Měření teploty pomocí PT100 a Arduina: 16 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Cílem tohoto projektu je navrhnout, postavit a vyzkoušet systém snímání teploty. Systém byl navržen tak, aby měřil teplotní rozsah 0 až 100 ° C. K měření teploty byl použit PT100 a je to odporový teplotní detektor (RTD), který mění svůj odpor v závislosti na okolní teplotě.

Krok 1: Zařízení

1x PT100

1x prkénko

2x 2,15 kohms odpory

1x odpor 100 ohmů

Dráty

Zdroj napájení

Diferenciální zesilovač

Krok 2: O PT100

V rámci našeho projektu máme za úkol změřit okolní teplotu v rozmezí od 0 stupňů do 100 stupňů Celsia. Pro použití PT100 jsme se rozhodli z následujících důvodů:

PT100 je odporový teplotní detektor (RTD), který dokáže měřit teploty od -200 stupňů do maximálně 850 stupňů Celsia, ale obvykle se nepoužívá k měření teplot nad 200 stupňů. Tato řada vyhovuje našim požadavkům.

Tento senzor vytváří odpor pro danou okolní teplotu. Vztah mezi teplotou a odporem snímače je lineární. To spolu s minimálním nastavením, které snímač vyžaduje, usnadňuje práci s oltářem, pokud jsou v budoucnu zapotřebí další teplotní rozsahy.

PT100 má také pomalou dobu odezvy, ale je přesný. Tyto charakteristiky nemají velký vliv na náš cíl, a proto nebyly tak vlivné při rozhodování, které teplotní čidlo použít.

Krok 3: Wheatstone Bridge

Pšeničný most se používá k měření neznámého elektrického odporu vyvážením dvou ramen mostního obvodu, z nichž jedna noha obsahuje neznámou součást.

Primární výhodou obvodu je jeho schopnost získat rozsah výstupního napětí, které začíná na 0V.

Mohl by být použit jednoduchý dělič napětí, ale nedovolil by nám zbavit se všech přítomných ofsetů, což by zesilovalo výstup napětí méně efektivní.

Odpor v PT100 se pohybuje od 100 do 138,5055 pro teplotu 0 až 100 stupňů Celsia.

Vzorec pro můstkový můstek je níže, lze jej použít pro změnu měřítka pšeničného můstku pro různé rozsahy získané z přiložené tabulky pdf.

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

V našem scénáři:

R2 bude náš odpor PT100.

R1 se bude rovnat R3.

Aby mohl být výstup 0 V při 0 stupních Celsia, musí být R4 roven 100 ohmům.

Nastavení Vout na 0 V a Vin na 5 V nám umožňuje získat hodnoty odporu pro R1 a R2 = 2,2 k ohmů.

Potom můžeme sub 138,5055 ohmů pro odpor senzoru, abychom získali naše výstupní napětí při 100 stupních Celsia = 80 mV

Krok 4: Simulace obvodu

Nástroj pro simulaci obvodů, OrCAD Capture, byl použit k simulaci našeho obvodu a nalezení očekávaných výstupů napětí při různých teplotách. To bude použito později k porovnání, jak přesný byl náš systém.

Obvod byl simulován provedením analýzy přechodného času s paramatickým rozmítáním, které měnilo odpor pt100 od 100 ohmů do 138,5055 ohmů v krocích po 3,85055 ohmů.

Krok 5: Simulované výsledky

Výše uvedené výsledky ukazují lineární vztah výstupního napětí obvodu a hodnoty odporu.

Výsledky byly poté vloženy do Excelu a vykresleny. Excel poskytuje lineární vzorec spojený s těmito hodnotami. Potvrzení linearity a rozsahu výstupního napětí snímače.

Krok 6: Vytvoření obvodu

Obvod byl sestaven pomocí dvou odporů 2,2 k ohmů a odporu 100 ohmů.

Rezistory mají toleranci +-5%. Různé hodnoty odporu způsobují nevyváženost můstku při 0 stupních.

Paralelní rezistory byly přidány do série k rezistoru 100 ohmů, aby se přidalo nominální množství odporu, aby se R4 dostal co nejblíže 100 ohmům.

Výsledkem bylo výstupní napětí 0,00021 V, což je extrémně blízko 0 V.

