Pagsukat ng Temperatura Gamit ang isang PT100 at isang Arduino: 16 Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Ang layunin ng proyektong ito ay upang magdisenyo, bumuo at subukan ang isang sistema ng sensing ng temperatura. Ang sistema ay dinisenyo upang masukat ang saklaw ng temperatura na 0 hanggang 100 ° C. Ginamit ang isang PT100 upang masukat ang temperatura, at ito ay isang resistensya ng detector ng temperatura (RTD) na nagbabago ng paglaban nito depende sa nakapalibot na temperatura nito.

Hakbang 1: Patakaran ng pamahalaan

1x PT100

1x Breadboard

2x 2.15 kohors resistors

1x 100 ohms resistor

Mga wire

Supply ng kuryente

Pagkakaiba ng amplifier

Hakbang 2: Tungkol sa PT100

Bilang bahagi ng aming proyekto ay inaatasan kaming sukatin ang temperatura sa paligid mula sa 0 degree hanggang 100 degree Celsius. Nagpasya kaming gamitin ang PT100 dahil sa mga sumusunod na kadahilanan:

Ang PT100 ay isang detector ng temperatura ng paglaban (RTD), na maaaring masukat ang temperatura mula -200 degree hanggang sa maximum na 850 degree Celsius, ngunit hindi karaniwang ginagamit upang masukat ang temperatura ng higit sa 200 degree. Sumusunod ang saklaw na ito sa aming mga kinakailangan.

Ang sensor na ito ay gumagawa ng isang paglaban para sa isang naibigay na temperatura sa paligid. Ang ugnayan sa pagitan ng temperatura at paglaban ng sensor ay linear. Ito, kasama ang kaunting pag-set up na kinakailangan ng sensor, ginagawang madali upang gumana at altar kung kailangan ang iba pang mga saklaw ng temperatura sa hinaharap.

Ang PT100 ay mayroon ding mabagal na oras ng pagtugon ngunit tumpak. Ang mga katangiang ito ay walang malaking epekto sa aming layunin at sa gayon ay hindi kasing impluwensya kapag nagpapasya kung aling temperatura sensor ang gagamitin.

Hakbang 3: Wheatstone Bridge

Ginagamit ang Bridge ng trigo upang sukatin ang isang hindi kilalang paglaban ng elektrisidad sa pamamagitan ng pagbabalanse ng dalawang paa ng isang circuit circuit, isang binti na kasama dito ang hindi kilalang sangkap.

Ang pangunahing pakinabang ng circuit ay ang kakayahang makakuha ng isang saklaw ng boltahe ng output na nagsisimula sa 0V.

Maaaring magamit ang isang simpleng divider ng boltahe ngunit hindi kami papayagan na matanggal ang anumang offset na kasalukuyan, na kung saan ay hindi gaanong epektibo ang pagpapalakas ng output ng boltahe.

Ang paglaban sa isang PT100 ay nag-iiba mula 100 hanggang 138.5055 para sa temperatura na 0 hanggang 100 degree Celsius.

Ang pormula para sa isang tulay na pang-trigo ay nasa ibaba, maaari itong magamit upang iligtas ang tulay ngstonestone para sa iba't ibang mga saklaw na nakuha mula sa nakalakip na talahanayan ng pdf.

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

Sa aming senaryo:

Ang R2 ay magiging aming paglaban sa PT100.

Ang R1 ay magiging katumbas ng R3.

Ang R4 ay kailangang katumbas ng 100 ohms upang makapaglabas ng 0V sa 0 degree Celsius.

Ang pagtatakda ng Vout sa 0V at Vin sa 5V ay nagbibigay-daan sa amin upang labanan ang pagkuha ng mga halaga para sa R1 at R2 = 2.2k ohms.

Maaari naming pagkatapos ay sub sa 138.5055 ohms para sa paglaban ng sensor upang makuha ang aming output boltahe sa 100 degree Celsius = 80mV

Hakbang 4: Ginagaya ang Circuit

Isang tool para sa pagtulad sa mga circuit, ginamit ang OrCAD Capture upang gayahin ang aming circuit at hanapin ang inaasahang output ng Boltahe sa iba't ibang mga temperatura. Gagamitin ito sa paglaon upang ihambing kung gaano katumpak ang aming system.

