Temperatūras mērīšana, izmantojot PT100 un Arduino: 16 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:54

Šī projekta mērķis ir izstrādāt, izveidot un pārbaudīt temperatūras sensoru sistēmu. Sistēma tika izstrādāta, lai izmērītu temperatūras diapazonu no 0 līdz 100 ° C. Temperatūras mērīšanai tika izmantots PT100, un tas ir pretestības temperatūras detektors (RTD), kas maina pretestību atkarībā no apkārtējās temperatūras.

1. solis: aparāts

1x PT100

1x maizes dēlis

2x 2,15 kohms rezistori

1x 100 omu rezistors

Vadi

Enerģijas padeve

Diferenciālais pastiprinātājs

2. darbība. Par PT100

Projekta ietvaros mums ir uzdots izmērīt apkārtējās vides temperatūru no 0 līdz 100 grādiem pēc Celsija. Mēs nolēmām izmantot PT100 šādu iemeslu dēļ:

PT100 ir pretestības temperatūras detektors (RTD), kas var izmērīt temperatūru no -200 grādiem līdz maksimāli 850 grādiem pēc Celsija, bet parasti to neizmanto temperatūras mērīšanai virs 200 grādiem. Šis diapazons atbilst mūsu prasībām.

Šis sensors rada pretestību noteiktai apkārtējai temperatūrai. Attiecība starp sensora temperatūru un pretestību ir lineāra. Tas kopā ar minimālo iestatīšanu, kas nepieciešama sensoram, atvieglo darbu un altāri, ja nākotnē būs nepieciešami citi temperatūras diapazoni.

PT100 ir arī lēns reakcijas laiks, taču tas ir precīzs. Šīm īpašībām nav lielas ietekmes uz mūsu mērķi, un tāpēc tās nebija tik ietekmīgas, lemjot par to, kuru temperatūras sensoru izmantot.

3. solis: Wheatstone tilts

Kviešakmens tiltu izmanto, lai izmērītu nezināmu elektrisko pretestību, līdzsvarojot divas tilta ķēdes kājas, no kurām vienā ietilpst nezināmā sastāvdaļa.

Ķēdes galvenais ieguvums ir tā spēja iegūt izejas sprieguma diapazonu, kas sākas ar 0 V.

Var izmantot vienkāršu sprieguma dalītāju, bet tas neļauj mums atbrīvoties no jebkādas nobīdes, kas padarītu sprieguma izejas pastiprināšanu mazāk efektīvu.

PT100 pretestība svārstās no 100 līdz 138,5055 temperatūrā no 0 līdz 100 grādiem pēc Celsija.

Zemāk ir kviešu akmens tilta formula, un to var izmantot, lai mainītu kviešu akmens tilta mērogu dažādiem diapazoniem, kas iegūti no pievienotās pdf tabulas.

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

Mūsu scenārijā:

R2 būs mūsu PT100 pretestība.

R1 būs vienāds ar R3.

R4 jābūt vienādam ar 100 omiem, lai izvadītu 0V pie 0 grādiem pēc Celsija.

Iestatot Vout uz 0V un Vin uz 5V, mēs varam iegūt pretestību, lai iegūtu vērtības R1 un R2 = 2,2 k omi.

Pēc tam mēs varam pazemināt sensora pretestību 138,5055 omos, lai iegūtu izejas spriegumu pie 100 grādiem pēc Celsija = 80 mV

4. solis: ķēdes simulācija

Ķēžu simulācijas rīks OrCAD Capture tika izmantots, lai simulētu mūsu ķēdi un atrastu paredzamos sprieguma izvadus dažādās temperatūrās. To vēlāk izmantos, lai salīdzinātu, cik precīza bija mūsu sistēma.

Ķēde tika simulēta, veicot pārejošu laika analīzi ar paramātisku slaucīšanu, kas mainīja pt100 pretestību no 100 omiem līdz 138,5055 omiem ar soli 3,85055 omi.

5. darbība: modelētie rezultāti

Iepriekš minētie rezultāti parāda ķēdes izejas sprieguma un pretestības vērtību lineāro attiecību.

Pēc tam rezultāti tika ievadīti programmā Excel un uzzīmēti. Programma Excel nodrošina ar šīm vērtībām saistīto lineāro formulu. Sensora linearitātes un izejas sprieguma diapazona apstiprināšana.

6. darbība: shēmas izveide

Ķēde tika salikta kopā, izmantojot divus 2,2 kΩ rezistorus un 100 omu rezistoru.

Rezistoru pielaide ir +-5%. Atšķirīgās pretestības vērtības izraisa tilta nelīdzsvarotību pie 0 grādiem.

Paralēli rezistori tika pievienoti sērijveidā 100 omu rezistoram, lai pievienotu nominālo pretestības daudzumu, lai R4 būtu pēc iespējas tuvāks 100 omiem.

Tas radīja izejas spriegumu 0,00021V, kas ir ārkārtīgi tuvu 0V.

