Μέτρηση θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας PT100 και Arduino: 16 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Στόχος αυτού του έργου είναι ο σχεδιασμός, η κατασκευή και η δοκιμή ενός συστήματος ανίχνευσης θερμοκρασίας. Το σύστημα σχεδιάστηκε για να μετρά μια περιοχή θερμοκρασιών από 0 έως 100 ° C. Ένα PT100 χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της θερμοκρασίας και είναι ένας ανιχνευτής θερμοκρασίας αντίστασης (RTD) που αλλάζει την αντίστασή του ανάλογα με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Βήμα 1: Συσκευή

1x PT100

1x Breadboard

2x αντιστάσεις 2,15 kohms

1x αντίσταση 100 ohms

Καλώδια

Παροχή ηλεκτρικού ρεύματος

Διαφορικός ενισχυτής

Βήμα 2: Σχετικά με το PT100

Ως μέρος του έργου μας, αναλαμβάνουμε τη μέτρηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος που κυμαίνεται από 0 βαθμούς έως 100 βαθμούς Κελσίου. Αποφασίσαμε να χρησιμοποιήσουμε το PT100 για τους ακόλουθους λόγους:

Ο PT100 είναι ένας ανιχνευτής θερμοκρασίας αντίστασης (RTD), ο οποίος μπορεί να μετρήσει θερμοκρασίες από -200 βαθμούς έως το πολύ 850 βαθμούς Κελσίου, αλλά συνήθως δεν χρησιμοποιείται για τη μέτρηση θερμοκρασιών άνω των 200 μοίρες. Αυτό το εύρος συμμορφώνεται με τις απαιτήσεις μας.

Αυτός ο αισθητήρας παράγει αντίσταση για μια δεδομένη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και αντίστασης του αισθητήρα είναι γραμμική. Αυτό, μαζί με την ελάχιστη ρύθμιση που απαιτεί ο αισθητήρας, διευκολύνει την εργασία και το βωμό εάν χρειάζονται άλλες θερμοκρασίες στο μέλλον.

Το PT100 έχει επίσης αργό χρόνο απόκρισης αλλά είναι ακριβές. Αυτά τα χαρακτηριστικά δεν έχουν μεγάλο αντίκτυπο στον στόχο μας και επομένως δεν είχαν τόσο μεγάλη επιρροή όταν αποφασίζουμε ποιον αισθητήρα θερμοκρασίας θα χρησιμοποιήσουμε.

Βήμα 3: Γέφυρα Wheatstone

Η γέφυρα από σιτάρι χρησιμοποιείται για τη μέτρηση μιας άγνωστης ηλεκτρικής αντίστασης εξισορροπώντας δύο σκέλη ενός κυκλώματος γέφυρας, το ένα πόδι του οποίου περιλαμβάνει το άγνωστο στοιχείο.

Το κύριο πλεονέκτημα του κυκλώματος είναι η ικανότητά του να λαμβάνει ένα εύρος τάσης εξόδου που ξεκινά από 0V.

Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ένας απλός διαχωριστής τάσης, αλλά δεν θα μας επέτρεπε να απαλλαγούμε από οποιαδήποτε μετατόπιση, κάτι που θα έκανε την ενίσχυση της εξόδου τάσης λιγότερο αποτελεσματική.

Η αντίσταση σε ένα PT100 κυμαίνεται από 100 έως 138,5055 για θερμοκρασία από 0 έως 100 βαθμούς Κελσίου.

Ο τύπος για μια γέφυρα από σιταρόλιθο είναι παρακάτω, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μεταπώληση της γέφυρας από σιταρόλιθο για διαφορετικές περιοχές που προέρχονται από τον συνημμένο πίνακα pdf.

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

Στο σενάριό μας:

Το R2 θα είναι η αντίσταση PT100.

Το R1 θα είναι ίσο με το R3.

Το R4 πρέπει να είναι ίσο με 100 ohms για να εξάγει 0V στους 0 βαθμούς Κελσίου.

