Измерване на температурата с помощта на PT100 и Arduino: 16 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Целта на този проект е да се проектира, изгради и тества система за измерване на температурата. Системата е проектирана да измерва температурен диапазон от 0 до 100 ° C. За измерване на температурата беше използван PT100, който представлява съпротивителен температурен детектор (RTD), който променя съпротивлението си в зависимост от температурата на околната среда.

Стъпка 1: Апарат

1x PT100

1x платка

2x 2,15 kohms резистора

1x 100 ома резистор

Проводници

Захранване

Диференциален усилвател

Стъпка 2: За PT100

Като част от нашия проект ние имаме задача да измерваме температурата на околната среда в диапазона от 0 градуса до 100 градуса по Целзий. Решихме да използваме PT100 поради следните причини:

PT100 е терморезистентен детектор (RTD), който може да измерва температури от -200 градуса до максимум 850 градуса по Целзий, но обикновено не се използва за измерване на температури над 200 градуса. Тази гама отговаря на нашите изисквания.

Този сензор произвежда съпротивление за дадена околна температура. Връзката между температурата и съпротивлението на сензора е линейна. Това, заедно с минималната настройка, която сензорът изисква, улеснява работата и олтара, ако в бъдеще са необходими други температурни диапазони.

PT100 също има бавно време за реакция, но е точен. Тези характеристики нямат голямо влияние върху целта ни и следователно не са толкова влиятелни при вземането на решение кой температурен сензор да използваме.

Стъпка 3: Мост от Уитстоун

Мостът от пшеничен камък се използва за измерване на неизвестно електрическо съпротивление чрез балансиране на два крака на мостова верига, единият от които включва неизвестния компонент.

Основното предимство на веригата е нейната способност да получава диапазон на изходното напрежение, което започва от 0V.

Може да се използва обикновен делител на напрежение, но не би ни позволил да се отървем от всяко налично отместване, което би направило усилването на изходното напрежение по -малко ефективно.

Съпротивлението в PT100 варира от 100 до 138.5055 при температура от 0 до 100 градуса по Целзий.

Формулата за мост от пшеничен камък е по -долу, тя може да се използва за преоразмеряване на моста от житни камъни за различни диапазони, получени от приложената таблица pdf.

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

В нашия сценарий:

R2 ще бъде нашата PT100 съпротива.

R1 ще бъде равен на R3.

R4 трябва да бъде равен на 100 ома, за да изведе 0V при 0 градуса по Целзий.

Задаването на Vout на 0V и Vin на 5V ни позволява да получим стойности за съпротивление за R1 и R2 = 2.2k ома.

След това можем да включим 138.5055 ома за съпротивлението на сензора, за да получим нашето изходно напрежение при 100 градуса по Целзий = 80mV

Стъпка 4: Симулиране на веригата

Инструмент за симулиране на вериги, OrCAD Capture беше използван за симулиране на нашата верига и намиране на очакваните изходи на напрежение при различни температури. Това ще бъде използвано по -късно за сравняване на точността на нашата система.

Веригата е симулирана чрез извършване на преходен анализ на времето с параметричен размах, който варира съпротивлението pt100 от 100 ома до 138.5055 ома на стъпки от 3.85055 ома.

Стъпка 5: Симулирани резултати

Горните резултати показват линейната връзка на изходното напрежение на веригата и стойностите на съпротивлението.

След това резултатите бяха въведени в excel и нанесени. Excel предоставя линейната формула, свързана с тези стойности. Потвърждаване на линейността и обхвата на изходното напрежение на сензора.

Стъпка 6: Създаване на верига

Веригата беше събрана с помощта на два 2.2k ома резистора и резистор 100 ома.

Резисторите имат толеранс от +-5%. Различните стойности на съпротивлението причиняват дисбаланс на моста при 0 градуса.

Паралелни резистори бяха добавени последователно към резистора от 100 ома, за да се добавят номинални стойности на съпротивлението, за да се получи R4 възможно най -близо до 100 ома.

Това произвежда изходно напрежение от 0,00021V, което е изключително близко до 0V.

R1 е 2, 1638 ома, а R3 е 2, 1572 ома. Може да се свърже повече резистор, за да се направят R1 и R3 напълно равни, което дава идеално балансиран мост.

