Hőmérséklet mérése PT100 és Arduino segítségével: 16 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

A projekt célja egy hőmérsékletérzékelő rendszer tervezése, kiépítése és tesztelése. A rendszert 0 és 100 ° C közötti hőmérséklettartomány mérésére tervezték. A hőmérséklet mérésére PT100 -at használtak, és ez egy ellenálláshőmérséklet -érzékelő (RTD), amely a környezeti hőmérséklettől függően megváltoztatja ellenállását.

1. lépés: Készülék

1x PT100

1x kenyeretábla

2x 2,15 kohm ellenállás

1x 100 ohmos ellenállás

Vezetékek

Tápegység

Differenciális erősítő

2. lépés: A PT100 -ról

Projektünk részeként azt a feladatot kapjuk, hogy mérjük a környezeti hőmérsékletet 0 és 100 Celsius fok között. A következő okok miatt döntöttünk a PT100 használata mellett:

A PT100 egy ellenálláshőmérséklet -érzékelő (RTD), amely -200 fok és legfeljebb 850 Celsius fok közötti hőmérsékletet képes mérni, de általában nem használják 200 fok feletti hőmérséklet mérésére. Ez a tartomány megfelel követelményeinknek.

Ez az érzékelő adott környezeti hőmérsékleten ellenállást produkál. A hőmérséklet és az érzékelő ellenállása közötti kapcsolat lineáris. Ez az érzékelő minimális beállításával együtt megkönnyíti a munkát és az oltárt, ha más hőmérsékleti tartományokra lesz szükség a jövőben.

A PT100 lassú válaszidővel is rendelkezik, de pontos. Ezek a jellemzők nincsenek nagy hatással a célunkra, így nem voltak olyan befolyásosak, amikor eldöntöttük, hogy melyik hőmérséklet -érzékelőt használjuk.

3. lépés: Wheatstone híd

A búzakő híd ismeretlen elektromos ellenállás mérésére szolgál egy híd áramkör két lábának kiegyensúlyozásával, amelyek egyik lába tartalmazza az ismeretlen alkatrészt.

Az áramkör elsődleges előnye, hogy képes 0V -nál kezdődő kimeneti feszültségtartományt felvenni.

Egy egyszerű feszültségosztó használható, de nem engedné meg, hogy megszabaduljunk a jelen lévő eltolódástól, ami a kimeneti feszültség erősítését kevésbé hatékonyvá tenné.

A PT100 ellenállása 100 és 138,5055 között változik 0 és 100 Celsius fok közötti hőmérsékleten.

A búzakőhíd képlete az alábbiakban található, és a búzakőhíd átméretezésére használható a mellékelt pdf táblázatból származó különböző tartományokhoz.

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

A mi forgatókönyvünk szerint:

Az R2 lesz a PT100 ellenállásunk.

R1 egyenlő lesz R3 -mal.

Az R4 -nek 100 ohmnak kell lennie, hogy 0 Celsius fokon 0 V -ot adjon ki.

Ha a Vout értéket 0V -ra, a Vin értékét 5V -ra állítja, akkor ellenállást kapunk R1 és R2 = 2,2 k ohm értékekhez.

Ezt követően 138,5055 ohmban csökkenthetjük az érzékelő ellenállását, hogy 100 Celsius fok = 80 mV kimeneti feszültséget kapjunk

4. lépés: Az áramkör szimulálása

Az áramkörök szimulálására szolgáló eszköz, az OrCAD Capture az áramkörünk szimulálására és a várható feszültségkimenetek megtalálására különböző hőmérsékleten. Ezt később arra használjuk, hogy összehasonlítsuk a rendszerünk pontosságát.

Az áramkört szimulálták egy átmeneti időelemzés végrehajtásával, paraméteres söpréssel, amely a pt100 ellenállást 100 ohmról 138,5055 ohmra változtatta 3,85055 ohm lépésekben.

5. lépés: Szimulált eredmények

A fenti eredmények az áramkör kimeneti feszültsége és az ellenállási értékek lineáris kapcsolatát mutatják.

Az eredményeket ezután excelbe vittük és ábrázoltuk. Az Excel megadja az ezekhez az értékekhez tartozó lineáris képletet. Az érzékelő linearitásának és kimeneti feszültségtartományának megerősítése.

6. lépés: Az áramkör létrehozása

Az áramkört két 2,2 ohmos ellenállás és egy 100 ohmos ellenállás segítségével állították össze.

Az ellenállások tűrése +-5%. A különböző ellenállási értékek miatt a híd 0 fokon kiegyensúlyozatlan.