Η ρύθμιση του Vout σε 0V και του Vin σε 5V μας επιτρέπει να λάβουμε αντίσταση τιμές για R1 και R2 = 2,2k ohm.

Στη συνέχεια μπορούμε να υποβάλλουμε σε 138.5055 ohms για την αντίσταση του αισθητήρα για να λάβουμε την τάση εξόδου μας στους 100 βαθμούς Κελσίου = 80mV

Βήμα 4: Προσομοίωση κυκλώματος

Ένα εργαλείο προσομοίωσης κυκλωμάτων, το OrCAD Capture χρησιμοποιήθηκε για να προσομοιώσει το κύκλωμά μας και να βρει τις αναμενόμενες εξόδους Τάσης σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτό θα χρησιμοποιηθεί αργότερα για να συγκρίνει πόσο ακριβές ήταν το σύστημά μας.

Το κύκλωμα προσομοιώθηκε με την παράδοση μιας παροδικής ανάλυσης χρόνου με μια παραμετρική σάρωση που μεταβάλλει την αντίσταση pt100 από 100 ohms σε 138.5055 ohms σε βήματα των 3.85055 ohms.

Βήμα 5: Προσομοιωμένα αποτελέσματα

Τα παραπάνω αποτελέσματα δείχνουν τη γραμμική σχέση της Τάσης εξόδου του κυκλώματος και των τιμών αντίστασης.

Τα αποτελέσματα στη συνέχεια εισήχθησαν στο excel και σχεδιάστηκαν. Το Excel παρέχει τον γραμμικό τύπο που σχετίζεται με αυτές τις τιμές. Επιβεβαίωση της γραμμικότητας και του εύρους τάσης εξόδου του αισθητήρα.

Βήμα 6: Δημιουργία κυκλώματος

Το κύκλωμα συνδυάστηκε χρησιμοποιώντας δύο αντιστάσεις 2,2k ohm και μια αντίσταση 100 ohm.

Οι αντιστάσεις έχουν ανοχή +-5%. Οι διαφορετικές τιμές αντίστασης προκαλούν τη μη ισορροπία της γέφυρας σε 0 μοίρες.

Παράλληλες αντιστάσεις προστέθηκαν σε σειρά στην αντίσταση 100 ohm για να προσθέσουν ονομαστικές ποσότητες αντίστασης για να φτάσουν το R4 όσο το δυνατόν πιο κοντά στα 100 ohm.

Αυτό παρήγαγε τάση εξόδου 0.00021V η οποία είναι εξαιρετικά κοντά στα 0V.

Το R1 είναι 2, 1638 ohms και το R3 είναι 2, 1572 ohm. Θα μπορούσε να συνδεθεί περισσότερη αντίσταση για να γίνουν τα R1 και R3 ακριβώς ίσα, δίνοντας μια τέλεια ισορροπημένη γέφυρα.

πιθανά λάθη:

κουτί μεταβλητής αντίστασης που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο διαφορετικών τιμών θερμοκρασίας θα μπορούσε να είναι ανακριβές

Βήμα 7: Μετρημένα αποτελέσματα

Τα μετρημένα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω.

Η μεταβολή της θερμοκρασίας μετρήθηκε χρησιμοποιώντας ένα μεταβλητό πλαίσιο αντίστασης, για να ρυθμίσετε την αντίσταση του R2 σε διαφορετικές αντιστάσεις που μπορούν να βρεθούν στο φύλλο δεδομένων PT100.

Ο τύπος που βρίσκεται εδώ θα χρησιμοποιηθεί ως μέρος του κώδικα για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας εξόδου.

Βήμα 8: Για πολύ μεγαλύτερα εύρη θερμοκρασίας

Ένα θερμοστοιχείο τύπου Κ θα μπορούσε να εισαχθεί στο κύκλωμα εάν πρέπει να καταγραφούν πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Το θερμοστοιχείο τύπου Κ μπορεί να μετρήσει ένα εύρος θερμοκρασιών από -270 έως 1370 βαθμούς Κελσίου.

