Temperatūras mērīšana no PT100, izmantojot Arduino: 6 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-31 10:22

PT100 ir pretestības temperatūras detektors (RTD), kas maina pretestību atkarībā no apkārtējās vides temperatūras, to plaši izmanto rūpnieciskos procesos ar lēnu dinamiku un salīdzinoši plašu temperatūras diapazonu. To izmanto lēniem dinamiskiem procesiem, jo RTD ir lēns reakcijas laiks (par ko es vairāk runāšu vēlāk), taču tie ir precīzi un laika gaitā ir zemi. Tas, ko es jums parādīšu šajā pamācībā, neatbilst rūpnieciskajiem standartiem, taču tas pakļauj jūs alternatīvam temperatūras mērīšanas veidam, nevis izmantojot LM35, kas daudziem hobijiem būtu pazīstams, un parādīta shēmas teorija var attiecināt uz citiem sensoriem.

1. darbība: sastāvdaļas

1x PT100 (divi vadi)

1x Arduino (jebkurš modelis)

3x 741 darbības pastiprinātāji (LM741 vai UA741)

1x 80 omu rezistors

2x 3,9 khm rezistori

2x 3,3 khm rezistori

2x 8,2 khm rezistori

2x 47 khm rezistori

1x 5 khm potenciometrs

1x divu spaiļu barošanas avots vai 8x 1,5V AA baterijas

Es izmantoju divu vadu PT100, trīs un četru vadu PT100s būs dažādas shēmas. Lielākajai daļai rezistoru vērtībām nav jābūt tādām pašām kā iepriekš, bet, ja ir pāris rezistoru, ti, 3,9Kohms, ja jūs tos nomainījāt, pieņemsim, ka 5k, abi ir jāmaina uz 5k jābūt tādam pašam. Kad mēs saņemsim ķēdi, es teikšu dažādu vērtību izvēles efektu. Darbības pastiprinātājiem (op pastiprinātājiem) varat izmantot citus op pastiprinātājus, bet tos es izmantoju.

2. solis: Wheatstone tilts

Vispirms man jārunā par formulu, kā iegūt temperatūru no pretestības PT100, pirms es runāju par ķēdes pirmo daļu, pretestības formula ir šāda:

kur Rx ir PT100 pretestība, R0 ir PT100 pretestība 0 ° C temperatūrā, α ir temperatūras pretestības koeficients un T ir temperatūra.

R0 ir 100 omi, jo tas ir PT100, ja tas būtu PT1000, R0 būtu 1000 omi. α ir 0,00385 omi/grādi C, kas ņemts no datu lapas. Šeit ir arī precīzāka formula, taču iepriekš minētā formula būs piemērota šim projektam. Ja mēs transponējam formulu, mēs varam aprēķināt temperatūru noteiktai pretestībai:

Pieņemsim, ka vēlamies izmērīt temperatūru diapazonā no -51,85 līdz 130 grādiem C, un mēs ievietojām PT100 ķēdē, kas parādīta 1. attēlā. Izmantojot iepriekš minēto vienādojumu un sprieguma vienādojumu no sprieguma dalītāja (parādīts attēlā) pirmajā attēlā) mēs varam aprēķināt sprieguma diapazonu. Diapazona apakšējā daļa T = -51.85 (80 omi)

un pie 130 grādiem (150 omi):

Tas dotu diapazonu 0.1187V un līdzstrāvas nobīdi 0.142, jo mēs zinām, ka mūsu temperatūra nekad nesasniegs zem -51.85 grādiem C, tas samazinās jutību diapazonā, kas mums rūp (80 līdz 130 omi), kad mēs pastiprinām šo spriegumu. Lai atbrīvotos no šīs līdzstrāvas nobīdes un palielinātu jutību, mēs varam izmantot Wheatstone tiltu, kas parādīts otrajā attēlā.

