Temperatūros matavimas naudojant PT100 ir „Arduino“: 16 žingsnių

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:46

Šio projekto tikslas - suprojektuoti, sukurti ir išbandyti temperatūros jutiklį. Sistema skirta matuoti temperatūros diapazoną nuo 0 iki 100 ° C. Temperatūrai matuoti buvo naudojamas PT100, o tai yra pasipriešinimo temperatūros detektorius (RTD), kuris keičia savo atsparumą priklausomai nuo aplinkos temperatūros.

1 žingsnis: aparatai

1x PT100

1x duonos lenta

2x 2,15 kohmo rezistoriai

1x 100 omų rezistorius

Laidai

Maitinimo šaltinis

Diferencialinis stiprintuvas

2 žingsnis: Apie PT100

Vykdydami mūsų projektą, mums pavesta išmatuoti aplinkos temperatūrą nuo 0 iki 100 laipsnių Celsijaus. Mes nusprendėme naudoti PT100 dėl šių priežasčių:

PT100 yra pasipriešinimo temperatūros detektorius (RTD), kuris gali matuoti temperatūrą nuo -200 laipsnių iki ne daugiau kaip 850 laipsnių Celsijaus, tačiau dažniausiai nenaudojamas temperatūrai viršyti 200 laipsnių. Šis asortimentas atitinka mūsų reikalavimus.

Šis jutiklis sukuria atsparumą tam tikrai aplinkos temperatūrai. Santykis tarp temperatūros ir jutiklio atsparumo yra tiesinis. Tai kartu su minimalia jutiklio reikalaujama sąranka palengvina darbą ir aukurą, jei ateityje prireiks kitų temperatūrų diapazonų.

PT100 taip pat turi lėtą atsako laiką, tačiau yra tikslus. Šios charakteristikos neturi didelės įtakos mūsų tikslui ir todėl nebuvo tokios įtakingos sprendžiant, kokį temperatūros jutiklį naudoti.

3 žingsnis: Wheatstone tiltas

Kviečių akmens tiltas naudojamas nežinomam elektros pasipriešinimui matuoti, subalansuojant dvi tilto grandinės kojas, kurių viena koja apima nežinomą komponentą.

Pagrindinis grandinės privalumas yra jos gebėjimas gauti išėjimo įtampos diapazoną, kuris prasideda nuo 0 V.

Galima naudoti paprastą įtampos skirstytuvą, tačiau jis neleis mums atsikratyti jokių esančių poslinkių, o tai sumažintų išėjimo įtampos stiprinimą.

PT100 atsparumas svyruoja nuo 100 iki 138,5055 esant temperatūrai nuo 0 iki 100 laipsnių Celsijaus.

Žemiau yra kviečių akmens tilto formulė, ji gali būti naudojama keičiant kviečių akmens tilto mastelį įvairiems diapazonams, gautiems iš pridėtos pdf lentelės.

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

Mūsų scenarijuje:

R2 bus mūsų atsparumas PT100.

R1 bus lygus R3.

R4 turi būti lygus 100 omų, kad išvestų 0 V esant 0 laipsnių Celsijaus temperatūrai.

Nustačius „Vout“į 0 V, o „Vin“į 5 V, mes galime gauti pasipriešinimą R1 ir R2 = 2,2 k omų reikšmėms.

Tada mes galime sumažinti 138,5055 omų jutiklio atsparumą, kad gautume išėjimo įtampą esant 100 laipsnių Celsijaus = 80 mV

4 žingsnis: grandinės modeliavimas

Kontūrų modeliavimo įrankis „OrCAD Capture“buvo panaudotas mūsų grandinei imituoti ir rasti numatomą įtampos išvestį esant skirtingai temperatūrai. Tai bus panaudota vėliau, norint palyginti mūsų sistemos tikslumą.

Grandinė buvo imituota atliekant trumpalaikę laiko analizę su paramatiniu šlavimu, kuris pakeitė pt100 pasipriešinimą nuo 100 omų iki 138,5055 omų, žingsniu po 3,85055 omus.

5 žingsnis: imituoti rezultatai

Aukščiau pateikti rezultatai rodo linijinį grandinės išėjimo įtampos ir varžos verčių santykį.

Tada rezultatai buvo įvesti į „Excel“ir nubraižyti. „Excel“pateikia su šiomis reikšmėmis susietą tiesinę formulę. Patvirtinamas jutiklio tiesiškumas ir išėjimo įtampos diapazonas.

6 žingsnis: grandinės sukūrimas

Grandinė buvo sudaryta naudojant du 2,2 kΩ rezistorius ir 100 omų rezistorių.

Rezistorių tolerancija yra +-5%. Dėl skirtingų pasipriešinimo verčių tiltas yra nesubalansuotas 0 laipsnių kampu.

Lygiagretūs rezistoriai buvo nuosekliai pridėti prie 100 omų rezistoriaus, kad būtų pridėtas nominalus pasipriešinimas, kad R4 būtų kuo arčiau 100 omų.

Tai sukėlė 0,00021V išėjimo įtampą, kuri yra labai artima 0V.