Τα θερμοζεύγη λειτουργούν με βάση το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο. Μια διαφορά θερμοκρασίας παράγει μια διαφορά δυναμικού (Τάση).

Καθώς τα θερμοστοιχεία λειτουργούν με βάση τη διαφορά δύο θερμοκρασιών, η θερμοκρασία στη διασταύρωση αναφοράς πρέπει να είναι γνωστή.

Υπάρχουν δύο μέθοδοι μέτρησης με θερμοζεύγη που θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε:

Ένας αισθητήρας PT100 θα μπορούσε να τοποθετηθεί στη διασταύρωση αναφοράς και να μετρήσει την τάση αναφοράς

Η διασταύρωση αναφοράς του θερμοστοιχείου θα μπορούσε να τοποθετηθεί σε ένα λουτρό πάγου το οποίο θα ήταν σταθερό 0 βαθμούς Κελσίου αλλά θα ήταν ανέφικτο για αυτό το έργο

Βήμα 9: Επισκόπηση: Στάδιο διαφορικού ενισχυτή

Ο διαφορικός ενισχυτής είναι αναπόσπαστο μέρος της κατασκευής. Ο διαφορικός ενισχυτής συνδυάζει αυτό που είναι ουσιαστικά ένας μη αναστρεφόμενος και ανεστραμμένος ενισχυτής σε ένα μόνο κύκλωμα. Φυσικά, όπως σε κάθε κατασκευή, έχει τους δικούς της περιορισμούς, ωστόσο, όπως θα φανεί στα επόμενα βήματα, σίγουρα βοηθά στη λήψη της σωστής ισχύος 5V.

Βήμα 10: Σχετικά με τον διαφορικό ενισχυτή

Ο διαφορικός ενισχυτής είναι ένας λειτουργικός ενισχυτής. Παίζει βασικό ρόλο σε αυτόν τον σχεδιασμό κυκλώματος για την ενίσχυση της εξόδου τάσης από τη γέφυρα Wheatstone σε mV έως V και στη συνέχεια διαβάζεται ως είσοδος τάσης από το Arduino. Αυτός ο ενισχυτής παίρνει δύο εισόδους τάσης και ενισχύει τη διαφορά μεταξύ των δύο σημάτων. Αυτό ονομάζεται είσοδος διαφορικής τάσης. Η είσοδος διαφορικής τάσης στη συνέχεια ενισχύεται από τον ενισχυτή και μπορεί να παρατηρηθεί στην έξοδο του ενισχυτή. Οι είσοδοι του ενισχυτή λαμβάνονται από τα διαχωριστικά τάσης της γέφυρας Wheatstone στο προηγούμενο τμήμα.

Βήμα 11: Οφέλη και περιορισμοί

Ο διαφορικός ενισχυτής έρχεται με τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης ενός τέτοιου ενισχυτή είναι η ευκολία κατασκευής. Ως αποτέλεσμα αυτής της εύκολης κατασκευής, καθιστά ευκολότερη και πιο αποτελεσματική την αντιμετώπιση προβλημάτων που αντιμετωπίζονται με το κύκλωμα.

Τα μειονεκτήματα της χρήσης ενός τέτοιου κυκλώματος είναι ότι για να ρυθμιστεί το κέρδος του ενισχυτή, πρέπει να απενεργοποιηθούν και οι δύο αντιστάσεις που καθορίζουν το κέρδος (αντίσταση ανάδρασης και συνδεδεμένη γείωση), κάτι που μπορεί να είναι χρονοβόρο. Δεύτερον, ο ενισχυτής έχει σχετικά χαμηλό CMRR (λόγος απόρριψης κοινού τρόπου), ο οποίος δεν είναι ιδανικός για τον μετριασμό της επιρροής της τάσης μετατόπισης εισόδου. Έτσι, σε μια διαμόρφωση όπως η δική μας, η υψηλή CMRR είναι απαραίτητη για τον μετριασμό των επιπτώσεων της τάσης μετατόπισης.

