Meranie teploty pomocou PT100 a Arduina: 16 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Cieľom tohto projektu je navrhnúť, postaviť a otestovať systém snímania teploty. Systém bol navrhnutý tak, aby meral teplotný rozsah 0 až 100 ° C. Na meranie teploty bol použitý PT100 a je to odporový teplotný detektor (RTD), ktorý mení svoj odpor v závislosti od teploty okolia.

Krok 1: Zariadenie

1x PT100

1x Breadboard

2x odpory 2,15 kohmov

1x odpor 100 ohmov

Drôty

Zdroj

Diferenciálny zosilňovač

Krok 2: O PT100

V rámci nášho projektu máme za úlohu zmerať teplotu okolia v rozmedzí od 0 stupňov do 100 stupňov Celzia. Pre použitie PT100 sme sa rozhodli z nasledujúcich dôvodov:

PT100 je odporový teplotný detektor (RTD), ktorý dokáže merať teploty od -200 stupňov do maximálne 850 stupňov Celzia, ale zvyčajne sa nepoužíva na meranie teplôt nad 200 stupňov. Tento sortiment vyhovuje našim požiadavkám.

Tento snímač vytvára odpor pre danú teplotu okolia. Vzťah medzi teplotou a odporom snímača je lineárny. To spolu s minimálnym nastavením, ktoré snímač vyžaduje, uľahčuje prácu s oltárom a jeho oltár, ak budú v budúcnosti potrebné ďalšie teplotné rozsahy.

PT100 má tiež pomalú dobu odozvy, ale je presný. Tieto charakteristiky nemajú veľký vplyv na náš cieľ, a preto neboli také vplyvné pri rozhodovaní, ktorý snímač teploty použiť.

Krok 3: Wheatstone Bridge

Pšeničný mostík sa používa na meranie neznámeho elektrického odporu vyvážením dvoch ramien mostného obvodu, z ktorých jedna noha obsahuje neznámy komponent.

Hlavnou výhodou obvodu je jeho schopnosť získať rozsah výstupného napätia, ktoré začína pri 0V.

Mohol by sa použiť jednoduchý delič napätia, ale nedovolil by nám zbaviť sa akéhokoľvek prítomného offsetu, čo by spôsobilo, že zosilnenie výstupu napätia je menej účinné.

Odpor v PT100 sa pohybuje od 100 do 138,5055 pri teplote 0 až 100 stupňov Celzia.

Vzorec pre most z pšeničného kameňa je uvedený nižšie, dá sa použiť na zmenu stupnice mostíka z pšeničného kameňa pre rôzne rozsahy získané z priloženej tabuľky pdf.

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

V našom scenári:

R2 bude náš odpor PT100.

R1 sa bude rovnať R3.

Aby bolo možné na výstupe 0 V pri 0 stupňoch Celzia použiť R4, musí byť rovný 100 ohm.

Nastavenie Vout na 0V a Vin na 5V nám umožňuje získať hodnoty odporu pre R1 a R2 = 2,2k ohmov.

Potom môžeme submenu v 138,5055 ohmoch na odpor senzora získať naše výstupné napätie pri 100 stupňoch Celzia = 80mV

Krok 4: Simulácia obvodu

Nástroj na simuláciu obvodov, OrCAD Capture, bol použitý na simuláciu nášho obvodu a nájdenie očakávaných výstupov napätia pri rôznych teplotách. To sa neskôr použije na porovnanie presnosti nášho systému.

Obvod bol simulovaný vykonaním analýzy prechodného času pomocou paramatického cyklu, ktorý menil odpor pt100 od 100 ohmov do 138,5055 ohmov v krokoch po 3,85055 ohm.

Krok 5: Simulované výsledky

Vyššie uvedené výsledky ukazujú lineárny vzťah výstupného napätia obvodu a hodnôt odporu.

Výsledky boli potom vložené do Excelu a vykreslené. Excel poskytuje lineárny vzorec spojený s týmito hodnotami. Potvrdenie linearity a rozsahu výstupného napätia senzora.

Krok 6: Vytvorenie obvodu

Obvod bol zostavený pomocou dvoch odporov 2,2 kOhm a odporu 100 ohmov.

Odpory majú toleranciu +-5%. Rôzne hodnoty odporu spôsobujú, že mostík je pri 0 stupňoch nevyvážený.

Paralelné odpory boli sériovo pridané k rezistoru 100 ohmov, aby sa pridalo nominálne množstvo odporu, aby sa R4 dostal čo najbližšie k 100 ohmom.

Výsledkom bolo výstupné napätie 0,00021 V, čo je veľmi blízko 0 V.

