V i Vin na 5V omogućuje nam da otpor dobijemo vrijednosti za R1 i R2 = 2,2 k ohma.

Zatim možemo ugraditi 138,5055 ohma za otpor senzora kako bismo dobili naš izlazni napon na 100 stepeni Celzijusa = 80 mV

Korak 4: Simulacija kruga

Alat za simulaciju kola, OrCAD Capture korišten je za simulaciju našeg kruga i pronalaženje očekivanih izlaza napona na različitim temperaturama. Ovo će se kasnije koristiti za usporedbu koliko je naš sistem bio tačan.

Krug je simuliran izvršavanjem analize prolaznog vremena sa paramatskim zamahom koji je mijenjao otpor pt100 od 100 ohma do 138,5055 ohma u koracima od 3,85055 ohma.

Korak 5: Simulirani rezultati

Gore navedeni rezultati pokazuju linearni odnos izlaznog napona kola i vrijednosti otpora.

Rezultati su zatim uneseni u Excel i iscrtani. Excel pruža linearnu formulu povezanu s tim vrijednostima. Potvrđivanje linearnosti i raspona izlaznog napona senzora.

Korak 6: Kreiranje kruga

Krug je sastavljen pomoću dva otpornika od 2.2k ohma i otpornika od 100 ohma.

Otpornici imaju toleranciju od +-5%. Različite vrijednosti otpora uzrokuju neuravnoteženost mosta na 0 stupnjeva.

Paralelni otpornici dodani su u seriju otporniku od 100 ohma kako bi se dodale nominalne količine otpora kako bi R4 bio što bliže 100 ohma.

To je proizvelo izlazni napon od 0,00021V koji je vrlo blizu 0V.

R1 je 2, 1638 ohma, a R3 je 2, 1572 ohma. Moglo bi se spojiti više otpornika kako bi R1 i R3 bili potpuno jednaki, dajući savršeno uravnotežen most.

moguće greške:

kutija s promjenjivim otpornikom koja se koristi za ispitivanje različitih temperatura mogla je biti netočna

Korak 7: Izmjereni rezultati

Izmjereni rezultati mogu se vidjeti u nastavku.

Promjena temperature mjerena je pomoću kutije s promjenjivim otpornikom, kako bi se otpor R2 postavio na različite otpore koji se mogu pronaći u podatkovnom listu PT100.

Formula koja se ovdje nalazi će se koristiti kao dio koda za određivanje izlazne temperature.

Korak 8: Za znatno veće temperaturne opsege

Termoelement tipa K mogao bi se unijeti u krug ako je potrebno zabilježiti vrlo visoke temperature. Termopar tipa K može mjeriti temperaturni raspon od -270 do 1370 stepeni Celzijusa.

Termoparovi rade na temelju termoelektričnog učinka. Razlika u temperaturi proizvodi razliku potencijala (napon).

Kako termoparovi rade na osnovu razlike dviju temperatura, temperatura na referentnom spoju mora biti poznata.

Postoje dvije metode mjerenja pomoću termoparova koje bismo mogli koristiti:

Senzor PT100 mogao bi se postaviti na referentni spoj i mjeriti referentni napon

Referentni spoj termoelementa mogao bi se postaviti u ledeno kupatilo koje bi imalo konstantnih 0 stepeni Celzijusa, ali bi bilo nepraktično za ovaj projekat

Korak 9: Pregled: Faza diferencijalnog pojačala

Diferencijalno pojačalo sastavni je dio konstrukcije. Diferencijalno pojačalo kombinira ono što je u osnovi neinvertirajuće i invertirajuće pojačalo u jedno kolo. Naravno, kao i kod bilo koje gradnje, ona ima svoja ograničenja, ali kako će biti prikazano u sljedećih nekoliko koraka, definitivno pomaže u postizanju ispravnog izlaza od 5V.

Korak 10: O diferencijalnom pojačalu

Diferencijalno pojačalo je operativno pojačalo. On igra ključnu ulogu u ovom dizajnu kruga pojačavanja izlaznog napona iz Wheatstonovog mosta u mV do V, a zatim ga Arduino čita kao ulaz napona. Ovo pojačalo uzima dva naponska ulaza i pojačava razliku između dva signala. To se naziva ulaz diferencijalnog napona. Pojačalo zatim pojačava ulaz diferencijalnog napona i može se promatrati na izlazu pojačala. Ulazi pojačala dobivaju se iz razdjelnika napona Wheatstonovog mosta u prethodnom odjeljku.

Korak 11: Prednosti i ograničenja

Diferencijalno pojačalo dolazi sa vlastitim udjelom prednosti i nedostataka. Glavna prednost korištenja takvog pojačala je jednostavnost konstrukcije. Kao rezultat ove jednostavne konstrukcije, olakšava i čini učinkovitijim rješavanje problema na koje je naišlo kolo.

Nedostaci korištenja takvog kola su u tome što se za podešavanje pojačanja pojačala otpornici za određivanje pojačanja (otpornik povratne sprege i otpornik spojen na masu) moraju isključiti, što može potrajati. Drugo, op-amp ima relativno nizak CMRR (omjer odbijanja u zajedničkom modu) koji nije idealan za ublažavanje utjecaja ulaznog offset napona. Stoga je u konfiguraciji poput naše visoka CMRR ključna za ublažavanje učinaka offset napona.