Βήμα 12: Επιλογή επιθυμητού κέρδους εξόδου

Το op-amp διαθέτει 4 αντιστάσεις συνδεδεμένες στο κύκλωμα. 2 αντιστοιχισμένες αντιστάσεις στις εισόδους τάσης, μια άλλη συνδεδεμένη στη γείωση καθώς και μια αντίσταση ανάδρασης. Αυτές οι δύο αντιστάσεις χρησιμεύουν ως αντίσταση εισόδου του op-amp. Τυπικά, μια αντίσταση στην κλίμακα των 10-100 kilohms θα πρέπει να είναι αρκετή, ωστόσο μόλις ρυθμιστούν αυτές οι αντιστάσεις, το κέρδος μπορεί να προσδιοριστεί αφήνοντας το επιθυμητό κέρδος εξόδου ίσο με τον λόγο της αντίστασης ανάδρασης προς την αντίσταση εισόδου σε μία από τις εισόδους (Rf/Rin).

Η αντίσταση που συνδέεται με τη γείωση, καθώς και η αντίσταση ανάδρασης, ταιριάζουν. Αυτές είναι οι αντιστάσεις που καθορίζουν το κέρδος. Έχοντας υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις της φόρτωσης στο κύκλωμα, δηλαδή εμποδίζει τη διέλευση μεγάλων ποσοτήτων ρεύματος μέσω της συσκευής, οι οποίες μπορούν να έχουν καταστροφικά αποτελέσματα εάν είναι ανεξέλεγκτες.

Βήμα 13: MICROCONTROLLER ARDUINO

Το Arduino είναι ένας προγραμματιζόμενος μικροελεγκτής που διαθέτει ψηφιακές και αναλογικές θύρες εισόδου/εξόδου. Ο μικροελεγκτής ήταν προγραμματισμένος να διαβάζει την τάση από τον ενισχυτή μέσω ενός αναλογικού πείρου εισόδου. Αρχικά, το Arduino θα διαβάσει την τάση από το εύρος εξόδου κυκλώματος 0-5 V και θα το μετατρέψει σε 0-1023 DU και θα εκτυπώσει την τιμή. Στη συνέχεια, η αναλογική τιμή θα πολλαπλασιαστεί με 5 και θα διαιρεθεί με 1023 για να ληφθεί η τιμή τάσης. Αυτή η τιμή θα πολλαπλασιαστεί με 20 για να δώσει την ακριβή κλίμακα για το εύρος θερμοκρασιών από 0-100 C.

Για να λάβετε τις τιμές μετατόπισης και ευαισθησίας, οι μετρήσεις από τον ακροδέκτη εισόδου στο A0 ελήφθησαν με διαφορετικές τιμές για το PT100 και το γράφημα σχεδιάστηκε για να λάβει τη γραμμική εξίσωση.

Ο κωδικός που χρησιμοποιήθηκε:

void setup () {Serial.begin (9600); // ξεκινήστε τη σειριακή σύνδεση με τον υπολογιστή

pinMode (A0, INPUT); // η έξοδος από τον ενισχυτή θα συνδεθεί με αυτόν τον πείρο

}

κενός βρόχος ()

{float offset = 6.4762;

ευαισθησία επίπλευσης = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Διαβάστε την είσοδο στο A0

Serial.print ("Αναλογική τιμή:");

Serial.println (AnalogValue); // εκτύπωση της τιμής εισόδου

καθυστέρηση (1000)?

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul κατά 5 για να δώσει το εύρος 0-100 μοίρα

Serial.print ("valueηφιακή τιμή:");

Serial.println (DigitalValue); // αναλογική τιμή τάσης

float temp = (AnalogValue - offset)/ευαισθησία.

Serial.print ("Τιμή θερμοκρασίας:");

Serial.println (temp); // θερμοκρασία εκτύπωσης

καθυστέρηση (5000)?