R1 ir 2 1638 omi un R3 ir 2 1572 omi. Varētu pievienot vairāk rezistoru, lai R1 un R3 būtu tieši vienādi, nodrošinot perfekti līdzsvarotu tiltu.

iespējamās kļūdas:

mainīgo rezistoru kārba, ko izmanto, lai pārbaudītu dažādas temperatūras vērtības, varētu būt neprecīza

7. darbība. Izmērītie rezultāti

Izmērītos rezultātus var redzēt zemāk.

Temperatūras izmaiņas tika mērītas, izmantojot mainīga rezistora kārbu, lai iestatītu R2 pretestību dažādām pretestībām, kuras var atrast PT100 datu lapā.

Šeit atrodamā formula tiks izmantota kā koda daļa, lai noteiktu izejas temperatūru.

8. solis: daudz lielākiem temperatūras diapazoniem

Ja ir jāreģistrē ļoti augsta temperatūra, ķēdē var ievadīt K tipa termopāri. K tipa termopāri var izmērīt temperatūras diapazonā no -270 līdz 1370 grādiem pēc Celsija.

Termopāri darbojas, pamatojoties uz termoelektrisko efektu. Temperatūras atšķirība rada potenciālu starpību (spriegums).

Tā kā termopāri darbojas, pamatojoties uz divu temperatūru starpību, ir jāzina temperatūra atsauces krustojumā.

Mēs varam izmantot divas mērīšanas metodes ar termopāriem:

PT100 sensoru var novietot atskaites krustojumā un izmērīt atskaites spriegumu

Termopāra atskaites krustojumu varētu ievietot ledus vannā, kas būtu nemainīga 0 grādi pēc Celsija, bet būtu nepraktiska šim projektam

9. darbība. Pārskats: Diferenciālā pastiprinātāja posms

Diferenciālais pastiprinātājs ir neatņemama konstrukcijas sastāvdaļa. Diferenciālais pastiprinātājs apvieno to, kas būtībā ir neinvertējošs un invertējošs pastiprinātājs vienā ķēdē. Protams, tāpat kā jebkurai būvei, tai ir savi ierobežojumi, taču, kā parādīts nākamajos soļos, tas noteikti palīdz iegūt pareizu 5 V izeju.

10. darbība. Par diferenciālo pastiprinātāju

Diferenciālais pastiprinātājs ir darbības pastiprinātājs. Tam ir galvenā loma šajā shēmas dizainā, lai pastiprinātu sprieguma izeju no Wheatstone tilta mV uz V, un pēc tam Arduino to nolasa kā sprieguma ievadi. Šis pastiprinātājs ņem divas sprieguma ieejas un pastiprina atšķirību starp abiem signāliem. To sauc par diferenciālo sprieguma ieeju. Pēc tam pastiprinātājs pastiprina diferenciālo sprieguma ieeju, un to var novērot pie pastiprinātāja izejas. Pastiprinātāja ieejas tiek iegūtas no Vitstonas tilta sprieguma dalītājiem iepriekšējā sadaļā.

11. solis: priekšrocības un ierobežojumi

Diferenciālajam pastiprinātājam ir savi plusi un mīnusi. Šāda pastiprinātāja izmantošanas galvenā priekšrocība ir konstrukcijas vieglums. Šīs vieglās konstrukcijas rezultātā ķēdei radušās problēmas tiek novērstas vieglāk un efektīvāk.

Šādas shēmas izmantošanas mīnusi ir tādi, ka, lai pielāgotu pastiprinātāja pastiprinājumu, ir jāizslēdz pastiprinājumu noteicošie rezistori (atgriezeniskās saites rezistors un ar zemi savienotais rezistors), kas var būt laikietilpīgi. Otrkārt, op-amp ir salīdzinoši zems CMRR (kopējā režīma noraidīšanas koeficients), kas nav ideāli piemērots ieejas nobīdes sprieguma ietekmes mazināšanai. Tādējādi tādā konfigurācijā kā mūsējā augsta CMRR ir būtiska, lai mazinātu nobīdes sprieguma ietekmi.

12. solis: vēlamā izvades pastiprinājuma izvēle

Op-amp ir aprīkoti ar 4 rezistoriem, kas savienoti ar ķēdi. 2 saskaņoti rezistori pie sprieguma ieejām, vēl viens savienots ar zemi, kā arī atgriezeniskās saites rezistors. Šie divi rezistori kalpo kā op-amp ieejas pretestība. Parasti pietiek ar rezistoru diapazonā no 10 līdz 100 kilomiem, taču, kad šie rezistori ir iestatīti, pastiprinājumu var noteikt, ļaujot vēlamajam izejas pieaugumam būt vienādam ar atgriezeniskās saites rezistora un ieejas rezistora attiecību vienā no ieejām (Rf/Rin).