Párhuzamos ellenállásokat adtak hozzá sorosan a 100 ohmos ellenálláshoz, hogy névleges mennyiségű ellenállást hozzanak létre, hogy az R4 a lehető legközelebb legyen a 100 ohmhoz.

Ez 0,00021 V kimeneti feszültséget eredményezett, ami rendkívül közel van a 0 V -hoz.

R1 2, 1638 ohm, R3 pedig 2, 1572 ohm. Több ellenállást lehet csatlakoztatni, hogy R1 és R3 pontosan egyenlőek legyenek, tökéletesen kiegyensúlyozott hidat biztosítva.

lehetséges hibák:

A különböző hőmérsékleti értékek tesztelésére használt változó ellenállás doboz pontatlan lehet

7. lépés: Mért eredmények

A mért eredmények alább láthatók.

A hőmérséklet változását egy változó ellenállás doboz segítségével mértük, hogy beállítsuk az R2 ellenállását a PT100 adatlapján található különböző ellenállásokra.

Az itt található képletet a kód részeként fogjuk használni a kimeneti hőmérséklet meghatározásához.

8. lépés: Sokkal nagyobb hőmérsékleti tartományokhoz

K típusú hőelemet lehet bevinni az áramkörbe, ha nagyon magas hőmérsékletet kell rögzíteni. A K típusú hőelem -270 és 1370 Celsius fok közötti hőmérséklettartományt képes mérni.

A hőelemek a termoelektromos hatás alapján működnek. A hőmérsékletkülönbség potenciális különbséget eredményez (Feszültség).

Mivel a hőelemek két hőmérséklet különbsége alapján működnek, a referencia -csomópont hőmérsékletét ismerni kell.

A hőelemekkel kétféle mérési módszert használhatunk:

Egy PT100 érzékelőt lehet elhelyezni a referencia -csomópontban, és meg kell mérni a referenciafeszültséget

A hőelem referencia csomópontját jégfürdőbe lehet helyezni, amely állandó 0 Celsius fok, de nem praktikus ebben a projektben

9. lépés: Áttekintés: Differenciálerősítő szakasz

A differenciálerősítő a konstrukció szerves része. A differenciális erősítő egyetlen áramkörbe egyesíti a lényegében nem invertáló és invertáló erősítőt. Természetesen, mint minden konstrukció esetében, ennek is megvannak a maga korlátai, de amint azt a következő néhány lépésben bemutatjuk, ez határozottan elősegíti a megfelelő 5 V -os kimenet elérését.

10. lépés: A differenciálerősítőről

A differenciálerősítő egy műveleti erősítő. Kulcsszerepet játszik ebben az áramkör -kialakításban, amely a Wheatstone -híd kimeneti feszültségét erősíti mV -ban V -ba, majd az Arduino bemeneti feszültségbemenetként olvassa be. Ez az erősítő két feszültségbemenetet vesz fel, és felerősíti a két jel közötti különbséget. Ezt differenciális feszültségbemenetnek nevezik. A differenciális feszültség bemenetet az erősítő felerősíti, és megfigyelhető az erősítő kimenetén. Az erősítő bemeneteit a Wheatstone híd feszültségosztóitól kapjuk az előző részben.

11. lépés: Előnyök és korlátozások

A differenciális erősítőnek megvan a maga előnye és hátránya. Az ilyen erősítő használatának fő előnye a könnyű építés. Ennek az egyszerű konstrukciónak köszönhetően könnyebbé és hatékonyabbá teszi az áramkörrel kapcsolatos hibaelhárítási problémákat.

Az ilyen áramkör használatának hátrányai az, hogy az erősítő erősítésének beállításához az erősítés -meghatározó ellenállásokat (visszacsatoló ellenállás és földhöz csatlakoztatott ellenállás) ki kell kapcsolni, ami időigényes lehet. Másodszor, az op-erősítő viszonylag alacsony CMRR-vel rendelkezik (common-mode rejection ratio), ami nem ideális a bemeneti eltolási feszültség hatásának mérséklésére. Így egy olyan konfigurációban, mint a miénk, a magas CMRR -érték elengedhetetlen az eltolt feszültség hatásainak enyhítéséhez.

12. lépés: Válassza ki a kívánt kimeneti erősítést

Az op-amp 4 ellenállást tartalmaz az áramkörhöz. 2 illeszkedő ellenállás a feszültségbemeneteken, egy másik a földhöz csatlakoztatva, valamint egy visszacsatoló ellenállás. Ez a két ellenállás szolgál az op-erősítő bemeneti impedanciájaként. Általában egy 10-100 kilométeres ellenállásnak elegendőnek kell lennie, azonban ha ezeket az ellenállásokat beállították, az erősítést úgy lehet meghatározni, hogy a kívánt kimeneti erősítést megegyezik a visszacsatolási ellenállás és a bemeneti ellenállás arányával az egyik bemeneten (Rf/Rin).

