Meet temperatuur met behulp van 'n PT100 en 'n Arduino: 16 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

Die doel van hierdie projek is om 'n temperatuurwaarnemingstelsel te ontwerp, te bou en te toets. Die stelsel is ontwerp om 'n temperatuurbereik van 0 tot 100 ° C te meet. 'N PT100 is gebruik om die temperatuur te meet, en dit is 'n weerstandstemperatuurdetektor (RTD) wat sy weerstand verander na gelang van die omgewingstemperatuur.

Stap 1: Toestel

1x PT100

1x broodbord

2x 2,15 kohm weerstande

1x 100 ohm weerstand

Drade

Kragtoevoer

Differensiële versterker

Stap 2: Oor die PT100

As deel van ons projek het ons die taak om die omgewingstemperatuur van 0 tot 100 grade Celsius te meet. Ons het besluit om die PT100 te gebruik om die volgende redes:

Die PT100 is 'n weerstandstemperatuurdetektor (RTD) wat temperature van -200 grade tot 'n maksimum van 850 grade Celsius kan meet, maar word gewoonlik nie gebruik om temperature van meer as 200 grade te meet nie. Hierdie reeks voldoen aan ons vereistes.

Hierdie sensor produseer 'n weerstand vir 'n gegewe omgewingstemperatuur. Die verband tussen temperatuur en weerstand van die sensor is lineêr. Dit, tesame met die minimale opstelling wat die sensor benodig, maak dit maklik om mee te werk en altaar as ander temperatuurreekse in die toekoms nodig is.

Die PT100 het ook 'n stadige reaksietyd, maar is akkuraat. Hierdie eienskappe het nie 'n groot invloed op ons doel nie, en was dus nie so invloedryk by die besluit oor watter temperatuursensor om te gebruik nie.

Stap 3: Wheatstone Bridge

Die koringsteenbrug word gebruik om 'n onbekende elektriese weerstand te meet deur twee bene van 'n brugbaan te balanseer, waarvan die een been die onbekende komponent bevat.

Die primêre voordeel van die stroombaan is die vermoë om 'n reeks uitgangsspanning te kry wat by 0V begin.

'N Eenvoudige spanningsverdeler kan gebruik word, maar dit sal ons nie toelaat om van die teenwoordige teenwoordigheid ontslae te raak nie, wat die versterking van die spanningsuitset minder effektief sal maak.

Die weerstand in 'n PT100 wissel van 100 tot 138.5055 vir 'n temperatuur van 0 tot 100 grade Celsius.

Die formule vir 'n koringsteenbrug is hieronder; dit kan gebruik word om die koringsteenbrug te herskaal vir verskillende reekse wat verkry word uit die aangehegte pdf -tabel.

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

In ons scenario:

R2 sal ons PT100 -weerstand wees.

R1 sal gelyk wees aan R3.

R4 moet gelyk wees aan 100 ohm om 0V by 0 grade Celsius te lewer.

Deur Vout op 0V en Vin op 5V te stel, kan ons weerstand verkry vir waardes vir R1 en R2 = 2,2k ohm.

Ons kan dan 138.5055 ohm inskakel vir die weerstand van die sensor om ons uitgangsspanning by 100 grade Celsius = 80mV te verkry

Stap 4: Simuleer die stroombaan

OrCAD Capture, 'n instrument om stroombane te simuleer, is gebruik om ons stroombaan te simuleer en die verwagte spanningsuitsette by verskillende temperature te vind. Dit sal later gebruik word om te vergelyk hoe akkuraat ons stelsel was.

Die kring is gesimuleer deur 'n tydelike analise te voltooi met 'n paramatiese sweep wat die pt100 -weerstand van 100 ohm tot 138.5055 ohm in stappe van 3.85055 ohm wissel.

Stap 5: Gesimuleerde resultate

Die resultate hierbo toon die lineêre verhouding van die uitsetspanning van die stroombaan en die weerstandswaardes aan.

Die resultate is daarna in Excel ingevoer en op 'n skets geplaas. Excel bied die lineêre formule wat met hierdie waardes verband hou. Bevestiging van die lineariteit en die uitsetspanning van die sensor.

Stap 6: Skep die kring

Die kring is saamgestel met twee weerstand van 2,2 k ohm en 'n weerstand van 100 ohm.

Die weerstande het 'n verdraagsaamheid van +-5%. Die verskillende weerstandswaardes veroorsaak dat die brug by 0 grade ongebalanseerd is.

Parallelle weerstande is in serie by die 100 ohm weerstand gevoeg om nominale hoeveelhede weerstand by te voeg om R4 so na as 100 ohm as moontlik te kry.