R1 je 2, 1638 ohmov a R3 je 2, 1572 ohmov. Je možné pripojiť viac rezistorov, aby boli R1 a R3 presne rovnaké, čím sa dosiahne dokonale vyvážený mostík.

možné chyby:

box s premenlivým odporom používaný na testovanie hodnôt rôznych teplôt mohol byť nepresný

Krok 7: Namerané výsledky

Namerané výsledky môžete vidieť nižšie.

Zmena teploty sa merala pomocou boxu s premenlivým odporom, aby sa odpor R2 nastavil na rôzne odpory, ktoré nájdete v technickom liste PT100.

Tu nájdený vzorec bude použitý ako súčasť kódu na určenie výstupu teploty.

Krok 8: Pre oveľa vyššie teplotné rozsahy

Ak je potrebné zaznamenať veľmi vysoké teploty, do obvodu by mohol byť zavedený termočlánok typu K. Termočlánok typu K môže merať teplotný rozsah -270 až 1370 stupňov Celzia.

Termočlánky pracujú na základe termoelektrického javu. Rozdiel teploty spôsobuje potenciálny rozdiel (napätie).

Pretože termočlánky pracujú na základe rozdielu dvoch teplôt, je potrebné poznať teplotu v referenčnom spoji.

Môžeme použiť dve metódy merania termočlánkami:

Na referenčný uzol je možné umiestniť snímač PT100 a merať referenčné napätie

Referenčný spoj termočlánku by mohol byť umiestnený v ľadovom kúpeli, ktorý by mal konštantnú teplotu 0 stupňov Celzia, ale bol by pre tento projekt nepraktický

Krok 9: Prehľad: Fáza diferenciálneho zosilňovača

Diferenciálny zosilňovač je neoddeliteľnou súčasťou konštrukcie. Diferenciálny zosilňovač kombinuje v zásade neinvertujúci a invertujúci zosilňovač do jedného obvodu. Samozrejme, ako každá konštrukcia, má svoje vlastné obmedzenia, ale ako bude ukázané v nasledujúcich krokoch, určite to pomôže dosiahnuť správny výstup 5V.

Krok 10: O diferenciálnom zosilňovači

Diferenciálny zosilňovač je operačný zosilňovač. Hrá kľúčovú úlohu v tomto obvodovom návrhu zosilnenia napäťového výstupu z Wheatstoneovho mostíka v mV na V a potom je načítaný ako napäťový vstup Arduino. Tento zosilňovač má dva napäťové vstupy a zosilňuje rozdiel medzi týmito dvoma signálmi. Toto sa nazýva vstup diferenčného napätia. Vstup diferenčného napätia je potom zosilnený zosilňovačom a možno ho pozorovať na výstupe zosilňovača. Vstupy zosilňovača sú získané z deličov napätia Wheatstoneovho mosta v predchádzajúcej časti.

Krok 11: Výhody a obmedzenia

Diferenciálny zosilňovač má svoj vlastný podiel kladov a záporov. Hlavnou výhodou použitia takého zosilňovača je ľahká konštrukcia. Vďaka tejto jednoduchej konštrukcii je jednoduchšie a efektívnejšie riešenie problémov s obvodom.

Nevýhody použitia takéhoto obvodu spočívajú v tom, že na nastavenie zosilnenia zosilňovača musia byť odpory určujúce zisk (spätnoväzbový odpor a uzemňovací odpor) vypnuté, čo môže byť časovo náročné. Za druhé, operačný zosilňovač má relatívne nízky CMRR (pomer odmietnutia spoločného režimu), ktorý nie je ideálny na zmiernenie vplyvu vstupného ofsetového napätia. V konfigurácii, ako je naša, je teda vysoká CMRR zásadná pri zmierňovaní účinkov ofsetového napätia.

Krok 12: Výber požadovaného zosilnenia výstupu

Operačný zosilňovač obsahuje 4 odpory pripojené k obvodu. 2 zodpovedajúce odpory na napäťových vstupoch, ďalší pripojený k zemi a odpor so spätnou väzbou. Tieto dva odpory slúžia ako vstupná impedancia operačného zosilňovača. Obvykle by mal stačiť odpor v rozsahu 10-100 kilohmov, ale akonáhle sú tieto odpory nastavené, zisk je možné určiť tak, že požadovaný výstupný zisk sa nechá rovnať pomeru odporu spätnej väzby k vstupnému odporu na jednom zo vstupov. (Rf/Rin).