Korak 12: Odabir željenog izlaznog pojačanja

Op-pojačalo ima 4 otpornika spojena na kolo. 2 usklađena otpornika na ulazima napona, drugi spojen na masu kao i otpornik povratne sprege. Ova dva otpornika služe kao ulazna impedansa op-pojačala. Obično bi trebao biti dovoljan otpornik u rasponu od 10-100 kilohma, međutim nakon što su ti otpornici postavljeni, pojačanje se može odrediti dopuštajući da željeno izlazno pojačanje bude jednako omjeru povratnog otpornika i ulaznog otpornika na jednom od ulaza (Rf/Rin).

Otpornik spojen na masu, kao i povratni otpornik, su usklađeni. Ovo su otpornici za određivanje pojačanja. Imajući visoku ulaznu impedanciju, minimizira učinke opterećenja na krug, odnosno sprječava prodor velikih količina struje kroz uređaj, što može imati razorne učinke ako se nekontrolirano ne kontrolira.

Korak 13: ARDUINO MIKROKONTROLER

Arduino je programabilni mikrokontroler koji sadrži digitalne i analogne I/O portove. Mikrokontroler je programiran za očitavanje napona iz pojačala putem analognog ulaznog pina. Prvo, Arduino će očitati napon iz izlaznog raspona kruga 0-5 V i pretvoriti ga u 0-1023 DU i ispisat će vrijednost. Zatim će se analogna vrijednost pomnožiti s 5 i podijeliti s 1023 kako bi se dobila vrijednost napona. Ova vrijednost će se pomnožiti s 20 kako bi se dobila tačna skala za temperaturni raspon od 0-100 C.

Da bi se dobile vrijednosti pomaka i osjetljivosti, očitanja sa ulaznog pina na A0 uzeta su s različitim vrijednostima za PT100, a grafikon je ucrtan kako bi se dobila linearna jednadžba.

Kôd koji je korišćen:

void setup () {Serial.begin (9600); // započinjemo serijsku vezu sa računarom

pinMode (A0, INPUT); // izlaz iz pojačala će biti spojen na ovaj pin

}

void loop ()

{float offset = 6.4762;

osjetljivost na plovak = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Očitajte ulaz na A0

Serial.print ("Analogna vrijednost:");

Serial.println (AnalogValue); // ispisuje ulaznu vrijednost

kašnjenje (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul za 5 za raspon 0-100 stupnjeva

Serial.print ("Digitalna vrijednost:");

Serial.println (DigitalValue); // vrijednost analognog napona

float temp = (AnalogValue - offset)/osjetljivost;

Serial.print ("Vrijednost temperature:");

Serial.println (temp); // temp. štampanja

kašnjenje (5000);

}

Korak 14: Rješavanje problema

Napajanje od 15V za op-pojačalo i 5V za pšenicni most i arduino moraju imati zajedničko uzemljenje. (sve vrijednosti 0v moraju biti povezane zajedno.)

Voltmetar se može koristiti kako bi se osiguralo da napon padne nakon svakog otpornika kako bi se osiguralo da nema kratkih spojeva.

Ako su rezultati različiti i nedosljedni, upotrijebljene žice mogu se ispitati pomoću voltmetra za mjerenje otpora žice, ako otpor kaže "izvan mreže", to znači da postoji beskonačan otpor i da žica ima prekinuti krug.

Žice trebaju biti manje od 10 ohma.

Razlika napona na mostu od pšeničnog kamena trebala bi biti 0V u minimalnom rasponu temperaturnog raspona, ako most nije uravnotežen, to bi moglo biti zbog:

otpornici imaju toleranciju, što znači da mogu imati grešku koja može uzrokovati neuravnoteženost mosta od pšeničnog kamena, otpori se mogu provjeriti voltmetrom ako se ukloni iz kola. manji otpornici se mogu dodati serijski ili paralelno za uravnoteženje mosta.

Rserije = r1+r2

1/R paralelno = 1/r1 + 1/r2

Korak 15: Promjena veličine

Formula i metoda za promjenu veličine sistema za različitu temperaturu mogu se pronaći u odjeljku mosta od pšeničnog kamena. Nakon što se ove vrijednosti pronađu i krug se postavi:

PT100 treba zamijeniti kutijom otpornika. Vrijednosti otpora treba prilagoditi iz novog temperaturnog raspona koristeći odgovarajuće vrijednosti otpora dobivene iz priloženog pdf -a.

Izmjereni napon i otpori trebaju biti iscrtani u excelu s temperaturom (otporom) na osi x i naponom na y.

Formula će biti data iz ove crte, pomak će biti konstanta koja se dodaje, a osjetljivost će biti broj pomnožen sa x.

Ove vrijednosti treba promijeniti u kodu i uspješno ste promijenili veličinu sistema.

Korak 16: Postavljanje Arduina

spojite izlaz pojačala kruga na A0 ulazni pin Arduina

Povežite Arduino Nano putem USB priključka na računaru.

zalijepite kôd u Arduino skicu radnog prostora.

Sastavite kôd.

Odaberite Alati> Ploča> Odaberite Arduino Nano.

Odaberite Alati> Port> Odaberi COM port.

Otpremite kôd na Arduino.

Izlazna digitalna vrijednost je naponski izlaz op-pojačala (trebao bi biti 0-5V)

Vrijednost temperature je očitana temperatura sistema u Celzijusima.