Dit het 'n uitgangsspanning van 0,00021V opgelewer wat baie naby aan 0V is.

R1 is 2, 1638 ohm en R3 is 2, 1572 ohm. Meer weerstand kan gekoppel word om R1 en R3 presies gelyk te maak, wat 'n perfek gebalanseerde brug gee.

moontlike foute:

veranderlike weerstandskas wat gebruik word om verskillende temperatuurwaardes te toets, kan onakkuraat wees

Stap 7: Gemete resultate

Die afgemete resultate kan hieronder gesien word.

Verandering in temperatuur is gemeet met behulp van 'n veranderlike weerstandskas om die weerstand van R2 in te stel op verskillende weerstande wat in die PT100 -datablad gevind kan word.

Die formule wat hier gevind word, sal as deel van die kode gebruik word om die temperatuuruitset te bepaal.

Stap 8: Vir baie groter temperatuurreekse

'N Tipe K -termokoppel kan in die stroombaan ingebring word as baie hoë temperature aangeteken moet word. Die tipe K termokoppel kan 'n temperatuurbereik van -270 tot 1370 grade Celsius meet.

Termokoppels werk op grond van die termo -elektriese effek; 'n Temperatuurverskil veroorsaak 'n potensiaalverskil (spanning).

Aangesien termokoppels werk op grond van die verskil tussen twee temperature, moet die temperatuur by die verwysingsaansluiting bekend wees.

Daar is twee metodes om met termokoppels te meet:

'N PT100 -sensor kan by die verwysingsaansluiting geplaas word en die verwysingspanning meet

Die verwysingsaansluiting van die termokoppel kan in 'n ysbad geplaas word wat 'n konstante 0 grade Celsius sou wees, maar onprakties sou wees vir hierdie projek

Stap 9: Oorsig: Differensiële versterkerstadium

Die differensiaalversterker is 'n integrale deel van die konstruksie. Die differensiaalversterker kombineer wat in wese 'n nie-omkerende en omkerende versterker is in 'n enkele stroombaan. Natuurlik, soos met enige ander konstruksie, het dit ook sy eie beperkings, maar soos in die volgende paar stappe sal blyk, help dit beslis om die korrekte uitset van 5V te verkry.

Stap 10: Oor die differensiële versterker

Die differensiaalversterker is 'n operasionele versterker. Dit speel 'n sleutelrol in hierdie kringontwerp om die spanningsuitset van die Wheatstone -brug in mV na V te versterk en word dan ingelees as 'n spanningsingang deur die Arduino. Hierdie versterker neem twee spanningsingange en versterk die verskil tussen die twee seine. Dit word die differensiële spanningsingang genoem. Die differensiële spanningsingang word dan deur die versterker versterk en kan waargeneem word by die uitset van die versterker. Die insette van die versterker word verkry uit die spanningsverdelers van die Wheatstone -brug in die vorige afdeling.

Stap 11: Voordele en beperkings

Die differensiële versterker het sy eie voor- en nadele. Die grootste voordeel van die gebruik van so 'n versterker is die gemak van konstruksie. As gevolg van hierdie maklike konstruksie, word dit makliker en doeltreffender om probleme op te los wat met die stroombaan voorkom.

Die nadele van die gebruik van so 'n stroombaan is dat beide die versterkingsbepalende weerstande (terugvoerweerstand en grondaangeslote weerstand) beide moet uitskakel om die versterking van die versterker aan te pas, wat tydsbesparend kan wees. Tweedens het die op-amp 'n relatief lae CMRR (common-mode rejection ratio), wat nie ideaal is om die invloed van insetspanning te verminder nie. In 'n konfigurasie soos ons s'n is dit dus noodsaaklik om 'n hoë CMRR te hê om die gevolge van offsetspanning te verminder.

Stap 12: Kies gewenste uitsetwins

Die op-amp het 4 weerstande wat aan die stroombaan gekoppel is. 2 ooreenstemmende weerstande by die spanningsingange, 'n ander wat aan die aarde gekoppel is, sowel as 'n terugvoerweerstand. Hierdie twee weerstande dien as die ingangsimpedansie van die op-amp. Gewoonlik behoort 'n weerstand in die omgewing van 10-100 kilohms voldoende te wees, maar sodra hierdie weerstande ingestel is, kan die versterking bepaal word deur die gewenste uitsetwins te laat gelyk wees aan die verhouding van die terugvoerweerstand tot die ingangsweerstand by een van die insette (Rf/Rin).