Zemniaci odpor a spätnoväzbový odpor sú zhodné. Toto sú odpory určujúce zisk. Tým, že má vysokú vstupnú impedanciu, minimalizuje účinky zaťaženia na obvode, t. J. Zabraňuje prechodu veľkého množstva prúdu zariadením, ktoré môže mať v prípade nekontrolovaného ničivé účinky.

Krok 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino je programovateľný mikrokontrolér s digitálnymi a analógovými vstupno -výstupnými portami. Mikrokontrolér bol naprogramovaný tak, aby čítal napätie zo zosilňovača prostredníctvom analógového vstupného kolíka. Arduino najskôr odčíta napätie z výstupného rozsahu obvodu 0-5 V a prevedie ho na 0-1023 DU a hodnotu vytlačí. Ďalej sa analógová hodnota vynásobí 5 a vydelí 1023, aby sa získala hodnota napätia. Táto hodnota sa vynásobí 20, aby sa získala presná stupnica pre teplotný rozsah od 0 do 100 ° C.

Aby sa získali hodnoty posunu a citlivosti, odčítali sa hodnoty zo vstupného kolíka na A0 s rôznymi hodnotami pre PT100 a graf sa vykreslil na získanie lineárnej rovnice.

Použitý kód:

void setup () {Serial.begin (9600); // spustite sériové pripojenie k počítaču

pinMode (A0, INPUT); // k tomuto pinu bude pripojený výstup zo zosilňovača

}

prázdna slučka ()

{float offset = 6,4762;

citlivosť plaváka = 1,9971;

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

Serial.print ("Analógová hodnota:");

Serial.println (AnalogValue); // vytlačte vstupnú hodnotu

oneskorenie (1000);

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

Serial.print ("Digitálna hodnota:");

Serial.println (DigitalValue); // hodnota analógového napätia

float temp = (AnalogValue - offset)/citlivosť;

Serial.print ("Hodnota teploty:");

Serial.println (temp); // teplota tlace

oneskorenie (5 000);

}

Krok 14: Riešenie problémov

Napájanie 15 V do operačného zosilňovača a 5 V do pšeničného mostíka a arduina musí mať spoločný základ. (Všetky hodnoty 0v je potrebné prepojiť.)

Voltmetr môže byť použitý na zaistenie poklesu napätia po každom odpore, aby sa zaistilo, že nedôjde k skratom.

Ak sa výsledky líšia a sú nekonzistentné, použité vodiče je možné testovať pomocou voltmetra na meranie odporu vodiča. Ak odpor udáva „offline“, znamená to, že existuje nekonečný odpor a vodič má otvorený obvod.

Vodiče by mali byť menšie ako 10 ohmov.

Rozdiel napätia na moste z pšeničného kameňa by mal byť 0 V v minimálnom rozsahu teplotného rozsahu, ak nie je most vyvážený, môže to byť spôsobené:

odpory majú toleranciu, čo znamená, že môžu mať chybu, ktorá môže spôsobiť nevyváženosť mostíka z pšeničného kameňa, odpory je možné skontrolovať voltmetrom, ak je odstránený z obvodu. na vyváženie mosta je možné pridať menšie odpory sériovo alebo paralelne.

Séria = r1+r2

1/Rparallel = 1/r1 + 1/r2

Krok 15: Zmena mierky

Vzorec a spôsob zmeny stupnice systému na inú teplotu nájdete v časti mosta z pšeničného kameňa. Akonáhle sú tieto hodnoty nájdené a obvod je nastavený:

PT100 by mal byť nahradený odporovým boxom, hodnoty odporu by mali byť upravené z nového teplotného rozsahu pomocou príslušných hodnôt odporu získaných z priloženého pdf.

Namerané napätie a odpory by mali byť vynesené v Exceli s teplotou (odporom) na osi x a napätím na y.

Z tohto grafu bude daný vzorec, posun bude konštanta, ktorá sa sčíta, a citlivosť bude číslo vynásobené x.

Tieto hodnoty by ste mali v kóde zmeniť a systém ste úspešne zmenili.

Krok 16: Nastavenie Arduina

pripojte výstup obvodového zosilňovača k vstupnému kolíku A0 Arduina

Pripojte Arduino Nano cez USB port na PC.

prilepte kód do pracovného priestoru skici Arduino.

Zostavte kód.

Vyberte položku Nástroje> Doska> Vyberte Arduino Nano.

Vyberte položku Nástroje> Port> Vyberte port COM.

Nahrajte kód do Arduina.

Digitálna hodnota na výstupe je napäťový výstup operačného zosilňovača (mal by byť 0-5V)

Hodnota teploty je teplota systému čítaná v stupňoch Celzia.