Temperatūros matavimas iš PT100 naudojant „Arduino“: 6 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-31 10:22

PT100 yra pasipriešinimo temperatūros detektorius (RTD), kuris keičia savo atsparumą priklausomai nuo aplinkos temperatūros, plačiai naudojamas pramoniniams procesams, kurių dinamika yra lėta ir santykinai platus temperatūros diapazonas. Jis naudojamas lėtiems dinamiškiems procesams, nes RTD turi lėtą atsako laiką (apie kurį daugiau kalbėsiu vėliau), tačiau yra tikslūs ir mažėja. Tai, ką aš jums parodysiu šioje instrukcijoje, neatitiks pramonės standartų, tačiau tai parodys jums alternatyvų temperatūros matavimo būdą, nei naudojant LM35, su kuriuo daugelis mėgėjų būtų susipažinę, ir parodyta grandinės teorija gali būti taikomas kitiems jutikliams.

1 žingsnis: komponentai

1x PT100 (du laidai)

1x „Arduino“(bet koks modelis)

3x 741 veikimo stiprintuvai (LM741 arba UA741)

1x 80ohm rezistorius

2x 3,9 khm rezistoriai

2x 3,3 khm rezistoriai

2x 8,2 khm rezistoriai

2x 47 khm rezistoriai

1x 5 khm potenciometras

1x dviejų gnybtų maitinimo šaltinis arba 8x 1,5 V AA baterijos

Aš naudoju dviejų laidų PT100, trijų ir keturių laidų PT100 turi skirtingas grandines. Daugelio jų rezistorių vertės neturi būti tokios pačios kaip aukščiau, bet jei yra pora rezistorių, ty 3,9 kΩ, jei juos pakeisite, tarkime, 5 k, abu turėsite pakeisti 5 k reikia būti vienodam. Kai gausime grandinę, pasakysiu skirtingų verčių pasirinkimo poveikį. Operacijos stiprintuvams (op stiprintuvams) galite naudoti kitus operacinius stiprintuvus, tačiau tai yra tie, kuriuos naudoju.

2 žingsnis: Wheatstone tiltas

Prieš kalbėdamas apie pirmąją grandinės dalį, pirmiausia turiu kalbėti apie formulę, kaip gauti temperatūrą iš atsparumo PT100, o pasipriešinimo formulė yra tokia:

kur Rx yra atsparumas PT100, R0 yra atsparumas PT100 esant 0 laipsnių C temperatūrai, α yra atsparumo temperatūrai koeficientas, o T - temperatūra.

R0 yra 100 omų, nes tai yra PT100, jei jis būtų PT1000, R0 būtų 1000 omų. α yra 0,00385 omai/C, paimta iš duomenų lapo. Čia taip pat galima rasti tikslesnę formulę, tačiau aukščiau pateikta formulė tinka šiam projektui. Jei perkelsime formulę, galime apskaičiuoti tam tikros varžos temperatūrą:

Tarkime, norime išmatuoti kažką, kurio temperatūra būtų nuo -51,85 iki 130 laipsnių C, ir mes įdėjome PT100 į 1 paveiksle pavaizduotą grandinę. Naudodami aukščiau pateiktą lygtį ir įtampos skirstytuvo išvesties lygtį (parodyta pirmame paveikslėlyje) galime apskaičiuoti įtampos diapazoną. Diapazono apačia T = -51.85 (80 omų)

ir esant 130 laipsnių (150 omų):

Tai suteiktų 0,1187 V diapazoną ir 0,142 nuolatinės srovės poslinkį, nes žinome, kad mūsų temperatūra niekada nenukris žemiau -51,85 laipsnių C, o tai sumažins mums rūpimo diapazono jautrumą (nuo 80 iki 130 omų), kai sustiprinsime šią įtampą. Norėdami atsikratyti šio nuolatinės srovės poslinkio ir padidinti jautrumą, galime naudoti Wheatstone tiltą, kuris parodytas antrame paveikslėlyje.

