Merjenje temperature s pomočjo PT100 in Arduina: 16 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Cilj tega projekta je načrtovati, zgraditi in preizkusiti sistem zaznavanja temperature. Sistem je bil zasnovan za merjenje temperaturnega območja od 0 do 100 ° C. Za merjenje temperature je bil uporabljen PT100, odporni temperaturni detektor (RTD) pa spreminja svoj upor glede na temperaturo okolice.

1. korak: Naprava

1x PT100

1x Ogledna plošča

2x 2.15 kohmski upori

1x 100 ohmski upor

Žice

Napajanje

Diferencialni ojačevalnik

2. korak: O PT100

Kot del našega projekta imamo nalogo meriti temperaturo okolja od 0 stopinj do 100 stopinj Celzija. Za uporabo PT100 smo se odločili iz naslednjih razlogov:

PT100 je odporni detektor temperature (RTD), ki lahko meri temperature od -200 stopinj do največ 850 stopinj Celzija, vendar se običajno ne uporablja za merjenje temperatur nad 200 stopinj. Ta paleta ustreza našim zahtevam.

Ta senzor ustvarja upor za dano temperaturo okolice. Razmerje med temperaturo in uporom senzorja je linearno. To skupaj z minimalnimi nastavitvami, ki jih potrebuje senzor, olajša delo z oltarjem, če bodo v prihodnosti potrebni druga temperaturna območja.

PT100 ima tudi počasen odzivni čas, vendar je natančen. Te lastnosti nimajo velikega vpliva na naš cilj in zato niso bile tako vplivne pri odločanju, kateri temperaturni senzor uporabiti.

3. korak: Wheatstoneov most

Moč iz pšeničnega kamna se uporablja za merjenje neznanega električnega upora z uravnoteženjem dveh krakov mostnega vezja, od katerih en krak vključuje neznano komponento.

Glavna prednost vezja je njegova zmožnost doseganja območja izhodne napetosti, ki se začne pri 0V.

Lahko bi uporabili preprost delilnik napetosti, ki pa nam ne bi omogočil, da se znebimo kakršnega koli odstopanja, zaradi česar bi bilo ojačanje izhodne napetosti manj učinkovito.

Odpornost v PT100 se giblje od 100 do 138,5055 pri temperaturi od 0 do 100 stopinj Celzija.

Formula za most iz pšeničnega kamna je spodaj, lahko ga uporabite za spreminjanje velikosti pšeničnega mostu za različne razpone, pridobljene iz priložene tabele pdf.

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

V našem scenariju:

R2 bo naš odpor PT100.

R1 bo enak R3.

R4 mora biti enak 100 ohmov, da lahko odda 0V pri 0 stopinjah Celzija.

Če nastavite Vout na 0V in Vin na 5V, lahko z uporom pridobite vrednosti za R1 in R2 = 2,2 k ohmov.

Nato lahko zmanjšamo 138,5055 ohmov za upor senzorja, da dobimo izhodno napetost pri 100 stopinjah Celzija = 80 mV

4. korak: Simulacija vezja

Orodje za simulacijo vezij, OrCAD Capture, je bilo uporabljeno za simulacijo našega vezja in iskanje pričakovanih napetostnih izhodov pri različnih temperaturah. To bi kasneje uporabili za primerjavo, kako natančen je bil naš sistem.

Vezje je bilo simulirano z izvedbo prehodne časovne analize s paramatskim prelivom, ki je spreminjal upor pt100 od 100 ohmov do 138,5055 ohmov v korakih po 3,85055 ohmov.

5. korak: simulirani rezultati

Zgornji rezultati prikazujejo linearno razmerje izhodne napetosti vezja in vrednosti upora.

Rezultati so bili nato vneseni v excel in narisani. Excel ponuja linearno formulo, povezano s temi vrednostmi. Potrditev linearnosti in območja izhodne napetosti senzorja.

6. korak: Ustvarjanje vezja

Vezje je bilo sestavljeno z uporabo 2,2 k ohmskih uporov in upora 100 ohmov.

Upori imajo toleranco +-5%. Zaradi različnih vrednosti upora most ni uravnotežen pri 0 stopinjah.

100 -ohmskemu uporu so bili zaporedno dodani vzporedni upori, ki so dodali nazivne količine upora, da bi bil R4 čim bližje 100 ohmom.

To je dalo izhodno napetost 0,00021V, kar je zelo blizu 0V.

