Temperatuuri mõõtmine PT100 ja Arduino abil: 16 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

Selle projekti eesmärk on kavandada, ehitada ja katsetada temperatuuri andvat süsteemi. Süsteem on mõeldud temperatuurivahemiku 0 kuni 100 ° C mõõtmiseks. Temperatuuri mõõtmiseks kasutati PT100 ja see on takistustemperatuuri detektor (RTD), mis muudab oma takistust sõltuvalt ümbritsevast temperatuurist.

Samm: aparatuur

1x PT100

1x leivalaud

2x 2,15 kohmi takistit

1x 100 oomi takisti

Juhtmed

Toiteallikas

Diferentsiaalvõimendi

2. samm. Teave PT100 kohta

Projekti raames on meie ülesandeks mõõta ümbritseva õhu temperatuuri vahemikus 0 kuni 100 kraadi Celsiuse järgi. Otsustasime PT100 kasutada järgmistel põhjustel.

PT100 on takistustemperatuuri detektor (RTD), mis suudab mõõta temperatuure vahemikus -200 kuni maksimaalselt 850 kraadi Celsiuse järgi, kuid tavaliselt ei kasutata seda temperatuuride mõõtmiseks üle 200 kraadi. See valik vastab meie nõuetele.

See andur tekitab teatud ümbritseva temperatuuri jaoks takistuse. Anduri temperatuuri ja takistuse suhe on lineaarne. See koos minimaalse seadistusega, mida andur nõuab, hõlbustab töötamist ja altarit, kui tulevikus on vaja muid temperatuurivahemikke.

PT100 -l on ka aeglane reageerimisaeg, kuid see on täpne. Need omadused ei mõjuta oluliselt meie eesmärki ega ole seega nii mõjukad, kui otsustatakse, millist temperatuuriandurit kasutada.

3. samm: Wheatstone'i sild

Nisukivi silda kasutatakse tundmatu elektritakistuse mõõtmiseks, tasakaalustades sildahela kahte jalga, mille üks jalg sisaldab tundmatut komponenti.

Vooluahela peamine eelis on selle võime saada vahemik väljundpinget, mis algab 0 V -st.

Võib kasutada lihtsat pingejaoturit, kuid see ei võimalda meil vabaneda olemasolevast nihest, mis muudaks väljundpinge võimendamise vähem tõhusaks.

PT100 takistus varieerub vahemikus 100 kuni 138,5055 temperatuuril 0 kuni 100 kraadi Celsiuse järgi.

Nisukivisilla valem on allpool, selle abil saab nisukivisilda skaleerida erinevate vahemike jaoks, mis on saadud lisatud pdf -tabelist.

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

Meie stsenaariumi järgi:

R2 on meie PT100 takistus.

R1 on võrdne R3 -ga.

R4 peab olema võrdne 100 oomiga, et väljund 0 V temperatuuril 0 kraadi.

Seades Vout väärtuseks 0V ja Vin väärtuseks 5V võimaldab meil vastupanu saada väärtused R1 ja R2 = 2,2k oomi.

Seejärel saame anduri takistuse korral sisse lülitada 138,5055 oomi, et saada oma väljundpinge 100 kraadi Celsiuse järgi = 80 mV

Samm: vooluahela simuleerimine

Ahelate simuleerimise tööriista OrCAD Capture kasutati meie vooluahela simuleerimiseks ja oodatavate pingeväljundite leidmiseks erinevatel temperatuuridel. Seda kasutataks hiljem meie süsteemi täpsuse võrdlemiseks.

Vooluahelat simuleeriti, tehes mööduvat ajaanalüüsi paramaatilise pühkimisega, mis muutis pt100 takistust vahemikus 100 oomi kuni 138,5055 oomi sammuga 3,85055 oomi.

Samm: simuleeritud tulemused

Ülaltoodud tulemused näitavad ahela väljundpinge ja takistuse väärtuste lineaarset suhet.

Seejärel sisestati tulemused Excelisse ja joonistati. Excel pakub nende väärtustega seotud lineaarse valemi. Anduri lineaarsuse ja väljundpinge vahemiku kinnitamine.

6. samm: ahela loomine

Vooluahel pandi kokku, kasutades kahte 2,2 kΩ takistit ja 100 oomi takistit.

Takistite tolerants on +-5%. Erinevad takistuse väärtused põhjustavad silla tasakaalustamatuse 0 kraadi juures.

Paralleeltakistid lisati 100 oomi takistile järjestikku, et lisada nominaalseid takistusi, et saada R4 võimalikult 100 oomi lähedale.