Ang circuit ay simulate sa pamamagitan ng pag-perfoming ng isang pansamantalang pagtatasa ng oras na may isang paramatic sweep na iba-iba ang paglaban ng pt100 mula 100 ohms hanggang 138.5055 ohms sa mga hakbang na 3.85055 ohms.

Hakbang 5: Simulate na Mga Resulta

Ang mga resulta sa itaas ay nagpapakita ng linear na ugnayan ng Ang output Voltage ng circuit at ang mga halaga ng paglaban.

Ang mga resulta ay pagkatapos ay nai-input sa excel at naka-plot. Nagbibigay ang Excel ng linear formula na nauugnay sa mga halagang ito. Kinukumpirma ang linearity at ang hanay ng boltahe ng output ng sensor.

Hakbang 6: Paglikha ng Circuit

Ang circuit ay pinagsama gamit ang dalawang 2.2k ohm resistors at isang 100 ohm resistor.

Ang mga resistor ay may pagpapaubaya na + -5%. Ang iba't ibang mga halaga ng pagtutol ay sanhi ng hindi balanse ang tulay sa 0 degree.

Ang mga parallel resistor ay idinagdag sa serye sa 100 ohm risistor upang magdagdag ng mga nominal na halaga ng paglaban upang makuha ang R4 na malapit sa 100 ohm hangga't maaari.

Gumawa ito ng output boltahe ng 0,00021V na labis na malapit sa 0V.

Ang R1 ay 2, 1638 ohms at ang R3 ay 2, 1572 ohms. Mas maraming resistor ang maaaring konektado upang gawing eksaktong pantay ang R1 at R3, na nagbibigay ng isang perpektong balanseng tulay.

posibleng mga error:

variable na resistor box na ginamit upang subukan ang iba't ibang mga halagang temperatura ay maaaring hindi tumpak

Hakbang 7: Nasusukat na Mga Resulta

Ang nasusukat na mga resulta ay makikita sa ibaba.

Ang pagbabago sa temperatura ay sinusukat gamit ang isang variable na resistor box, upang maitakda ang paglaban ng R2 sa iba't ibang mga resistensya na matatagpuan sa PT100 datasheet.

Ang formula na matatagpuan dito ay gagamitin bilang bahagi ng code upang matukoy ang output ng temperatura.

Hakbang 8: Para sa Mas Malaking Saklaw ng Temperatura

Ang isang Type K thermocouple ay maaaring ipakilala sa circuit kung ang napakataas na temperatura ay kailangang maitala. Ang uri ng thermocouple na K ay maaaring sukatin ang saklaw ng temperatura na -270 hanggang 1370 degree Celsius.

Nagpapatakbo ang mga thermocouples batay sa thermoelectric effect, Ang isang pagkakaiba sa temperatura ay gumagawa ng isang potensyal na pagkakaiba (Boltahe).

Tulad ng pagpapatakbo ng mga Thermocouples batay sa pagkakaiba ng dalawang temperatura ang temperatura sa sangguniang sanggunian ay kailangang malaman.

Mayroong dalawang pamamaraan ng pagsukat sa mga thermocouples na maaari naming magamit:

Ang isang PT100 sensor ay maaaring mailagay sa sangguniang sanggunian at sukatin ang boltahe ng sanggunian

Ang sanggunian na pagsasama ng thermocouple ay maaaring ilagay sa isang Ice bath na kung saan ay magiging isang pare-pareho sa 0 degree Celsius ngunit magiging hindi praktikal para sa proyektong ito

Hakbang 9: Pangkalahatang-ideya: Differential Amplifier Stage

Ang pagkakaiba-iba ng amplifier ay isang mahalagang bahagi ng pagbuo. Pinagsasama ng pagkakaiba-iba ng amplifier kung ano ang mahalagang isang di-baligtad at pagbabaliktad na amplifier sa isang solong circuit. Siyempre kagaya ng anumang pagbuo nito ay mayroong sariling mga limitasyon gayunpaman tulad ng ipapakita sa susunod na ilang mga hakbang, tiyak na tumutulong ito sa pagkuha ng tamang output ng 5V.