R1 yra 2, 1638 omai, o R3 yra 2, 1572 omai. Galima prijungti daugiau rezistorių, kad R1 ir R3 būtų lygūs, taip užtikrinant puikiai subalansuotą tiltą.

galimos klaidos:

kintamo rezistoriaus dėžutė, naudojama skirtingų temperatūrų vertėms tikrinti, gali būti netiksli

7 žingsnis: išmatuoti rezultatai

Išmatuotus rezultatus galima pamatyti žemiau.

Temperatūros pokytis buvo matuojamas naudojant kintamo rezistoriaus dėžutę, kad būtų galima nustatyti R2 atsparumą skirtingoms varžoms, kurias galima rasti PT100 duomenų lape.

Čia pateikta formulė bus naudojama kaip kodo dalis išvesties temperatūrai nustatyti.

8 žingsnis: daug didesniems temperatūros diapazonams

Jei reikia užregistruoti labai aukštą temperatūrą, į grandinę galima įvesti K tipo termoporą. K tipo termopora gali matuoti temperatūros diapazoną nuo -270 iki 1370 laipsnių Celsijaus.

Termoporos veikia pagal termoelektrinį efektą. Temperatūros skirtumas sukelia potencialų skirtumą (įtampą).

Kadangi termoporos veikia pagal dviejų temperatūrų skirtumą, reikia žinoti temperatūrą atskaitos sankryžoje.

Galime naudoti du matavimo su termoporomis metodus:

PT100 jutiklį galima pastatyti prie atskaitos sankryžos ir išmatuoti atskaitos įtampą

Etaloninė termoporos sankryža gali būti dedama į ledo vonią, kuri būtų pastovi 0 laipsnių Celsijaus, bet būtų nepraktiška šiam projektui

9 žingsnis: apžvalga: diferencialinio stiprintuvo etapas

Diferencialinis stiprintuvas yra neatskiriama konstrukcijos dalis. Diferencialinis stiprintuvas sujungia iš esmės neinvertuojantį ir apverčiantį stiprintuvą į vieną grandinę. Žinoma, kaip ir bet kuri konstrukcija, ji turi savo apribojimų, tačiau, kaip bus parodyta keliuose kituose žingsniuose, tai tikrai padeda gauti teisingą 5 V išėjimą.

10 žingsnis: Apie diferencialinį stiprintuvą

Diferencialinis stiprintuvas yra operacinis stiprintuvas. Jis vaidina pagrindinį vaidmenį šioje grandinės konstrukcijoje stiprinant iš Wheatstone tilto išvesties įtampą mV į V, o tada „Arduino“nuskaito kaip įtampos įvestį. Šis stiprintuvas priima du įtampos įėjimus ir sustiprina dviejų signalų skirtumą. Tai vadinama diferencinės įtampos įvestimi. Tada stiprintuvas sustiprina diferencinę įtampos įvestį ir gali būti stebimas stiprintuvo išėjime. Stiprintuvo įėjimai gaunami iš „Wheatstone“tilto įtampos skirstytuvų ankstesniame skyriuje.

11 žingsnis: privalumai ir apribojimai

Diferencialinis stiprintuvas turi savo privalumų ir trūkumų. Pagrindinis tokio stiprintuvo naudojimo pranašumas yra konstrukcijos paprastumas. Dėl šios paprastos konstrukcijos grandinės trikčių šalinimo problemos tampa paprastesnės ir efektyvesnės.

Tokios grandinės naudojimo trūkumai yra tai, kad norint sureguliuoti stiprintuvo stiprinimą, abu stiprumą nustatantys rezistoriai (grįžtamojo ryšio rezistorius ir įžemintas rezistorius) turi būti išjungti, o tai gali užtrukti daug laiko. Antra, „op-amp“turi palyginti mažą CMRR (bendrojo režimo atmetimo koeficientą), kuris nėra idealus įvesties poslinkio įtampos poveikiui sušvelninti. Taigi tokioje konfigūracijoje, kaip mūsų, didelis CMRR yra būtinas norint sušvelninti poslinkio įtampos poveikį.

12 veiksmas: norimo išvesties stiprinimo pasirinkimas

„Op-amp“turi 4 rezistorius, prijungtus prie grandinės. 2 suderinti rezistoriai įtampos įėjimuose, kitas prijungtas prie žemės, taip pat grįžtamojo ryšio rezistorius. Šie du rezistoriai yra op-amp įvesties varža. Paprastai turėtų pakakti 10–100 kilovatų rezistoriaus, tačiau kai šie rezistoriai bus nustatyti, padidėjimą galima nustatyti leidžiant norimam išėjimo padidėjimui lygų grįžtamojo ryšio rezistoriaus ir įėjimo rezistoriaus santykiui viename iš įėjimų (Rf/Rin).

Įžemintas rezistorius ir grįžtamojo ryšio rezistorius yra suderinti. Tai yra pelną nustatantys rezistoriai. Turėdama didelę įėjimo varžą, ji sumažina apkrovos poveikį grandinei, ty neleidžia dideliam srovės kiekiui tekėti per prietaisą, o tai gali turėti pražūtingų padarinių, jei nekontroliuojama.