See andis väljundpinge 0,00021V, mis on äärmiselt lähedal 0V -le.

R1 on 2, 1638 oomi ja R3 on 2, 1572 oomi. Võiks ühendada rohkem takistit, et R1 ja R3 oleksid täpselt võrdsed, andes ideaalselt tasakaalustatud silla.

võimalikud vead:

erinevate temperatuuride väärtuste testimiseks kasutatav muutuva takisti karp võis olla ebatäpne

7. samm: mõõdetud tulemused

Mõõdetud tulemusi saab näha allpool.

Temperatuuri muutust mõõdeti muutuva takisti kasti abil, et seada R2 takistus erinevatele takistustele, mida võib leida PT100 andmelehelt.

Siin leiduvat valemit kasutatakse koodi osana väljundtemperatuuri määramiseks.

Samm: palju suuremate temperatuurivahemike jaoks

Kui on vaja registreerida väga kõrgeid temperatuure, võib vooluringi viia K -tüüpi termopaari. K -tüüpi termopaar võib mõõta temperatuurivahemikku -270 kuni 1370 kraadi Celsiuse järgi.

Termopaarid töötavad termoelektrilise efekti alusel. Temperatuuri erinevus tekitab potentsiaalide erinevuse (pinge).

Kuna termopaarid töötavad kahe temperatuuri erinevuse põhjal, on vaja teada võrdluspunkti temperatuuri.

Termopaaridega mõõtmiseks on kaks meetodit:

Võrdlussõlmele võib paigutada PT100 anduri, mis mõõdab võrdluspinget

Termopaari võrdluspunkti võib paigutada jäävanni, mis oleks konstantne 0 kraadi Celsiuse järgi, kuid oleks selle projekti jaoks ebapraktiline

9. samm: ülevaade: diferentsiaalvõimendi etapp

Diferentsiaalvõimendi on ehituse lahutamatu osa. Diferentsiaalvõimendi ühendab sisuliselt mitteinverteeriva ja inverteeriva võimendi üheks vooluahelaks. Muidugi, nagu igal ehitamisel, on sellel ka oma piirangud, kuid nagu järgnevatel sammudel näidatakse, aitab see kindlasti 5V õige väljundi saamisel.

Samm 10: Diferentsiaalvõimendi kohta

Diferentsiaalvõimendi on operatsioonivõimendi. See mängib võtmerolli selles vooluahela konstruktsioonis, võimendades Wheatstone'i silla väljundpinget mV -st V -ni ja seejärel loetakse Arduino pingesisendiks. See võimendi võtab kaks pingesisendit ja võimendab kahe signaali erinevust. Seda nimetatakse diferentsiaalpinge sisendiks. Seejärel võimendaja võimendab diferentsiaalpinge sisendit ja seda saab jälgida võimendi väljundis. Võimendi sisendid saadakse eelmise osa Wheatstone'i silla pingejaoturitest.

Samm: eelised ja piirangud

Diferentsiaalvõimendil on oma osa plusse ja miinuseid. Sellise võimendi kasutamise peamine eelis on ehituse lihtsus. Selle lihtsa ehituse tulemusena muudab see vooluahelaga seotud tõrkeotsingu probleemid lihtsamaks ja tõhusamaks.

Sellise vooluahela kasutamise miinused on see, et võimendi võimenduse reguleerimiseks tuleb võimendust määravad takistid (tagasiside takistus ja maandusega ühendatud takisti) mõlemad välja lülitada, mis võib olla aeganõudev. Teiseks on op-võimendil suhteliselt madal CMRR (ühisrežiimi tagasilükkamissuhe), mis ei ole ideaalne sisendpinge mõju vähendamiseks. Seega sellises konfiguratsioonis nagu meie, on kõrge CMRR omamine nihkepinge mõju leevendamiseks hädavajalik.

12. samm: soovitud väljundvõimendi valimine

Op-ampil on 4 vooluahelaga ühendatud takistit. 2 sobitatud takistit pingesisenditel, teine maandusega ühendatud ja tagasiside takisti. Need kaks takistit on op-amp sisendtakistus. Tavaliselt peaks piisama takistist vahemikus 10–100 kilomeetrit, kuid kui need takistid on seadistatud, saab võimendust määrata, lastes soovitud väljundvõimendusel võrdseks tagasiside takisti ja sisendtakisti suhtega ühel sisendil (Rf/Rin).

Maandusega ühendatud takisti ja tagasiside takisti on sobitatud. Need on võimendust määravad takistid. Kõrge sisendtakistusega minimeerib see koormuse mõju vooluringile, st takistab suure vooluhulga juhtimist läbi seadme, millel võib olla kontrollimatu laastav mõju.