Antrojo įtampos daliklio (Vb-) išėjimas bus atimtas iš pirmojo įtampos daliklio išėjimo (Vb+), naudojant diferencinį stiprintuvą. Tilto išėjimo formulė yra tik du įtampos skirstytuvai:

PT100 išėjimo įtampa yra 80 omų ir naudojamos kitos paveikslėlyje pateiktos vertės:

o kai Pt100 yra 150 omų:

Naudodami „Wheatstone“atsikratome nuolatinės srovės poslinkio ir padidiname jautrumą po amplifikacijos. Dabar, kai žinome, kaip veikia Wheatstone tiltas, galime kalbėti apie tai, kodėl mes naudojame 80 omų ir 3,3 khm. 80 omų yra paaiškinta iš aukščiau pateiktos formulės, pasirinkite šią vertę (mes tai vadinsime kompensavimo rezistoriumi Roff), kad ji būtų apatinė jūsų temperatūros diapazonas arba dar geriau, šiek tiek žemiau jūsų diapazono apačios, jei ji naudojama Jei norite reguliuoti temperatūros reguliavimo sistemas ar pan., norėtumėte sužinoti, kaip temperatūra nukrenta žemiau jūsų temperatūros diapazono. Taigi, jei jūsų diapazono apačioje yra -51,85C, naudokite 74,975 omų (-65 laipsnių C) „Roff“.

R1 ir R3 pasirinkau 3.3k dėl dviejų priežasčių, norėdamas apriboti srovę ir padidinti išvesties tiesiškumą. Kadangi PT100 keičia atsparumą dėl temperatūros, praleidus per daug srovės, dėl savaiminio įkaitimo bus gauti neteisingi rodmenys, todėl pasirinkau maksimalią 5-10 mA srovę. Kai PT100 yra 80 omų, srovė yra 1,775 mA, todėl jis yra saugiai žemiau maksimalaus diapazono. Jūs sumažinsite pasipriešinimą, kad padidintumėte jautrumą, tačiau tai gali turėti neigiamos įtakos tiesiškumui, nes vėliau naudosime tiesės lygtį (y = mx+c), turėdami netiesinę išvestį, atsiras klaidų. Trečioje nuotraukoje yra tilto išvesties grafikas, naudojant skirtingus viršutinius rezistorius, ištisinė linija yra faktinė išvestis, o punktyrinė linija - tiesinis apytikslis. Tamsiai mėlyname grafike (R1 ir R3 = 200 omų) matomas didžiausias įtampos diapazonas, tačiau išėjimas yra mažiausiai tiesinis. Šviesiai mėlyna spalva (R1 ir R3 = 3,3 khm) suteikia mažiausią įtampos diapazoną, tačiau punktyrinė linija ir vientisa linija sutampa, o tai rodo, kad jos tiesiškumas yra labai geras.

Nedvejodami pakeiskite šias vertes, kad jos atitiktų jūsų programą, taip pat, jei keičiate įtampą, įsitikinkite, kad srovė nėra per didelė.

3 žingsnis: stiprinimas

Paskutiniame žingsnyje mes nustatėme, kad dviejų atimtų įtampos skirstytuvų išėjimo diapazonas buvo nuo 0 iki 0, 1187, tačiau mes nekalbėjome apie tai, kaip atimti šias įtampas. Norėdami tai padaryti, mums reikia diferencinio stiprintuvo, kuris atims vieną įvestį iš kitos ir sustiprins tai stiprintuvu. Diferencinio stiprintuvo grandinė parodyta pirmame paveikslėlyje. Jūs įvedate Vb+ į apverstą įvestį ir Vb- į neinvertuojantį įėjimą, o išėjimas bus Vb+- Vb- su padidėjimu po vieną, ty be stiprinimo, bet pridėję paveikslėlyje parodytus rezistorius pridėsime 5,731 padidėjimą. Pelną suteikia:

Ra yra R5 ir R7, o Rb yra R6 ir R8, įtampą nurodo:

Yra tik dvi problemos, tiesiog prijungus šį stiprintuvą prie tilto išvesties, pakrovimo efekto ir keičiant stiprinimą. Jei norite pakeisti stiprintuvo stiprinimą, turite pakeisti bent du rezistorius, nes dvi poros rezistorių turi būti vienodi, todėl turėti du puodus, kurių vertė turi būti vienoda, būtų erzina, todėl naudosime tai, kas vadinama instrumentiniu stiprintuvu apie kurį kalbu žemiau. Apkrovos efektas yra įvesties rezistoriai į stiprintuvą, turintys įtakos įtampos kritimui per PT100, norime, kad įtampa per PT100 būtų nepakitusi, ir tai padarę galime pasirinkti labai didelius įėjimo rezistorių rezistorius, kad lygiagreti PT100 varža ir įvesties rezistorius yra labai arti PT100 pasipriešinimo, tačiau tai gali sukelti problemų dėl triukšmo ir įtampos išvesties, į kurią aš nesiruošiu. Tiesiog pasirinkite vidutinį diapazoną Kohms diapazone, bet kaip sakiau, mažų rezistorių turėjimas taip pat yra blogai, todėl mes šiek tiek pakeisime grandinę.