възможни грешки:

кутията с променлив резистор, използвана за тестване на различни температури, може да е била неточна

Стъпка 7: Измерени резултати

Измерените резултати могат да се видят по -долу.

Изменението на температурата се измерва с помощта на променлива резисторна кутия, за да се настрои съпротивлението на R2 на различни съпротивления, които могат да бъдат намерени в листа с данни PT100.

Формулата, намерена тук, ще се използва като част от кода за определяне на температурата на изхода.

Стъпка 8: За много по -големи температурни диапазони

Термодвойка тип K може да бъде въведена във веригата, ако трябва да се запишат много високи температури. Термодвойката тип К може да измерва температурен диапазон от -270 до 1370 градуса по Целзий.

Термодвойките работят въз основа на термоелектрическия ефект. Разликата в температурата създава потенциална разлика (напрежение).

Тъй като термодвойките работят на базата на разликата в две температури, температурата на еталонното кръстовище трябва да бъде известна.

Има два метода за измерване с термодвойки, които можем да използваме:

Сензор PT100 може да бъде поставен на еталонното кръстовище и да измери еталонното напрежение

Референтната връзка на термодвойката може да бъде поставена в ледена баня, която би била постоянна 0 градуса по Целзий, но би била непрактична за този проект

Стъпка 9: Общ преглед: Етап на диференциален усилвател

Диференциалният усилвател е неразделна част от конструкцията. Диференциалният усилвател комбинира това, което по същество е неинвертиращ и инвертиращ усилвател в една верига. Разбира се, както при всяка конструкция, тя има свои собствени ограничения, но както ще бъде показано в следващите няколко стъпки, тя определено помага за получаване на правилния изход от 5V.

Стъпка 10: За диференциалния усилвател

Диференциалният усилвател е операционен усилвател. Той играе ключова роля в тази схема на усилване на изходното напрежение от моста на Уитстоун в mV към V и след това се чете като вход на напрежение от Arduino. Този усилвател приема два входа за напрежение и усилва разликата между двата сигнала. Това се нарича вход за диференциално напрежение. След това входът на диференциалното напрежение се усилва от усилвателя и може да се наблюдава на изхода на усилвателя. Входовете на усилвателя се получават от разделителите на напрежението на моста Уитстоун в предишния раздел.

Стъпка 11: Ползи и ограничения

Диференциалният усилвател има своя собствена част от плюсовете и минусите. Основното предимство на използването на такъв усилвател е улеснената конструкция. В резултат на тази лесна конструкция, той прави проблемите за отстраняване на неизправности, възникнали с веригата, по -лесни и по -ефективни.

Недостатъците на използването на такава схема са, че за да се регулира усилването на усилвателя, резисторите за определяне на усилването (резистор за обратна връзка и резистор, свързан към земята) трябва да бъдат изключени, което може да отнеме много време. На второ място, оп-усилвателят има относително нисък CMRR (коефициент на отхвърляне в общ режим), който не е идеален за смекчаване на влиянието на входното изместено напрежение. По този начин в конфигурация като нашата, наличието на висок CMRR е от съществено значение за смекчаване на ефектите от изместеното напрежение.

Стъпка 12: Избор на желано изходно усилване

Оп-усилвателят разполага с 4 резистора, свързани към веригата. 2 съвпадащи резистора на входовете за напрежение, друг свързан към земята, както и резистор за обратна връзка. Тези два резистора служат като входен импеданс на оп-усилвателя. Обикновено резистор в диапазона 10-100 килограма трябва да е достатъчен, но след като тези резистори са настроени, усилването може да се определи, като се остави желаното изходно усилване да е равно на съотношението на резистора за обратна връзка към входния резистор на един от входовете (Rf/Rin).

Резисторът, свързан към земята, както и резисторът за обратна връзка, са съчетани. Това са резисторите, определящи усилването. Като има висок входен импеданс, той свежда до минимум ефектите от натоварването върху веригата, т.е.предотвратява преминаването на големи количества ток през устройството, което може да има разрушителни ефекти, ако е неконтролирано.