R1 je 2, 1638 ohmů a R3 je 2, 1572 ohmů. Mohlo by být připojeno více odporů, aby byly R1 a R3 přesně stejné, což poskytne dokonale vyvážený most.

možné chyby:

proměnný odporový box používaný k testování hodnot různých teplot může být nepřesný

Krok 7: Naměřené výsledky

Naměřené výsledky můžete vidět níže.

Změna teploty byla měřena pomocí boxu s proměnným odporem, aby se nastavil odpor R2 na různé odpory, které lze nalézt v technickém listu PT100.

Zde nalezený vzorec bude použit jako součást kódu pro určení výstupu teploty.

Krok 8: Pro mnohem větší teplotní rozsahy

Pokud je třeba zaznamenávat velmi vysoké teploty, mohl by být do obvodu zaveden termočlánek typu K. Termočlánek typu K může měřit teplotní rozsah -270 až 1370 stupňů Celsia.

Termočlánky pracují na základě termoelektrického jevu. Rozdíl teplot vytváří potenciální rozdíl (napětí).

Protože termočlánky pracují na základě rozdílu dvou teplot, je třeba znát teplotu v referenčním spoji.

Mohli bychom použít dvě metody měření termočlánky:

Na referenční křižovatku by mohl být umístěn snímač PT100 a změřit referenční napětí

Referenční křižovatka termočlánku by mohla být umístěna v ledové lázni, která by měla konstantní 0 stupňů Celsia, ale byla by pro tento projekt nepraktická

Krok 9: Přehled: Fáze diferenciálního zesilovače

Diferenční zesilovač je nedílnou součástí konstrukce. Diferenciální zesilovač kombinuje v podstatě neinvertující a invertující zesilovač do jednoho obvodu. Samozřejmě, jako u každé sestavy, má své vlastní omezení, ale jak bude ukázáno v následujících několika krocích, rozhodně pomáhá získat správný výstup 5V.

Krok 10: O diferenciálním zesilovači

Diferenční zesilovač je operační zesilovač. Hraje klíčovou roli v tomto návrhu obvodu zesílení napěťového výstupu z Wheatstoneova můstku v mV na V a poté je načten jako napěťový vstup Arduino. Tento zesilovač má dva napěťové vstupy a zesiluje rozdíl mezi těmito dvěma signály. Toto se nazývá vstup diferenciálního napětí. Vstup diferenčního napětí je pak zesilovačem zesílen a lze jej pozorovat na výstupu zesilovače. Vstupy zesilovače jsou získány z děličů napětí Wheatstoneova můstku v předchozí části.

Krok 11: Výhody a omezení

Diferenciální zesilovač má svůj vlastní podíl kladů a záporů. Hlavní výhodou použití takového zesilovače je snadná konstrukce. Díky této snadné konstrukci usnadňuje a zefektivňuje řešení problémů s obvodem.

Nevýhody použití takového obvodu spočívají v tom, že k nastavení zesílení zesilovače musí být vypnuty oba rezistory určující zisk (zpětnovazební odpor a zemnící odpor), což může být časově náročné. Za druhé, operační zesilovač má relativně nízkou CMRR (poměr odmítnutí společného režimu), což není ideální pro zmírnění vlivu vstupního ofsetového napětí. V konfiguraci, jako je ta naše, je tedy vysoká CMRR zásadní pro zmírnění účinků ofsetového napětí.

Krok 12: Výběr požadovaného zesílení výstupu

Operační zesilovač obsahuje 4 odpory připojené k obvodu. 2 shodné odpory na napěťových vstupech, další připojený k zemi a odpor zpětné vazby. Tyto dva odpory slouží jako vstupní impedance operačního zesilovače. Obvykle by měl stačit odpor v rozsahu 10-100 kilohmů, ale jakmile jsou tyto odpory nastaveny, zisk lze určit tak, že požadovaný výstupní zisk se rovná poměru zpětnovazebního odporu ke vstupnímu rezistoru na jednom ze vstupů (Rf/Rin).

Zemnící odpor a zpětnovazební odpor jsou shodné. Toto jsou rezistory určující zisk. Tím, že má vysokou vstupní impedanci, minimalizuje účinky zatížení na obvod, tj. Brání velkému množství proudu procházet zařízením, což může mít zničující účinky, pokud je nekontrolované.