Antrame paveikslėlyje tilto išvestis yra prijungta prie prietaisų stiprintuvo, kuris veikia buferinį stiprintuvą, kad atskirtų dvi grandinių puses (tiltą ir stiprinimą), taip pat leidžia naudoti įvesties stiprinimą keičiant tik vieną potenciometrą (Rgainas). Prietaiso stiprintuvo stiprumą nustato:

kur Rc yra du 3,9 k rezistorius virš ir žemiau puodo.

Sumažinus Rgain, padidėjimas padidėja. Tada taške Va ir Vb (sustiprintas Vb+ ir Vb-) tai tik diferencinis stiprintuvas, kaip ir anksčiau, o bendras grandinės padidėjimas yra tik padidėjimas, padaugintas kartu.

Norėdami pasirinkti savo pelną, norite padaryti kažką panašaus į tai, ką darėme anksčiau su „Roff“, turėtume pasirinkti pasipriešinimą, kuris yra šiek tiek didesnis nei jūsų maksimali temperatūra jūsų diapazone, jei ji viršija. Kadangi mes naudojame „Arduino“, turintį 5 V adc, maksimali grandinės išvestis turėtų būti 5 V esant jūsų pasirinktai maksimaliai temperatūrai. Paimkime 150 omų kaip didžiausią varžą, o tilto įtampa be stiprinimo buvo 0,1187 V, mums reikalingas stiprinimas yra 42,185 (5/0,1187)

Tarkime, Ra, Rb ir Rc kaip 8,2k, 47k ir 3,9k, mums tereikia rasti puodo Rgain vertę:

Taigi, kad iš mūsų naudojamo temperatūros diapazono išeitų visi 5 voltai, pakeiskite Rgain vertę į 1,226 k. Išėjimo įtampą, išeinančią iš diferencinio stiprintuvo, nurodo:

4 žingsnis: įjunkite grandinę

Tai yra paskutinis grandinės žingsnis, galbūt pastebėjote „Vcc+“ir „Vcc“op stiprintuvo grandinėse, nes jiems reikia tiek teigiamos, tiek neigiamos įtampos, kad jos tinkamai veiktų, galite gauti vieno bėgio stiprintuvus, bet aš nusprendžiau naudoti šiuos stiprintuvus, nes aš taip gulėjau. Taigi mes tiekiame +6V ir -6V, tai galime padaryti trimis būdais. Pirmasis yra parodytas pirmame paveikslėlyje, kur mes turime du maitinimo šaltinius arba du išvesties gnybtus iš vieno maitinimo šaltinio, abu turi 6 V įtampą, o vienas teigiamas išėjimas yra prijungtas prie kito neigiamo. 6 V viršutinio maitinimo šaltinio bus mūsų +6 V, apatinio tiekimo teigiamas yra GND, o apatinio maitinimo šaltinio neigiamas yra -6 V. SUSIJUSI TIK KAIP ŠIAIS, JEI ATSIŽVELGIA DU TIEKIMŲ GND ARBA SUGALINA JŪSŲ MAITINIMĄ. Visi komerciniai maitinimo šaltiniai būtų atskirti GND, bet jei norite patikrinti, naudokite tęstinumo testerį savo multimetre, jei jis šurmuliuoja, nenaudokite šios sąrankos ir naudokite kitą. Darydamas naminį tiekimą, sudeginau saugiklį.

Antrame paveikslėlyje yra antroji sąranka, kurią galime turėti, ji reikalauja, kad vieno maitinimo šaltinio įtampa būtų dvigubai didesnė nei kitos, tačiau nepažeis maitinimo šaltinio, jei prijungti GND. Turime du maitinimo šaltinius: vieną esant 12 V, o kitą - 6 V. 12V veiks kaip mūsų +6V, 6V iš antrojo maitinimo šaltinio veiks kaip GND, o du faktiniai GND iš maitinimo šaltinio veiks kaip -6V.

Ši paskutinė sąranka skirta maitinimo šaltiniams, turintiems tik vieną išvestį. Jis naudoja buferinį stiprintuvą 1, kad sukurtų virtualų įžeminimą, perduodant pusę maitinimo įtampos per buferinį stiprintuvą. Tada 12V veiks kaip +6V, o tikrasis GND terminalas bus -6V.