Otrā sprieguma dalītāja (Vb-) izeja tiks atņemta no pirmās sprieguma dalītāja izejas (Vb+), izmantojot diferenciālo pastiprinātāju. Tilta izejas formula ir tikai divi sprieguma dalītāji:

Spriegums PT100 ir 80 omi un tiek izmantotas citas attēla vērtības:

un ja Pt100 ir 150 omi:

Izmantojot Wheatstone, mēs atbrīvojamies no līdzstrāvas nobīdes un palielinām jutību pēc pastiprināšanas. Tagad, kad mēs zinām, kā darbojas Wheatstone tilts, mēs varam runāt par to, kāpēc mēs izmantojam 80 omus un 3,3 khm. 80 omi ir izskaidroti no iepriekš minētās formulas, izvēlieties šo vērtību (mēs to sauksim par nobīdes rezistoru Roff), lai tā būtu zemākā jūsu temperatūras diapazona vai vēl labāka, nedaudz zem diapazona apakšas, ja tā tiek izmantota temperatūras regulēšanas vadības sistēmas vai tamlīdzīgi, jūs vēlaties zināt, cik zema temperatūra nokrītas zem jūsu temperatūras diapazona. Tātad, ja diapazona apakšdaļa ir -51,85 ° C, izmantojiet Roff 74,975 omi (-65 ° C).

R1 un R3 izvēlējos 3.3k divu iemeslu dēļ, lai ierobežotu strāvu un palielinātu izejas linearitāti. Tā kā PT100 maina pretestību temperatūras dēļ, caur to izvadot pārāk daudz strāvas, tiks uzrādīti nepareizi rādījumi pašsasilšanas dēļ, tāpēc es izvēlējos maksimālo strāvu 5-10 mA. Ja PT100 ir 80 omi, strāva ir 1,775mA, tāpēc droši zem maksimālā diapazona. Jūs samazinat pretestību, lai palielinātu jutību, taču tas varētu negatīvi ietekmēt linearitāti, jo vēlāk mēs izmantosim līnijas vienādojumu (y = mx+c), ja izvads būs nelineārs. Trešajā attēlā ir tilta izejas grafiks, izmantojot dažādus augšējos rezistorus, cietā līnija ir faktiskā izeja, un punktētā līnija ir lineārā tuvināšana. Jūs varat redzēt tumši zilā grafikā (R1 & R3 = 200 omi) sniedz lielāko sprieguma diapazonu, bet izeja ir vismazāk lineārā. Gaiši zils (R1 & R3 = 3,3 khm) dod mazāko sprieguma diapazonu, bet punktētā līnija un cietā līnija pārklājas, norādot, ka tā linearitāte ir ļoti laba.

Jūtieties brīvi mainīt šīs vērtības, lai tās atbilstu jūsu pielietojumam, arī mainot spriegumu, pārliecinieties, ka strāva nav pārāk augsta.

3. solis: pastiprināšana

Pēdējā solī mēs atklājām, ka divu atņemto sprieguma dalītāju izejas diapazons bija no 0 līdz 0.1187, bet mēs neesam runājuši par to, kā atņemt šos spriegumus. Lai to izdarītu, mums būs nepieciešams diferenciālais pastiprinātājs, kas atņems vienu ievadi no otras un pastiprinās to ar pastiprinātāja pastiprinājumu. Diferenciālā pastiprinātāja shēma ir parādīta pirmajā attēlā. Jūs ievadāt Vb+ invertējošajā ieejā un Vb- ievadē, kas nav apgriezts, un izeja būs Vb+- Vb- ar pastiprinājumu vienu, ti, bez pastiprinājuma, bet, pievienojot attēlā redzamos rezistorus, mēs pievienojam pastiprinājumu 5,731. Ieguvumu dod:

Ra ir R5 un R7 un Rb ir R6 un R8, spriegumu nosaka:

Pastāv divas problēmas, vienkārši pievienojot šo pastiprinātāju tilta izejai, iekraušanas efektu un mainot pastiprinājumu. Lai mainītu pastiprinātāja pastiprinājumu, jums ir jāmaina vismaz divi rezistori, jo abiem rezistoru pāriem jābūt vienādiem, tāpēc divu podu, kuriem jābūt vienādai vērtībai, būtu kaitinoši, tāpēc mēs izmantosim to, ko sauc par instrumentālo pastiprinātāju par ko es runāju zemāk. Slodzes efekts ir pastiprinātāja ieejas rezistori, kas ietekmē sprieguma kritumu visā PT100, mēs vēlamies, lai spriegums visā PT100 nemainītos, un, lai to izdarītu, mēs varam izvēlēties ļoti lielus rezistorus ieejas rezistoriem, lai PT100 paralēlā pretestība un ieejas rezistors ir ļoti tuvu PT100 pretestībai, taču tas var radīt problēmas ar troksni un sprieguma izejas nobīdi, kurā es neiedziļināšos. Vienkārši izvēlieties Kohms diapazona vidējo diapazonu, bet, kā es teicu, arī mazu rezistoru izmantošana ir slikta, tāpēc mēs nedaudz mainīsim ķēdi.

Otrajā attēlā tilta izeja ir savienota ar instrumentu pastiprinātāju, kas darbojas ar bufera pastiprinātāju, lai atdalītu abas ķēdes puses (tiltu un pastiprinājumu), kā arī ļauj izmantot ievades pastiprināšanu, mainot tikai vienu potenciometru (Rgains). Instrumentu pastiprinātāja ieguvumu nosaka:

kur Rc ir divi 3,9 k rezistori virs un zem katla.

Samazinot Rgain, pastiprinājums palielinās. Tad punktā Va un Vb (pastiprināts Vb+ un Vb-) tas ir tikai diferenciālais pastiprinātājs kā iepriekš, un kopējais ķēdes pieaugums ir tikai ieguvumi, kas reizināti kopā.

Lai izvēlētos savu ieguvumu, jūs vēlaties darīt kaut ko līdzīgu tam, ko mēs darījām ar Roff, mums vajadzētu izvēlēties pretestību, kas ir nedaudz augstāka par jūsu maksimālo temperatūru jūsu diapazonā, ja vien tā pārsniedz. Tā kā mēs izmantojam Arduino, kam ir 5 V adc, ķēdes maksimālajai izejai vajadzētu būt 5 V jūsu izvēlētajā maksimālajā temperatūrā. Izvēlēsimies 150 omus kā maksimālo pretestību, un tilta spriegums bez pastiprinājuma bija 0.1187V, mums nepieciešamais pieaugums ir 42.185 (5/0.1187)

Pieņemsim, ka Ra, Rb un Rc paliek kā 8,2k, 47k un 3,9k, mums vienkārši jāatrod katla Rgain vērtība:

Tātad, lai pilnībā izmantotu 5 voltus no mūsu izmantotā temperatūras diapazona, mainiet Rgain vērtību uz 1,226 k. Izejas spriegumu, kas nāk no diferenciālā pastiprinātāja, nosaka:

4. solis: ķēdes barošana

Šis ir pēdējais ķēdes posms, jūs, iespējams, pamanījāt Vcc+ un Vcc- op pastiprinātāju ķēdēs, tas ir tāpēc, ka tiem ir nepieciešams gan pozitīvs, gan negatīvs spriegums, lai tie pareizi darbotos, jūs varat iegūt vienas sliedes op-amp, bet es nolēmu izmantot šos pastiprinātājus, jo tas bija tas, kas man gulēja. Tātad mēs piegādāsim +6V un -6V, ir trīs veidi, kā to izdarīt. Pirmais ir parādīts pirmajā attēlā, kur mums ir divi barošanas avoti vai divi izejas spailes no viena barošanas avota, abi ir ar 6 V spriegumu un viens pozitīvs izejas signāls ir savienots ar otra negatīvo. Augšējā barošanas avota 6V būs mūsu +6V, apakšējās barošanas pozitīvais ir GND, bet apakšējās barošanas negatīvais ir -6V. SAVIENOJIET TIKAI ŠĪ, JA DIVU PIEGĀDĀJUMU GND IR ATŠĶIRTI VAI TIKAI BAUSĪTS JŪSU BAROŠANA. Visi komerciālie barošanas avoti būtu atdalījuši GND, bet, ja vēlaties pārbaudīt, izmantojiet multimetra nepārtrauktības testeri, ja tas zvana, neizmantojiet šo iestatījumu un izmantojiet nākamo. Savā mājās gatavotajā piegādē es to sadedzināju.