Samm 13: ARDUINO MIKROKONTROLLER

Arduino on programmeeritav mikrokontroller, millel on digitaalsed ja analoogsed I/O pordid. Mikrokontroller oli programmeeritud lugema pinget võimendist analoogsisendi abil. Esiteks loeb Arduino pinge vooluahela väljundvahemikust 0-5 V ja teisendab selle väärtuseks 0-1023 DU ning prindib selle väärtuse. Seejärel korrutatakse analoogväärtus 5 -ga ja jagatakse 1023 -ga, et saada pinge väärtus. See väärtus korrutatakse 20-ga, et saada temperatuurivahemiku 0-100 ° C täpne skaala.

Nihke ja tundlikkuse väärtuste saamiseks võeti A0 sisendpoldi näidud PT100 jaoks erinevate väärtustega ja joonistati graafik lineaarvõrrandi saamiseks.

Kasutatud kood:

void setup () {Serial.begin (9600); // käivitage arvutiga jadaühendus

pinMode (A0, INPUT); // võimendi väljund ühendatakse selle tihvtiga

}

tühine tsükkel ()

{float offset = 6,4762;

ujuki tundlikkus = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Lugege sisendit A0 -l

Serial.print ("Analoogväärtus:");

Serial.println (AnalogValue); // sisendväärtuse printimine

viivitus (1000);

float DigitalValue = (Analoogväärtus * 5) / (1023); // mul 5, et saada vahemik 0-100 kraadi

Serial.print ("Digitaalne väärtus:");

Serial.println (DigitalValue); // analoogpinge väärtus

float temp = (AnalogValue - nihe)/tundlikkus;

Serial.print ("Temperatuuri väärtus:");

Serial.println (temp); // printimise temp

viivitus (5000);

}

14. samm: tõrkeotsing

15 V toite op-võimendile ja 5 V nisukivisillale ja arduinole peab olema ühine. (kõik 0v väärtused tuleb omavahel ühendada.)

Voltmeetrit saab kasutada veendumaks, et pinge langeb pärast iga takisti, et vältida lühiste tekkimist.

Kui tulemused on erinevad ja ebajärjekindlad, saab kasutatud juhtmeid testida, kasutades voltmeetrit juhtme takistuse mõõtmiseks. Kui takistus ütleb "offline", tähendab see, et takistus on lõpmatu ja juhtmel on avatud ahel.

Juhtmed peaksid olema alla 10 oomi.

Pinge erinevus nisukivisillal peaks temperatuurivahemiku minimaalses vahemikus olema 0 V, kui sild ei ole tasakaalus, võib see olla tingitud järgmistest põhjustest:

takistitel on tolerants, mis tähendab, et neil võib olla viga, mis võib põhjustada nisukivisilla tasakaalustamatuse, takistusi saab kontrollida voltmeetriga, kui see vooluringist eemaldada. silla tasakaalustamiseks võiks järjestikku või paralleelselt lisada väiksemaid takistusi.

R -seeria = r1+r2

1/Paralleel = 1/r1 + 1/r2

15. samm: skaleerimine uuesti

Valem ja meetod süsteemi skaleerimiseks erineva temperatuuri jaoks leiate nisukivi sillaosast. Kui need väärtused on leitud ja ahel on seadistatud:

PT100 tuleks asendada takisti kastiga. Takistuse väärtusi tuleks uuest temperatuurivahemikust reguleerida, kasutades lisatud pdf -ist saadud vastavaid takistuste väärtusi.

Mõõdetud pinge ja takistused ning need tuleks joonistada Excelis, temperatuur (takistus) x -teljel ja pinge y -l.

Sellest graafikust antakse valem, nihkeks on lisatud konstant ja tundlikkus on arv, mis korrutatakse x -ga.

Neid väärtusi tuleks koodil muuta ja olete süsteemi edukalt skaleerinud.

16. samm: Arduino seadistamine

ühendage vooluahela võimendi väljund Arduino A0 sisendpoldiga

Ühendage Arduino Nano arvuti USB -pordi kaudu.

kleepige kood Arduino visandi tööruumi.

Koostage kood.

Valige Tööriistad> Tahvel> Valige Arduino Nano.

Valige Tools> Port> COM port.

Laadige kood Arduinole üles.

Väljastatud digitaalne väärtus on op-võimendi väljundpinge (peaks olema 0–5 V)

Temperatuuri väärtus on süsteemide loetud temperatuur Celsiuse järgi.