Jei norite naudoti baterijas, siūlau pirmą sąranką, tačiau baterijų problema yra ta, kad įtampa sumažės, kai jos pradės mirti, o įtampa iš tilto taip pat sumažės, o tai parodys neteisingus temperatūros rodmenis. Žinoma, galite perskaityti baterijų įtampą ir įtraukti jas į skaičiavimus arba naudoti reguliatorius ir daugiau baterijų. Galų gale, tai priklauso nuo jūsų.

5 žingsnis: visa grandinė ir kodas

Visa grandinė parodyta aukščiau ir buvo sukurta naujose „Autodesk“grandinėse. „Circuits.io“, kuri leidžia jums sukurti grandines ant duonos lentos, redaguoti grandinės schemą (parodyta 2 paveiksle) ir PCB diagramas bei geriausią dalį, leidžia modeliuoti grandinę iš duonos lentos ir netgi galite užprogramuoti „Arduino“ir prijungti jį duonos lentos režimu, toliau puslapyje yra simuliacija ir galite žaisti su dviem puodais. Jei norite dubliuoti grandinę ir įvesti savo vertes, grandinę rasite čia. Pirmasis puodas yra 70 omų ir nuosekliai su 80 omų rezistoriumi, kuris imituoja PT100 su 80–150 omų diapazonu, antrasis indas yra prietaiso stiprintuvo padidėjimas. Deja, savo kodui naudojau biblioteką, kurią atsisiunčiau, todėl „Arduino“nėra įtraukta į žemiau esančią grandinę, tačiau reikia prijungti tik du papildomus laidus. Jei jums patogiau naudotis „LTspice“, į grandinę įtraukiau asc failą.

Prijunkite A0 kaištį prie diferencialo stiprintuvo išvesties

Prijunkite „Arduino“GND prie grandinės GND (NE -6V)

Ir tai grandinė padaryta, dabar prie kodo. Anksčiau minėjau, kad naudosime formulę y = mx+c, o dabar apskaičiuosime m (nuolydis) ir c (poslinkis). „Arduino“skaitysime įtampą, tačiau temperatūros lygčiai reikia žinoti PT100 atsparumą, todėl tai galime padaryti pakeisdami Serial.println (temp) į Serial.println (V) ir įrašydami įtampa ir atsparumas dviem temperatūroms. Atlikdami šį bandymą, palikite PT100 ramybėje kurį laiką, pavyzdžiui, minutę ar dvi ir laikykite atokiau nuo bet kokių šilumos šaltinių (saulės spindulių, nešiojamojo kompiuterio ventiliatoriaus, kūno ir pan.).

Pirmas dalykas, kurį galime nustatyti, yra kambario temperatūra, kai prijungta grandinė veikia ir veikia, įrašykite Arduino nuskaitytą įtampą (Vt1) į serijinį monitorių ir greitai atjunkite PT100 ir užfiksuokite jo atsparumą (Rt1). atjungdami rankas ant zondo, nes tai pakeis pasipriešinimą. Antros temperatūros atveju zondą galime įdėti į ledinį vandenį arba karštą vandenį (būkite atsargūs, jei naudojate karštą vandenį) ir pakartoti tai, ką darėme prieš surasdami Vt2 ir Rt2. Kai tik įdėsite zondą į skystį, palaukite minutę ar dvi, kol pasipriešins atsparumas. Jei jus domina PT100 atsakas į laiką, maždaug kas 2 sekundes užrašykite nuoseklaus monitoriaus įtampą, ir mes galime tai padaryti, ir aš tai paaiškinsiu vėliau. Naudodami dvi įtampas ir varžą, mes galime apskaičiuoti nuolydį taip:

Rt1 ir Rt2 yra varžos dviejose temperatūrose ir tas pats pasakytina apie įtampas Vt1 ir Vt2. Iš nuolydžio ir vieno iš dviejų jūsų įrašytų taškų rinkinių galime apskaičiuoti poslinkį:

C turėtų būti artimas jūsų tikrajam Roff, iš savo modeliavimo apskaičiavau šias vertes:

Iš šio pasipriešinimo galime sužinoti savo temperatūrą pagal formulę, kurią turėjome pradžioje:

Ir viskas, „Arduino“kodas yra žemiau, jei turite kokių nors problemų, tiesiog palikite komentarą ir aš pabandysiu padėti.