Krok 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino je programovatelný mikrokontrolér s digitálními a analogovými I/O porty. Mikrokontrolér byl naprogramován tak, aby odečítal napětí ze zesilovače přes analogový vstupní kolík. Nejprve Arduino načte napětí z výstupního rozsahu obvodu 0-5 V a převede jej na 0-1023 DU a hodnotu vytiskne. Dále se analogová hodnota vynásobí 5 a vydělí 1023, aby se získala hodnota napětí. Tato hodnota se vynásobí číslem 20, čímž se získá přesná stupnice pro teplotní rozsah od 0 do 100 ° C.

Aby se získaly hodnoty offsetu a citlivosti, byly naměřeny hodnoty ze vstupního pinu na A0 s různými hodnotami pro PT100 a graf byl vykreslen pro získání lineární rovnice.

Použitý kód:

neplatné nastavení () {Serial.begin (9600); // spusťte sériové připojení k počítači

pinMode (A0, INPUT); // k tomuto pinu bude připojen výstup ze zesilovače

}

prázdná smyčka ()

{float offset = 6,4762;

plovoucí citlivost = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Přečtěte si vstup na A0

Serial.print ("Analogová hodnota:");

Serial.println (AnalogValue); // vytiskne vstupní hodnotu

zpoždění (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul o 5, aby byl rozsah 0-100 stupňů

Serial.print ("Digitální hodnota:");

Serial.println (DigitalValue); // hodnota analogového napětí

float temp = (AnalogValue - offset)/citlivost;

Serial.print ("Hodnota teploty:");

Serial.println (temp); // tisk tepl

zpoždění (5000);

}

Krok 14: Řešení potíží

Napájení 15 V do operačního zesilovače a 5 V do můstku a arduina musí mít společný základ. (Všechny hodnoty 0v je třeba spojit dohromady.)

Voltmetr lze použít k zajištění poklesu napětí po každém odporu, což pomůže zajistit, aby nedošlo ke zkratu.

Pokud se výsledky liší a jsou nekonzistentní, lze použité vodiče otestovat pomocí voltmetru k měření odporu vodiče, pokud odpor udává „offline“, znamená to, že existuje nekonečný odpor a vodič má otevřený obvod.

Vodiče by měly být menší než 10 ohmů.

Rozdíl napětí na můstku z pšeničného kamene by měl být 0 V v minimálním rozsahu teplotního rozsahu, pokud most není vyvážený, může to být proto, že:

odpory mají toleranci, což znamená, že mohou mít chybu, která může způsobit nevyváženost můstku z pšeničného kamene, odpory lze zkontrolovat voltmetrem, pokud je odstraněn z obvodu. menší odpory by mohly být přidány v sérii nebo paralelně k vyvážení můstku.

Série = r1+r2

1/Rparallel = 1/r1 + 1/r2

Krok 15: Změna měřítka

Vzorec a způsob převzorkování systému na jinou teplotu najdete v sekci můstku z pšeničného kamene. Jakmile jsou tyto hodnoty nalezeny a obvod je nastaven:

PT100 by měl být nahrazen odporovým boxem. Hodnoty odporu by měly být upraveny z nového teplotního rozsahu pomocí příslušných hodnot odporu získaných z přiloženého pdf.

Naměřené napětí a odpory by měly být vyneseny v excelu s teplotou (odporem) na ose x a napětím na y.

Z tohoto grafu bude dán vzorec, offset bude konstanta, která se přičte, a citlivost bude číslo vynásobené x.

Tyto hodnoty by měly být v kódu změněny a úspěšně jste změnili měřítko systému.

Krok 16: Nastavení Arduina

připojte výstup obvodového zesilovače ke vstupnímu pinu A0 Arduina

Připojte Arduino Nano přes USB port na PC.

vložte kód do pracovního prostoru skici Arduino.

Zkompilujte kód.

Vyberte Nástroje> Deska> Vyberte Arduino Nano.

Vyberte Nástroje> Port> Vybrat port COM.

Nahrajte kód do Arduina.

Výstupní digitální hodnota je napěťový výstup operačního zesilovače (měl by být 0-5 V)

Hodnota teploty je teplota systému odečtená ve stupních Celsia.