Otrajā attēlā ir otrā iestatīšana, kāda mums var būt, tai ir nepieciešams, lai vienam barošanas avotam būtu divkāršs spriegums no cita, taču tas nesabojās barošanu, ja GND ir pievienoti. Mums ir divi krājumi, viens pie 12V un otrs pie 6V. 12V darbosies kā mūsu +6V, 6V no otrās barošanas darbosies kā GND, un divi faktiskie GND no piegādes darbosies kā -6V.

Šis pēdējais iestatījums ir paredzēts barošanas avotiem, kuriem ir tikai viena izeja, un tas izmanto bufera pastiprinātāju 1, lai izveidotu virtuālu zemi, izvadot pusi barošanas sprieguma caur bufera pastiprinātāju. Tad 12V darbosies kā +6V, un faktiskais GND terminālis būs -6V.

Ja vēlaties izmantot baterijas, es ieteiktu pirmo iestatīšanu, bet problēma ar baterijām ir tāda, ka spriegums samazināsies, kad tās sāk mirt, un arī spriegums no tilta samazināsies, radot nepareizus temperatūras rādījumus. Protams, jūs varētu nolasīt spriegumu no baterijām un iekļaut tos aprēķinos vai izmantot regulatorus un vairāk bateriju. Galu galā tas ir atkarīgs no jums.

5. solis: pilna ķēde un kods

Visa shēma ir parādīta iepriekš, un tā tika izveidota jaunajā Autodesk Circuits.io, kas ļauj izveidot shēmas uz maizes dēļa, rediģēt shēmas shēmu (parādīts 2. attēlā) un PCB diagrammas un labāko daļu, ļauj simulēt ķēdi no maizes dēļa un var pat ieprogrammēt Arduino un savienot to maizes dēļa režīmā, tālāk lapā ir simulācija, un jūs varat spēlēties ar diviem katliem. Ja vēlaties dublēt ķēdi un ievadīt savas vērtības, ķēdi varat atrast šeit. Pirmais katls ir 70 omi un sērijveidā ar 80 omu rezistoru, kas simulē PT100 ar diapazonu no 80 līdz 150 omiem, otrais katls ir instrumentālā pastiprinātāja ieguvums. Diemžēl savam kodam izmantoju lejupielādētu bibliotēku, tāpēc Arduino nav iekļauts zemāk esošajā shēmā, bet ir tikai divi papildu vadi, kas jums jāpievieno. Ja jums ir ērtāk izmantot LTspice, es pievienoju ķēdē asc failu.

Pievienojiet A0 tapu diferenciālā pastiprinātāja izejai

Pievienojiet Arduino GND ķēdes GND (NAV -6V)

Un tā ķēde ir pabeigta, tagad uz kodu. Iepriekš es minēju, ka mēs izmantosim formulu y = mx+c, un tagad mēs aprēķināsim m (slīpumu) un c (nobīdi). Arduino mēs lasīsim spriegumu, bet temperatūras vienādojumam ir jāzina PT100 pretestība, tāpēc mēs to varam paveikt, aizstājot Serial.println (temp) ar Serial.println (V) un ierakstot spriegums un pretestība divās temperatūrās. Veicot šo pārbaudi, atstājiet PT100 uz mirkli, piemēram, minūti vai divas, un turieties prom no visiem siltuma avotiem (saules gaismas, klēpjdatora ventilatora, ķermeņa utt.).