Nėra mano padarytos grandinės nuotraukų, kaip tai padariau prieš kurį laiką, ir nebeturiu PT100, kad galėčiau perdaryti ir išbandyti, bet jūs tiesiog turėsite patikėti, kad tai veikia. Radau daug apie „PT100“, skirtą „Instructables“, todėl aš padariau šį „ible“.

Kitame žingsnyje aš kalbėsiu apie PT100 reakciją į laiką ir, jei jums neįdomi matematika, matuojant temperatūros pokyčius, leiskite PT100 nusistovėti maždaug minutę prieš pradedant skaityti.

Jei jus domina kiti mano sukurti projektai, apsilankykite mano

Dienoraštis: Roboroblog

„YouTube“kanalas: Roboro

Arba pažiūrėkite į kitus mano nurodymus: čia

Jei HTML supainioja su žemiau esančiu kodu, kodas pridedamas

* Šis kodas apskaičiuoja temperatūrą naudojant PT100

* Parašė Roboro * Github: <a href = "https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href =" https://github.com/RonanB96/Read-Temp- Nuo-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

Taigi minėjau, kad PT100 reaguoja lėtai, tačiau bet kuriuo metu galime gauti formulę, skirtą dabartinei temperatūrai, kurią nuskaito PT100. PT100 atsakymas yra pirmosios eilės atsakymas, kurį galima parašyti Laplaso terminais, ty perdavimo funkcija, kaip:

kur tau (τ) yra laiko konstanta, K yra sistemos pelnas, o s yra Laplaso operatorius, kurį galima užrašyti kaip jω, kur ω yra dažnis.

Laiko konstanta nurodo, kiek laiko reikia, kad pirmosios eilės sistema nusistovėtų iki naujos vertės, ir taisyklė arba nykščio nuostata yra ta, kad 5*tau yra laikas, per kurį reikia nusistovėti naujoje pastovioje būsenoje. Stiprinimas K nurodo, kiek įvestis bus sustiprinta. Naudojant PT100, padidėjimas yra tai, kiek pasipriešinimo pokyčiai padalijami iš temperatūros pokyčių, iš dviejų duomenų lapų pasirinkus dvi atsitiktines vertes, gavau 0,3856 omų/C padidėjimą.

Prieš sakydamas, kad įtampą galite įrašyti kas 2 sekundes po to, kai zondas buvo įleistas į karštą ar šaltą skystį, iš to galime apskaičiuoti sistemos laiko konstantą. Pirmiausia turite nustatyti, kur yra pradžios ir pabaigos taškas, o pradžios taškas yra įtampa prieš dedant zondą į skystį, o galutinis taškas - kai jis nusistovi. Tada atimkite juos ir tai yra žingsnio įtampos pokytis, jūsų atliktas bandymas buvo žingsnis, kuris yra staigus įvesties į sistemą pasikeitimas, kai žingsnis yra temperatūra. Dabar savo grafike pereikite prie 63,2% įtampos pokyčio ir šis laikas yra laiko konstanta.

Jei prijungsite šią vertę prie perkėlimo funkcijos, turėsite formulę, apibūdinančią sistemų dažnio atsaką, bet dabar to nenorime, mes norime, kad tikroji temperatūra t metu būtų pakopos temperatūros, todėl mes einame kad reikia atlikti atvirkštinę Laplaso pakopos transformaciją į sistemą. Pirmosios eilės sistemos su žingsnio įvestimi perdavimo funkcija yra tokia:

Kur Ks yra žingsnio dydis, ty temperatūros skirtumas. Tarkime, zondas nusistovėjęs 20 ° C temperatūroje, įpilamas į vandenį 30 ° C temperatūroje, o zondo laiko konstanta yra 8s, perdavimo funkcija ir laiko srities formulė yra tokia:

Δ (t) reiškia tik impulsą, ty 20 ° C nuolatinės srovės poslinkį, šiuo atveju galite tiesiog parašyti 20 į savo lygtis. Tai yra standartinė žingsnio į pirmosios eilės sistemą lygtis:

Aukščiau aprašytas laikas apskaičiuoja temperatūrą t, tačiau tai veiks esant įtampai, nes jie yra proporcingi vienas kitam, jums reikia tik pradžios ir pabaigos vertės, laiko konstantos ir žingsnio dydžio. Svetainė, vadinama „Symbolab“, puikiai tinka patikrinti, ar jūsų matematika yra teisinga, ji gali atlikti „Laplace“, integraciją, diferenciaciją ir daugybę kitų dalykų, ir ji suteikia jums visus veiksmus. Aukščiau pateiktą atvirkštinę Laplaso transformaciją galite rasti čia.