}

Βήμα 14: Αντιμετώπιση προβλημάτων

Η τροφοδοσία 15V στο op-amp και η 5V στη γέφυρα σιταριού και το arduino πρέπει να έχουν κοινό έδαφος. (όλες οι τιμές 0v πρέπει να συνδεθούν μεταξύ τους.)

Ένα βολτόμετρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βεβαιωθείτε ότι η τάση πέφτει μετά από κάθε αντίσταση για να διασφαλίσετε ότι δεν υπάρχουν βραχυκυκλώματα.

Εάν τα αποτελέσματα είναι διαφορετικά και ασυνεπή, τα καλώδια που χρησιμοποιούνται μπορούν να δοκιμαστούν χρησιμοποιώντας το βολτόμετρο για τη μέτρηση της αντίστασης του σύρματος, εάν η αντίσταση λέει "εκτός σύνδεσης" σημαίνει ότι υπάρχει άπειρη αντίσταση και το σύρμα έχει ανοιχτό κύκλωμα.

Τα καλώδια πρέπει να είναι μικρότερα από 10 ωμ.

Η διαφορά τάσης στη γέφυρα του σιταρόλιθου πρέπει να είναι 0V στο ελάχιστο εύρος της θερμοκρασίας, εάν η γέφυρα δεν είναι ισορροπημένη θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι:

οι αντιστάσεις έχουν ανοχή, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσαν να έχουν ένα σφάλμα που μπορεί να προκαλέσει μη ισορροπία στη γέφυρα του σιταρόλιθου, οι αντιστάσεις μπορούν να ελεγχθούν με ένα βολτόμετρο εάν αφαιρεθεί από το κύκλωμα. μικρότερες αντιστάσεις θα μπορούσαν να προστεθούν σε σειρά ή παράλληλα για να εξισορροπηθεί η γέφυρα.

Rseries = r1+r2

1/Παράλληλος = 1/r1 + 1/r2

Βήμα 15: Ανανέωση

Ο τύπος και η μέθοδος για την επαναχρησιμοποίηση του συστήματος για διαφορετική θερμοκρασία μπορείτε να βρείτε στο τμήμα της γέφυρας του σιταρόλιθου. Μόλις βρεθούν αυτές οι τιμές και ρυθμιστεί το κύκλωμα:

Το PT100 θα πρέπει να αντικατασταθεί με ένα κουτί αντίστασης. Οι τιμές αντίστασης θα πρέπει να προσαρμοστούν από το νέο εύρος θερμοκρασιών χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες τιμές αντίστασης που λαμβάνονται από το συνημμένο pdf.

Η μετρημένη τάση και οι αντιστάσεις πρέπει να απεικονίζονται σε excel με θερμοκρασία (αντίσταση) στον άξονα x και τάση στο y.

Θα δοθεί ένας τύπος από αυτό το γράφημα, η μετατόπιση θα είναι η σταθερά που προστίθεται και η ευαισθησία θα είναι ο αριθμός πολλαπλασιασμένος με x.

Αυτές οι τιμές πρέπει να αλλάξουν στον κώδικα και πραγματοποιήσατε επιτυχημένη αναβάθμιση του συστήματος.

Βήμα 16: Ρύθμιση του Arduino

συνδέστε την έξοδο του ενισχυτή κυκλώματος στον πείρο εισόδου A0 του Arduino

Συνδέστε το Arduino Nano μέσω θύρας USB σε υπολογιστή.

επικολλήστε τον κώδικα στο χώρο εργασίας σκίτσων Arduino.

Συγκεντρώστε τον κώδικα.

Επιλέξτε Εργαλεία> Πίνακας> Επιλέξτε Arduino Nano.

Επιλέξτε Εργαλεία> Θύρα> Επιλογή θύρας COM.

Ανεβάστε τον κώδικα στο Arduino.

Η ψηφιακή τιμή που εξέρχεται είναι η έξοδος τάσης του op-amp (πρέπει να είναι 0-5V)

Η τιμή θερμοκρασίας είναι η θερμοκρασία ανάγνωσης των συστημάτων σε Κελσίου.