Pirmais punkts, ko varam ņemt, ir istabas temperatūra, kad ķēde ir pievienota un darbojas, sērijveida monitorā ierakstiet Arduino nolasīto spriegumu (Vt1) un ātri atvienojiet PT100 un ierakstiet tā pretestību (Rt1). atvienojot rokas uz zondes, jo tas mainīs pretestību. Otrajai temperatūrai mēs varētu ievietot zondi ledus ūdenī vai karstā ūdenī (esiet uzmanīgi, ja izmantojat karstu ūdeni) un atkārtot to, ko darījām pirms Vt2 un Rt2 atrašanas. Tūlīt pēc zondes ievietošanas šķidrumā pagaidiet minūti vai divas, lai noturētu pretestību. Ja jūs interesē PT100 laika reakcija, ierakstiet sērijveida monitora spriegumu apmēram ik pēc 2 sekundēm, un mēs varam no tā uzzīmēt diagrammu, un es to paskaidrošu vēlāk. Izmantojot divus spriegumus un pretestības, mēs varam aprēķināt slīpumu šādi:

Rt1 un Rt2 ir pretestības divās temperatūrās, un tas pats attiecas uz spriegumiem Vt1 un Vt2. No slīpuma un viena no diviem jūsu ierakstītajiem punktu kopumiem mēs varam aprēķināt nobīdi:

C vajadzētu būt tuvu jūsu reālajam Roff, no savas simulācijas es aprēķināju šīs vērtības:

No šīs pretestības mēs varam uzzināt savu temperatūru, izmantojot formulu, kas mums bija sākumā:

Un tas ir viss, Arduino kods ir norādīts zemāk, ja jums ir kādas problēmas, vienkārši atstājiet komentāru, un es centīšos palīdzēt.

Nav manis izveidotās ķēdes attēlu, kā es to darīju pirms kāda laika, un man vairs nav PT100, lai to pārtaisītu un pārbaudītu, bet jums vienkārši jātic man, ka tas darbojas. Instructables par PT100 nav daudz, ko es atradu, tāpēc es padarīju šo ible.

Nākamajā solī es runāšu par PT100 laika reakciju un, ja jūs neinteresē matemātika, mērot temperatūras izmaiņas, ļaujiet PT100 apmesties apmēram minūti pirms lasīšanas.

Ja jūs interesē redzēt citus manis veidotos projektus, apmeklējiet manu

Emuārs: Roboroblog

YouTube kanāls: Roboro

Vai arī apskatiet manus citus norādījumus: šeit

Ja HTML sajaucas ar zemāk redzamo kodu, kods tiek pievienots

* Šis kods aprēķina temperatūru, izmantojot PT100

* Autors: Roboro * Github: <a href = "https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href =" https://github.com/RonanB96/Read-Temp- No-PT100-… <a href = "https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… >>>>>>>>> * Circuit: <a href=" href="https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href=" https://github.com/ronanb96/read-temp-from-pt100-…="">>>>>>>>>> * Blog: <a href=" href="https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href=" https://github.com/ronanb96/read-temp-from-pt100-…="">>>>>>>>>> * Instrustable Post: <a href=" href="https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href=" https://github.com/ronanb96/read-temp-from-pt100-…="">>>>>>>>>> * */ //You'll need to download this timer library from here //https://www.doctormonk.com/search?q=timer #include "Timer.h" // Define Variables float V; float temp; float Rx; // Variables to convert voltage to resistance float C = 79.489; float slope = 14.187; // Variables to convert resistance to temp float R0 = 100.0; float alpha = 0.00385; int Vin = A0; // Vin is Analog Pin A0 Timer t; // Define Timer object

void setup() {

Serial.begin(9600); // Set Baudrate at 9600 pinMode(Vin, INPUT); // Make Vin Input t.every(100, takeReading); // Take Reading Every 100ms } void loop() { t.update(); // Update Timer } void takeReading(){ // Bits to Voltage V = (analogRead(Vin)/1023.0)*5.0; // (bits/2^n-1)*Vmax // Voltage to resistance Rx = V*slope+C; //y=mx+c // Resistance to Temperature temp= (Rx/R0-1.0)/alpha; // from Rx = R0(1+alpha*X) // Uncommect to convet celsius to fehrenheit // temp = temp*1.8+32; Serial.println(temp); }