Hakbang 10: Tungkol sa Pagkakaiba ng Amplifier

Ang kaugalian amplifier ay isang pagpapatakbo amplifier. Ginampanan nito ang isang pangunahing papel sa disenyo ng circuit na ito na nagpapalaki ng output ng boltahe mula sa tulay ng Wheatstone sa mV hanggang V at pagkatapos ay mabasa ito bilang isang input ng boltahe ng Arduino. Ang amplifier na ito ay tumatagal ng dalawang mga input ng boltahe at pinalalakas ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang signal. Ito ay tinatawag na input ng pagkakaiba-iba ng boltahe. Ang pag-input ng boltahe ng pagkakaiba-iba ay pagkatapos ay pinalakas ng amplifier at maaaring sundin sa output ng amplifier. Ang mga input ng amplifier ay nakuha mula sa mga divider ng boltahe ng tulay ng Wheatstone sa nakaraang seksyon.

Hakbang 11: Mga Pakinabang at Limitasyon

Ang pagkakaiba-iba ng amplifier ay may sariling bahagi ng mga kalamangan at kahinaan. Ang pangunahing pakinabang ng paggamit ng naturang isang amplifier ay para sa kadalian ng konstruksyon. Bilang resulta ng madaling konstruksyon na ito, ginagawang mas madali at mahusay ang mga isyu sa pag-troubleshoot na nakasalubong sa circuit.

Ang mga kahinaan ng paggamit ng tulad ng isang circuit ay upang maiayos ang nakuha ng amplifier, ang makakuha ng pagtukoy ng mga resistors (feedback resistor at ground connected resistor) kapwa dapat patayin, na maaaring maging timeconsuming. Pangalawa ang op-amp ay may isang mababang CMRR (ratio ng pagtanggi sa karaniwang mode) na hindi mainam para sa pagpapagaan ng impluwensya ng input na offset boltahe. Kaya sa isang pagsasaayos tulad ng atin, ang pagkakaroon ng isang mataas na CMRR ay mahalaga sa pagpapagaan ng mga epekto ng offset boltahe.

Hakbang 12: Pagpili ng Ninanais na Gain na Makuha

Nagtatampok ang op-amp ng 4 na resistors na konektado sa circuit. 2 na katugmang resistors sa mga input ng boltahe, isa pang konektado sa lupa pati na rin isang resistor ng feedback. Ang dalawang resistors na ito ay nagsisilbing input impedance ng op-amp. Karaniwan, ang isang risistor sa saklaw na 10-100 kilohms ay dapat na sapat, subalit sa sandaling ang mga resistor na ito ay naitakda, ang pakinabang ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng pagpapaalam sa nais na output na makakuha ng pantay sa ratio ng resistor ng feedback sa input risistor sa isa sa mga input (Rf / Rin).

Ang risistor na konektado sa lupa, pati na rin ang resistor ng puna, ay naitugma. Ito ang pakinabang sa pagtukoy ng mga resistors. Sa pamamagitan ng pagkakaroon ng isang mataas na impedance ng pag-input, binabawasan nito ang mga epekto ng paglo-load sa circuit ibig sabihin, pinipigilan ang mataas na halaga ng kasalukuyang mula sa pagmamaneho sa pamamagitan ng aparato na maaaring magkaroon ng mga epekto na hindi nakakaapekto kung hindi nakontrol.

Hakbang 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Ang Arduino ay isang programmable microcontroller na nagtatampok ng mga digital at analog na I / O port. Ang microcontroller ay na-program upang mabasa ang boltahe mula sa amplifier sa pamamagitan ng isang analog input pin. Una, babasahin ng Arduino ang boltahe mula sa saklaw ng output circuit na 0-5 V at i-convert ito sa 0-1023 DU at i-print nito ang halaga. Susunod, ang halaga ng analog ay magpaparami ng 5 at hinati ng 1023 upang makuha ang halaga ng boltahe. Ang halagang ito ay mai-multiply ng 20 upang maibigay ang eksaktong sukat para sa saklaw ng temperatura mula 0-100 C.

Upang makuha ang mga halaga ng offset at pagiging sensitibo, ang mga pagbasa mula sa input pin sa A0 ay kinuha na may iba't ibang mga halaga para sa PT100 at ang grap ay pinlano upang makuha ang linear equation.