Стъпка 13: Микроконтролер ARDUINO

Arduino е програмируем микроконтролер с цифрови и аналогови I/O портове. Микроконтролерът е програмиран да отчита напрежението от усилвателя чрез аналогов входен щифт. Първо, Arduino ще прочете напрежението от изходния диапазон на веригата 0-5 V и ще го преобразува в 0-1023 DU и ще отпечата стойността. След това аналоговата стойност ще бъде умножена по 5 и разделена на 1023, за да се получи стойността на напрежението. Тази стойност ще бъде умножена по 20, за да се получи точната скала за температурния диапазон от 0-100 C.

За да се получат стойностите на отместване и чувствителност, показанията от входния щифт на А0 бяха взети с различни стойности за PT100 и графиката беше нанесена, за да се получи линейното уравнение.

Кодът, който беше използван:

void setup () {Serial.begin (9600); // стартиране на серийна връзка с компютъра

pinMode (A0, INPUT); // изходът от усилвателя ще бъде свързан към този извод

}

void loop ()

{float offset = 6.4762;

чувствителност на поплавък = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Прочетете входа на A0

Serial.print ("Аналогова стойност:");

Serial.println (AnalogValue); // отпечатваме входната стойност

забавяне (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // мул по 5, за да даде обхвата 0-100 градуса

Serial.print ("Цифрова стойност:");

Serial.println (DigitalValue); // аналогова стойност на напрежението

плаваща температура = (AnalogValue - отместване)/чувствителност;

Serial.print ("Температурна стойност:");

Serial.println (temp); // температура на печат

забавяне (5000);

}

Стъпка 14: Отстраняване на неизправности

Захранването с 15V към операционния усилвател и 5V към моста от пшеничен камък и arduino трябва да имат общи точки. (всички 0v стойности трябва да бъдат свързани заедно.)

Волтметър може да се използва, за да се гарантира, че напрежението пада след всеки резистор, за да се гарантира, че няма къси съединения.

Ако резултатите са различни и несъстоятелни, използваните проводници могат да бъдат тествани с помощта на волтметър за измерване на съпротивлението на проводника, ако съпротивлението казва „офлайн“, това означава, че има безкрайно съпротивление и проводникът има отворена верига.

Проводниците трябва да са по -малко от 10 ома.

Разликата в напрежението на моста от пшеничен камък трябва да бъде 0V в минималния диапазон на температурния диапазон, ако мостът не е балансиран, това може да се дължи на:

резисторите имат толеранс, което означава, че те могат да имат грешка, която може да доведе до дисбаланс на моста от житни камъни, съпротивленията могат да бъдат проверени с волтметър, ако е отстранен от веригата. по -малки резистори могат да се добавят последователно или успоредно, за да балансират моста.

Rseries = r1+r2

1/R паралелно = 1/r1 + 1/r2

Стъпка 15: Преоразмеряване

Формулата и методът за преоразмеряване на системата за различна температура могат да бъдат намерени в раздела за мост от пшеничен камък. След като тези стойности бъдат намерени и веригата е настроена:

PT100 трябва да бъде заменен с резисторна кутия. Стойностите на съпротивлението трябва да се коригират от новия температурен диапазон, като се използват подходящите стойности на съпротивлението, получени от приложения PDF.

Измереното напрежение и съпротивления и трябва да бъдат нанесени в Excel с температура (съпротивление) по оста x и напрежение по y.

От този график ще бъде дадена формула, изместването ще бъде добавената константа, а чувствителността ще бъде числото, умножено по x.

Тези стойности трябва да бъдат променени в кода и успешно сте преоразмерили системата.

Стъпка 16: Настройка на Arduino

свържете изхода на усилвателя на веригата към входния щифт A0 на Arduino

Свържете Arduino Nano чрез USB порта на компютър.

поставете кода в работното пространство за скици на Arduino.

Компилирайте кода.

Изберете Инструменти> Борд> Изберете Arduino Nano.

Изберете Инструменти> Порт> Изберете COM порт.

Качете кода в Arduino.

Изведената цифрова стойност е изходното напрежение на оп-усилвателя (трябва да бъде 0-5V)

Температурната стойност е системата за отчитане на температурата в Целзий.