R1 je 2, 1638 ohmov, R3 pa 2, 1572 ohmov. Lahko bi priključili več uporov, da bi bili R1 in R3 popolnoma enaki, kar bi dalo popolnoma uravnotežen most.

možne napake:

spremenljiva uporna škatla, ki se uporablja za preskušanje različnih temperatur, bi lahko bila netočna

7. korak: Izmerjeni rezultati

Izmerjene rezultate lahko vidite spodaj.

Spremembo temperature smo izmerili s spremenljivo uporno omarico, da smo nastavili upor R2 na različne upora, ki jih najdemo v podatkovnem listu PT100.

Tu najdena formula bo uporabljena kot del kode za določanje izhodne temperature.

8. korak: Za veliko večja temperaturna območja

Če je treba zabeležiti zelo visoke temperature, bi lahko v vezje vnesli termoelement tipa K. Termoelement tipa K lahko meri temperaturno območje od -270 do 1370 stopinj Celzija.

Termoelementi delujejo na osnovi termoelektričnega učinka. Razlika v temperaturi povzroči razliko potencialov (napetost).

Ker termoelementi delujejo na podlagi razlike dveh temperatur, je treba poznati temperaturo na referenčnem stičišču.

Obstajata dve metodi merjenja s termoelementi, ki bi jih lahko uporabili:

Tipalo PT100 lahko postavite na referenčno križišče in izmerite referenčno napetost

Referenčno stičišče termoelementa bi lahko postavili v ledeno kopel, ki bi bila konstantna 0 stopinj Celzija, vendar bi bila za ta projekt nepraktična

9. korak: Pregled: stopnja diferencialnega ojačevalnika

Diferencialni ojačevalnik je sestavni del konstrukcije. Diferencialni ojačevalnik združuje neinvertirajoči in invertirni ojačevalnik v eno vezje. Seveda, kot pri vsaki gradnji, prihaja z lastnimi omejitvami, vendar, kot bo prikazano v naslednjih nekaj korakih, zagotovo pomaga pri pridobivanju pravilne izhodne napetosti 5V.

10. korak: O diferencialnem ojačevalniku

Diferencialni ojačevalnik je operacijski ojačevalnik. Pri tem načrtovanju vezja ima ključno vlogo pri povečanju izhodne napetosti iz Wheatstonovega mostu v mV do V, nato pa ga Arduino prebere kot vhod napetosti. Ta ojačevalnik sprejema dva napetostna vhoda in poveča razliko med obema signaloma. To se imenuje vhod diferencialne napetosti. Ojačevalnik nato ojača vhod diferenčne napetosti in ga lahko opazujemo na izhodu ojačevalnika. Vhodi ojačevalnika so pridobljeni iz delilnikov napetosti Wheatstonovega mostu v prejšnjem razdelku.

11. korak: Prednosti in omejitve

Diferencialni ojačevalnik ima svoje prednosti in slabosti. Glavna prednost uporabe takšnega ojačevalnika je enostavnost gradnje. Zaradi te enostavne konstrukcije olajša in učinkoviteje odpravlja težave pri vezju.

Slabosti uporabe takšnega vezja so v tem, da je treba za prilagoditev dobička ojačevalnika uporovne uporovne upore (upor z uporovnim uporom in upor, povezan z maso) izklopiti, kar je lahko dolgotrajno. Drugič, op-amp ima relativno nizek CMRR (skupni način zavrnitve), kar ni idealno za ublažitev vpliva vhodne offset napetosti. Tako je v konfiguraciji, kot je naša, visoka CMRR bistvena za ublažitev učinkov offset napetosti.

12. korak: Izbira želenega izhoda

Op-amp ima 4 upore, povezane z vezjem. 2 ujemajoča se upora na napetostnih vhodih, drugi priključen na ozemljitev in upor za povratne informacije. Ta dva upora sta vhodna impedanca op-amp-a. Običajno bi moral zadostovati upor v razponu 10-100 kilohmov, ko pa so ti upori nastavljeni, se lahko dobiček določi tako, da je želeni izhodni dobiček enak razmerju med uporovnim uporom in vhodnim uporom na enem od vhodov (Rf/Rin).

Upor, povezan z ozemljitvijo, in upor za povratne informacije se ujemata. To so upori, ki določajo dobiček. Ker ima visoko vhodno impedanco, zmanjšuje učinke obremenitve na tokokrog, tj. Preprečuje, da bi velike količine toka prehajale skozi napravo, kar ima lahko uničujoče posledice, če jih nenadzorovano.