Ang code na ginamit:

void setup () {Serial.begin (9600); // simulan ang serial connection sa computer

pinMode (A0, INPUT); // output mula sa amplifier ay konektado sa pin na ito

}

walang bisa loop ()

{float offset = 6.4762;

float sensitivity = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Basahin ang input sa A0

Serial.print ("Halaga ng Analog:");

Serial.println (AnalogValue); // i-print ang halaga ng pag-input

pagkaantala (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul ng 5 upang bigyan ang saklaw na 0-100 degree

Serial.print ("Digital na halaga:");

Serial.println (DigitalValue); // halagang analog boltahe

float temp = (AnalogValue - offset) / pagiging sensitibo;

Serial.print ("Temperatura halaga:");

Serial.println (temp); // print temp

pagkaantala (5000);

}

Hakbang 14: Pag-troubleshoot

Ang supply ng 15V sa op-amp at ang 5V sa bridge ng trigo at arduino ay dapat magkaroon ng isang karaniwang batayan. (lahat ng mga halagang 0v ay kailangang maiugnay nang magkasama.)

Maaaring magamit ang isang Voltmeter upang matiyak na ang boltahe ay bumaba pagkatapos ng bawat risistor upang matulungan matiyak na walang mga maikling circuit.

Kung magkakaiba ang mga resulta at hindi magkakapareho ang mga wires na ginamit ay maaaring masubukan sa pamamagitan ng paggamit ng voltmeter upang masukat ang paglaban ng kawad, kung sinabi ng pagtutol na "offline" nangangahulugan ito na mayroong walang katapusang paglaban at ang wire ay may bukas na circuit.

Ang mga wire ay dapat mas mababa sa 10 ohm.

Ang pagkakaiba-iba ng boltahe sa buong tulay na trigo ay dapat na 0V sa pinakamaliit na saklaw ng saklaw ng temperatura, kung hindi balansehin ang tulay ay maaaring dahil:

ang mga resistor ay may pagpapaubaya, na nangangahulugang maaari silang magkaroon ng isang error na maaaring maging sanhi ng hindi balanse ang tulay ng trigo, ang mga resistensya ay maaaring suriin sa isang voltmeter kung ito ay tinanggal mula sa circuit. ang mas maliit na resistors ay maaaring idagdag sa serye o parallel upang balansehin ang tulay.

Rseries = r1 + r2

1 / Parehas = 1 / r1 + 1 / r2

Hakbang 15: Pagsagip

Ang formula at pamamaraan para sa pag-alis ng system para sa isang iba't ibang mga temperatura ay matatagpuan sa seksyon ng tulay ngstone. Kapag natagpuan ang mga halagang ito at na-set up ang circuit:

Ang PT100 ay dapat mapalitan ng isang resistor box, Ang mga halaga ng paglaban ay dapat na ayusin mula sa bagong saklaw ng temperatura gamit ang naaangkop na mga halaga ng paglaban na nakuha mula sa nakalakip na pdf.

Ang sinusukat boltahe at resistances at dapat na naka-plot sa excel na may temperatura (paglaban) sa x axis at boltahe sa y.

Ang isang formula ay ibibigay mula sa balangkas na ito, ang offset ay magiging pare-pareho na idinagdag at ang pagiging sensitibo ay ang bilang na pinarami ng x.

Ang mga halagang ito ay dapat mabago sa code at matagumpay mong na-save ang system.

Hakbang 16: Pag-set up ng Arduino

ikonekta ang output ng circuit amp sa A0 input pin ng Arduino

Ikonekta ang Arduino Nano sa pamamagitan ng USB port sa isang PC.

i-paste ang code sa Arduino sketch workspace.

Compile ang code.

Piliin ang Mga Tool> Lupon> Piliin ang Arduino Nano.

Piliin ang Mga Tool> Port> Piliin ang COM port.

I-upload ang code sa Arduino.

Ang digital na nilabas na halaga ay ang output ng boltahe ng op-amp (dapat na 0-5V)

Ang halaga ng temperatura ay ang mga system na basahin ang temperatura sa Celsius.