Zemes savienotais rezistors, kā arī atgriezeniskās saites rezistors ir saskaņoti. Tie ir ieguvumus noteicošie rezistori. Pateicoties lielai ieejas pretestībai, tas samazina slodzes ietekmi uz ķēdi, t.i., neļauj lielam strāvas daudzumam iziet cauri ierīcei, kam var būt postošas sekas, ja to nekontrolē.

13. darbība: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino ir programmējams mikrokontrolleris ar digitāliem un analogiem I/O portiem. Mikrokontrolleris bija ieprogrammēts, lai nolasītu spriegumu no pastiprinātāja, izmantojot analogo ieejas tapu. Pirmkārt, Arduino nolasīs spriegumu no ķēdes izejas diapazona 0-5 V un pārveidos to par 0-1023 DU, un tas izdrukās vērtību. Pēc tam analogā vērtība tiks reizināta ar 5 un dalīta ar 1023, lai iegūtu sprieguma vērtību. Šī vērtība tiks reizināta ar 20, lai iegūtu precīzu skalu temperatūras diapazonam no 0 līdz 100 C.

Lai iegūtu nobīdes un jutīguma vērtības, nolasījumi no ievades tapas uz A0 tika ņemti ar dažādām PT100 vērtībām, un diagramma tika uzzīmēta, lai iegūtu lineāro vienādojumu.

Izmantotais kods:

void setup () {Serial.begin (9600); // sāciet sērijas savienojumu ar datoru

pinMode (A0, INPUT); // izeja no pastiprinātāja tiks savienota ar šo tapu

}

tukša cilpa ()

{pludiņa nobīde = 6.4762;

pludiņa jutība = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Lasiet ievadi A0

Serial.print ("Analogā vērtība:");

Serial.println (AnalogValue); // izdrukājiet ievades vērtību

kavēšanās (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul ar 5, lai iegūtu diapazonu no 0 līdz 100 grādiem

Serial.print ("Digitālā vērtība:");

Serial.println (DigitalValue); // analogā sprieguma vērtība

pludiņa temp = (AnalogValue - nobīde)/jutīgums;

Serial.print ("Temperatūras vērtība:");

Serial.println (temp); // drukas temp

kavēšanās (5000);

}

14. darbība. Problēmu novēršana

15 V padevei op-amp un 5 V kviešu akmens tiltam un arduino jābūt vienotai. (visas 0v vērtības ir jāsavieno kopā.)

Voltmetru var izmantot, lai pārliecinātos, ka spriegums samazinās pēc katra rezistora, lai nodrošinātu, ka nav īssavienojumu.

Ja rezultāti ir dažādi un pretrunīgi, izmantotos vadus var pārbaudīt, izmantojot voltmetru, lai izmērītu stieples pretestību, ja pretestība saka “bezsaistē”, tas nozīmē, ka ir bezgalīga pretestība un vadam ir atvērta ķēde.

Vadi jābūt mazākiem par 10 omiem.

Sprieguma starpībai kviešu akmens tiltā jābūt 0V pie minimālā temperatūras diapazona, ja tilts nav līdzsvarots, tas varētu būt tāpēc, ka:

rezistoriem ir pielaide, kas nozīmē, ka tiem var būt kļūda, kas var izraisīt kviešu akmens tilta nelīdzsvarotību, pretestības var pārbaudīt ar voltmetru, ja tas tiek noņemts no ķēdes. mazākus rezistorus varētu pievienot virknē vai paralēli, lai līdzsvarotu tiltu.

Rsērija = r1+r2

1/paralēls = 1/r1 + 1/r2

15. darbība: mērogošana

Formulu un metodi, kā mainīt sistēmas mērogu citai temperatūrai, var atrast kviešu akmens tilta sadaļā. Kad šīs vērtības ir atrastas un ķēde ir iestatīta:

PT100 jāaizstāj ar rezistoru kārbu. Pretestības vērtības jāpielāgo no jaunā temperatūras diapazona, izmantojot atbilstošās pretestības vērtības, kas iegūtas no pievienotā pdf.

Izmērītais spriegums un pretestības ir jāzīmē grafikā Excel ar temperatūru (pretestību) uz x ass un spriegumu uz y.

No šī diagrammas tiks dota formula, nobīde būs konstante, kas tiek pievienota, un jutība būs skaitlis, kas reizināts ar x.

Šīs vērtības jāmaina kodā, un jūs esat veiksmīgi mainījis sistēmas mērogu.

16. darbība: Arduino iestatīšana

pievienojiet ķēdes pastiprinātāja izeju Arduino A0 ieejas tapai

Pievienojiet Arduino Nano, izmantojot datora USB portu.

ielīmējiet kodu Arduino skices darbvietā.

Apkopojiet kodu.

Atlasiet Rīki> Padome> Atlasiet Arduino Nano.

Atlasiet Rīki> Ports> Atlasīt COM portu.

Augšupielādējiet kodu Arduino.

Izdotā digitālā vērtība ir op-amp sprieguma izeja (jābūt 0–5 V)

Temperatūras vērtība ir sistēmas nolasītā temperatūra pēc Celsija.