13 veiksmas: ARDUINO MICROCONTROLLER

„Arduino“yra programuojamas mikrovaldiklis, turintis skaitmeninius ir analoginius įvesties/išvesties prievadus. Mikrovaldiklis buvo užprogramuotas nuskaityti įtampą iš stiprintuvo per analoginį įvesties kaištį. Pirma, „Arduino“nuskaitys įtampą iš grandinės išėjimo diapazono 0–5 V ir konvertuos ją į 0–1023 DU ir atspausdins vertę. Tada analoginė vertė bus padauginta iš 5 ir padalyta iš 1023, kad būtų gauta įtampos vertė. Ši vertė bus padauginta iš 20, kad būtų gauta tiksli skalė nuo 0 iki 100 ° C temperatūros.

Norint gauti poslinkio ir jautrumo vertes, A0 įvesties kaiščio rodmenys buvo paimti su skirtingomis PT100 reikšmėmis, o grafikas nubraižytas, kad būtų gauta tiesinė lygtis.

Naudotas kodas:

void setup () {Serial.begin (9600); // paleisti serijinį ryšį su kompiuteriu

pinMode (A0, INPUT); // išvestis iš stiprintuvo bus prijungta prie šio kaiščio

}

tuštumos kilpa ()

{plūdės poslinkis = 6.4762;

plūdės jautrumas = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Skaitykite A0 įvestį

Serial.print ("Analoginė vertė:");

Serial.println (AnalogValue); // spausdinti įvesties vertę

vėlavimas (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul iki 5, kad gautumėte 0-100 laipsnių diapazoną

Serial.print ("Skaitmeninė vertė:");

Serial.println (DigitalValue); // analoginė įtampos vertė

plūdės temp = (AnalogValue - poslinkis)/jautrumas;

Serial.print ("Temperatūros vertė:");

Serial.println (temp); // spausdinimo temp

vėlavimas (5000);

}

14 žingsnis: trikčių šalinimas

15 V maitinimas prie stiprintuvo ir 5 V prie kviečių akmens tilto ir arduino turi turėti bendrą pagrindą. (visos 0v vertės turi būti sujungtos.)

Voltmetras gali būti naudojamas įsitikinti, kad įtampa nukrenta po kiekvieno rezistoriaus, kad būtų išvengta trumpojo jungimo.

Jei rezultatai yra skirtingi ir nenuoseklūs, naudojamus laidus galima išbandyti naudojant voltmetrą, norint išmatuoti laido varžą, jei pasipriešinimas sako „neprisijungęs“, tai reiškia, kad yra begalinis pasipriešinimas ir viela turi atvirą grandinę.

Laidai turi būti mažesni nei 10 omų.

Įtampos skirtumas kviečių akmens tilte turėtų būti 0 V esant minimaliam temperatūros diapazonui, jei tiltas nėra subalansuotas, tai gali būti dėl:

rezistoriai turi toleranciją, o tai reiškia, kad jie gali turėti klaidą, dėl kurios kviečių akmens tiltas gali būti nesubalansuotas, jei varžos pašalinamos iš grandinės, jas galima patikrinti voltmetru. mažesnius rezistorius galima pridėti nuosekliai arba lygiagrečiai, kad būtų subalansuotas tiltas.

R serija = r1+r2

1/lygiagretus = 1/r1 + 1/r2

15 žingsnis: pakeiskite mastelį

Formulę ir metodą, kaip pakeisti sistemos skalę kitai temperatūrai, rasite kviečių akmens tilto skyriuje. Suradus šias vertes ir sukūrus grandinę:

PT100 reikia pakeisti rezistoriaus dėžute. Atsparumo vertės turėtų būti pakoreguotos iš naujo temperatūros diapazono, naudojant atitinkamas varžos vertes, gautas iš pridėto pdf.

Išmatuota įtampa ir varžos turėtų būti nubraižytos „Excel“, nurodant temperatūrą (atsparumą) x ašyje ir įtampą y.

Iš šio grafiko bus pateikta formulė, poslinkis bus pridėta konstanta, o jautrumas bus skaičius, padaugintas iš x.

Šios vertės turėtų būti pakeistos kode ir sėkmingai pakeisite sistemos mastelį.

16 žingsnis: „Arduino“nustatymas

prijunkite grandinės stiprintuvo išvestį prie „Arduino“A0 įvesties kaiščio

Prijunkite „Arduino Nano“per kompiuterio USB prievadą.

įklijuokite kodą į „Arduino“eskizo darbo sritį.

Sudarykite kodą.

Pasirinkite Įrankiai> Lenta> Pasirinkite „Arduino Nano“.

Pasirinkite Įrankiai> Prievadas> Pasirinkite COM prievadą.

Įkelkite kodą į „Arduino“.

Išvesta skaitmeninė vertė yra op-amp įtampa (turėtų būti 0–5 V)

Temperatūros vertė yra sistemos nuskaityta temperatūra Celsijaus laipsniais.