Korak: ARDUINO MIKROKONTROLER

Arduino je programabilni mikrokrmilnik z digitalnimi in analognimi V/I vrati. Mikrokrmilnik je bil programiran za branje napetosti iz ojačevalnika preko analognega vhodnega zatiča. Najprej bo Arduino prebral napetost iz izhodnega območja vezja 0-5 V in jo pretvoril v 0-1023 DU in natisnil vrednost. Nato se analogna vrednost pomnoži s 5 in deli z 1023, da dobimo vrednost napetosti. Ta vrednost se pomnoži z 20, da dobimo natančno lestvico za temperaturno območje od 0 do 100 C.

Da bi dobili vrednosti odmika in občutljivosti, so bili odčitki iz vhodnega zatiča na A0 vzeti z različnimi vrednostmi za PT100 in graf je bil narisan, da bi dobili linearno enačbo.

Koda, ki je bila uporabljena:

void setup () {Serial.begin (9600); // vzpostavimo serijsko povezavo z računalnikom

pinMode (A0, INPUT); // izhod ojačevalnika bo priključen na ta pin

}

void loop ()

{float offset = 6.4762;

občutljivost na plavajoče = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // preberite vnos na A0

Serial.print ("Analogna vrednost:");

Serial.println (AnalogValue); // natisnemo vhodno vrednost

zamuda (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul za 5, da dobimo razpon 0-100 stopinj

Serial.print ("Digitalna vrednost:");

Serial.println (DigitalValue); // vrednost analogne napetosti

float temp = (AnalogValue - offset)/občutljivost;

Serial.print ("Temperaturna vrednost:");

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

zamuda (5000);

}

14. korak: Odpravljanje težav

Napajanje 15V do op-amp in 5V do mosta iz pšeničnega kamna in arduina morata imeti skupne točke. (vse vrednosti 0v je treba povezati skupaj.)

Voltmeter lahko uporabite za zagotovitev, da napetost pade po vsakem uporu, da zagotovite, da ni kratkega stika.

Če so rezultati različni in nedosledni, lahko uporabljene žice preizkusimo z voltmetrom za merjenje upora žice, če na uporu piše "brez povezave", to pomeni, da je neskončen upor in da ima žica odprt krog.

Žice morajo biti manjše od 10 ohmov.

Razlika napetosti na mostu iz pšeničnega kamna mora biti 0V pri najmanjšem območju temperaturnega območja. Če most ni uravnotežen, je to lahko zato, ker:

upori imajo toleranco, kar pomeni, da bi lahko imeli napako, ki bi lahko povzročila neuravnoteženost mostu iz pšeničnega kamna, upori se lahko preverijo z voltmetrom, če ga odstranimo iz vezja. manjše upore bi lahko dodali zaporedno ali vzporedno, da bi uravnotežili most.

Rseries = r1+r2

1/Rparallel = 1/r1 + 1/r2

Korak 15: Spreminjanje velikosti

Formulo in metodo za spreminjanje velikosti sistema za drugačno temperaturo najdete v odseku mosta iz pšeničnega kamna. Ko so te vrednosti ugotovljene in vezje nastavljeno:

PT100 je treba zamenjati z oporno škatlo. Vrednosti upora je treba prilagoditi iz novega temperaturnega območja z ustreznimi vrednostmi upora, pridobljenimi iz priloženega pdf -ja.

Izmerjeno napetost in upora je treba narisati v Excelu s temperaturo (upor) na osi x in napetostjo na y.

Iz te risbe bo podana formula, odmik bo dodana konstanta, občutljivost pa število pomnoženo s x.

Te vrednosti je treba spremeniti v kodi in sistem ste uspešno spremenili.

Korak 16: Nastavitev Arduina

priključite izhod ojačevalnika vezja na vhod A0 na Arduinu

Arduino Nano povežite prek vrat USB na računalniku.

kodo prilepite v delovni prostor za skice Arduino.

Sestavite kodo.

Izberite Orodja> Plošča> Izberite Arduino Nano.

Izberite Orodja> Vrata> Izberite vrata COM.

Naložite kodo v Arduino.

Izhodna digitalna vrednost je izhodna napetost op-amp (mora biti 0-5V)

Vrednost temperature je temperatura sistema, ki se bere v Celzijih.