Die gemonteerde weerstand, sowel as die terugvoerweerstand, pas by mekaar. Dit is die winsbepalende weerstande. Deur 'n hoë ingangsimpedansie te verminder, verminder dit die effek van laai op die stroombaan, dws voorkom dat groot hoeveelhede stroom deur die toestel ry, wat verwoestende gevolge kan hê as dit nie beheer word nie.

Stap 13: ARDUINO MIKROKONTROLLER

Die Arduino is 'n programmeerbare mikrobeheerder met digitale en analoog I/O -poorte. Die mikrobeheerder is geprogrammeer om die spanning van die versterker af te lees via 'n analoog ingangspen. Eerstens sal die Arduino die spanning uit die stroomuitsetbereik 0-5 V lees en dit omskakel na 0-1023 DU en dit sal die waarde druk. Vervolgens word die analoog waarde vermenigvuldig met 5 en gedeel deur 1023 om die spanningswaarde te kry. Hierdie waarde word met 20 vermenigvuldig om die presiese skaal vir die temperatuurbereik van 0-100 C.

Om die verrekenings- en sensitiwiteitswaardes te kry, is die metings van die invoerpen op A0 met verskillende waardes vir die PT100 geneem en die grafiek is geteken om die lineêre vergelyking te kry.

Die kode wat gebruik is:

ongeldige opstelling () {Serial.begin (9600); // begin die reeksverbinding met die rekenaar

pinMode (A0, INVOER); // die uitset van die versterker sal aan hierdie pen gekoppel word

}

leemte lus ()

{float offset = 6.4762;

vlotgevoeligheid = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Lees die insette op A0

Serial.print ("Analoogwaarde:");

Serial.println (AnalogValue); // druk die invoerwaarde af

vertraging (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul by 5 om die reeks 0-100 grade te gee

Serial.print ("Digitale waarde:");

Serial.println (DigitalValue); // analoog spanningswaarde

float temp = (AnalogValue - offset)/sensitiwiteit;

Serial.print ("Temperatuurwaarde:");

Serial.println (temp); // druk temp

vertraging (5000);

}

Stap 14: Probleemoplossing

Die 15V-voeding aan die op-amp en die 5V na die koringsteenbrug en arduino moet 'n gemeenskaplike grondslag hê. (alle 0v -waardes moet aan mekaar gekoppel word.)

'N Voltmeter kan gebruik word om seker te maak dat die spanning na elke weerstand daal om te verseker dat daar geen kortsluitings is nie.

As die resultate wissel en teenstrydig is, kan die drade wat gebruik word, getoets word deur die voltmeter te gebruik om die weerstand van die draad te meet; as die weerstand 'vanlyn' sê, beteken dit dat daar oneindige weerstand is en dat die draad 'n oop kring het.

Kabels moet minder as 10 ohm wees.

Die spanningsverskil oor die koringsteenbrug moet 0V wees by die minimum reeks van die temperatuur, as die brug nie gebalanseer is nie, kan dit wees omdat:

weerstande het 'n verdraagsaamheid, wat beteken dat hulle 'n fout kan hê wat kan veroorsaak dat die koringsteenbrug ongebalanseerd is; die weerstande kan met 'n voltmeter nagegaan word as dit uit die stroombaan verwyder word. kleiner weerstande kan in serie of parallel bygevoeg word om die brug te balanseer.

R -reeks = r1+r2

1/Rparallel = 1/r1 + 1/r2

Stap 15: Herskaal

Die formule en metode om die stelsel vir 'n ander temperatuur te herskaal, kan in die gedeelte van die koringsteenbrug gevind word. Sodra hierdie waardes gevind is en die kring opgestel is:

Die PT100 moet vervang word deur 'n weerstandskas.

Die gemete spanning en weerstande moet in Excel geteken word met temperatuur (weerstand) op x -as en spanning op y.

'N Formule sal uit hierdie grafiek gegee word, die offset is die konstante wat bygevoeg word en die sensitiwiteit is die getal vermenigvuldig met x.

Hierdie waardes moet op die kode gewysig word en u het die stelsel suksesvol hergeskakel.

Stap 16: Die opstel van die Arduino

koppel die uitset van die kringversterker aan die A0 -invoerpen van die Arduino

Koppel die Arduino Nano via die USB -poort op 'n rekenaar.

plak die kode in die Arduino -sketswerkruimte.

Stel die kode saam.

Kies Tools> Board> Select Arduino Nano.

Kies Gereedskap> Poort> Kies COM -poort.

Laai die kode op na die Arduino.

Die digitale waarde wat uitgegee word, is die spanningsuitset van die op-amp (moet 0-5V wees)

Die temperatuurwaarde is die stelsels se temperatuur in Celsius.