Step 6: Time Response of PT100

Tāpēc es minēju, ka PT100 reaģē lēni, bet mēs varam iegūt formulu pašreizējai temperatūrai, ko nolasa PT100 jebkurā laikā t. PT100 atbilde ir pirmās kārtas atbilde, ko var ierakstīt Laplasa izteiksmē, t.i., pārsūtīšanas funkcijā, kā:

kur tau (τ) ir laika konstante, K ir sistēmas ieguvums un s ir Laplasa operators, ko var uzrakstīt kā jω, kur ω ir frekvence.

Laika konstante norāda, cik ilgs laiks nepieciešams pirmās kārtas sistēmai, lai nokārtotu savu jauno vērtību, un noteikums vai īkšķis ir tāds, ka 5*tau ir laiks, kas nepieciešams, lai nostātos jaunajā līdzsvara stāvoklī. Pastiprinājums K norāda, cik lielā mērā ievade tiks pastiprināta. Izmantojot PT100, ieguvums ir pretestības izmaiņu dalījums ar temperatūras izmaiņām, izvēloties divas nejaušas vērtības no šīs datu lapas, es saņēmu pastiprinājumu 0,3856 omi/C.

Pirms es teicu, ka jūs varat ierakstīt spriegumu ik pēc 2 sekundēm pēc zondes ievietošanas šķidrumā, karstā vai aukstā, no tā mēs varam aprēķināt sistēmas laika konstanti. Vispirms jums jānosaka sākuma un beigu punkta atrašanās vieta, sākuma punkts ir spriegums pirms zondes ievietošanas šķidrumā, bet beigu punkts - kad tas nosēdās. Pēc tam atņemiet tos, un tā ir soļa sprieguma izmaiņas, jūsu veiktais tests bija soļa maiņa, kas ir pēkšņa sistēmas ievades maiņa, solis ir temperatūra. Tagad grafikā dodieties uz 63,2% no sprieguma izmaiņām, un šis laiks ir laika konstante.

Ja jūs pievienojat šo vērtību pārsūtīšanas funkcijai, jums ir formula, kas apraksta sistēmu frekvences reakciju, bet tas nav tas, ko mēs šobrīd vēlamies, mēs vēlamies faktisko temperatūru laikā t par soli temperatūrā, tāpēc mēs ejam ir jāveic apgriezta Laplasa transformācija solī sistēmā. Pirmās kārtas sistēmas ar soļa ievadi pārsūtīšanas funkcija ir šāda:

Kur Ks ir pakāpiena lielums, ti, temperatūras starpība. Pieņemsim, ka zonde ir nosēdināta 20 ° C temperatūrā, ievietota ūdenī 30 ° C temperatūrā, un zondes laika konstante ir 8s, pārsūtīšanas funkcija un laika domēna formula ir šāda:

Δ (t) nozīmē tikai impulsu, ti, līdzstrāvas nobīdi 20 ° C šajā gadījumā, aprēķinot to, vienādojumos varat ierakstīt tikai 20. Šis ir standarta vienādojums, lai ieietu pirmās kārtas sistēmā:

Iepriekš minētais aprēķina temperatūru laikā t, bet tas darbosies spriegumam, jo tie ir proporcionāli viens otram, jums vienkārši nepieciešama sākuma un beigu vērtība, laika konstante un soļa lielums. Vietne ar nosaukumu Symbolab ir lieliska, lai pārbaudītu, vai jūsu matemātika ir pareiza, tā var veikt Laplasu, integrāciju, diferenciāciju un daudzas citas lietas, un tā sniedz jums visas darbības. Iepriekš minēto apgriezto Laplasa pārveidojumu var atrast šeit.