A földhöz csatlakoztatott ellenállás, valamint a visszacsatolási ellenállás illeszkedik. Ezek a nyereség meghatározó ellenállások. A magas bemeneti impedanciával minimalizálja a terhelés áramkörre gyakorolt hatását, azaz megakadályozza, hogy nagy mennyiségű áram áramoljon át az eszközön, ami pusztító hatásokat okozhat, ha ellenőrizetlen.

13. lépés: ARDUINO MIKROKONTROLLER

Az Arduino egy programozható mikrovezérlő digitális és analóg I/O portokkal. A mikrokontrollert úgy programozták, hogy analóg bemeneti tűn keresztül olvassa le az erősítő feszültségét. Először az Arduino leolvassa a feszültséget az áramkör 0-5 V kimeneti tartományából, és átalakítja 0-1023 DU-ra, és kinyomtatja az értéket. Ezután az analóg értéket megszorozzuk 5 -tel, és elosztjuk 1023 -mal, hogy megkapjuk a feszültségértéket. Ezt az értéket meg kell szorozni 20-cal, hogy pontos skálát kapjunk a 0-100 C közötti hőmérséklet-tartományhoz.

Az eltolási és érzékenységi értékek lekéréséhez az A0 bemeneti csapjának leolvasásait különböző értékekkel vettük a PT100 -ra, és a grafikont ábrázoltuk, hogy megkapjuk a lineáris egyenletet.

A használt kód:

void setup () {Serial.begin (9600); // indítsa el a soros kapcsolatot a számítógéppel

pinMode (A0, INPUT); // az erősítő kimenete ehhez a tűhöz lesz csatlakoztatva

}

üres hurok ()

{float offset = 6,4762;

lebegési érzékenység = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Olvassa el az A0 bemenetét

Serial.print ("Analóg érték:");

Serial.println (AnalogValue); // a bemeneti érték nyomtatása

késleltetés (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul 5-tel, hogy 0-100 fokos tartományt kapjunk

Serial.print ("Digitális érték:");

Serial.println (DigitalValue); // analóg feszültségérték

float temp = (AnalogValue - offset)/érzékenység;

Serial.print ("Hőmérséklet érték:");

Serial.println (temp); // nyomtatási hőmérséklet

késleltetés (5000);

}

14. lépés: Hibaelhárítás

Az op-erősítő 15 V-os tápfeszültségének és a búzakőhídnak és az arduino-nak 5 V-os feszültségnek közös alapokkal kell rendelkeznie. (minden 0v értéket össze kell kapcsolni.)

Voltmérővel biztosítható, hogy minden ellenállás után csökkenjen a feszültség, hogy elkerülhető legyen a rövidzárlat.

Ha az eredmények változóak és ellentmondásosak, a használt vezetékeket a voltmérővel lehet tesztelni a vezeték ellenállásának mérésére, ha az ellenállás "offline" feliratot jelez, az azt jelenti, hogy végtelen az ellenállás és a vezeték nyitott áramkörrel rendelkezik.

A vezetékeknek kevesebbnek kell lenniük, mint 10 ohm.

A búzakőhíd feszültségkülönbségének 0V -nak kell lennie a hőmérsékleti tartomány minimális tartományában, ha a híd nincs kiegyensúlyozva, annak oka lehet:

Az ellenállások tűréssel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy hiba léphet fel, ami a búzakőhíd kiegyensúlyozatlanságát okozhatja, az ellenállásokat voltmérővel lehet ellenőrizni, ha eltávolítják az áramkörből. sorban vagy párhuzamosan kisebb ellenállásokat lehet hozzáadni a híd kiegyensúlyozásához.

Rseries = r1+r2

1/R párhuzamos = 1/r1 + 1/r2

15. lépés: Átméretezés

A rendszer más hőmérsékletre történő átméretezésére szolgáló képlet és módszer megtalálható a búzakő híd szakaszban. Ha megtalálta ezeket az értékeket és beállítja az áramkört:

A PT100 -at le kell cserélni egy ellenállásdobozra, Az ellenállási értékeket az új hőmérsékleti tartományból kell beállítani a mellékelt pdf -ből kapott megfelelő ellenállási értékek használatával.

A mért feszültséget és ellenállásokat Excel -ben kell ábrázolni, a hőmérséklet (ellenállás) az x tengelyen és a feszültség az y tengelyen.

Ebből a diagramból egy képletet kapunk, az eltolás a hozzáadott állandó, az érzékenység pedig az x -szel megszorozott szám.

Ezeket az értékeket módosítani kell a kódon, és sikeresen átméretezte a rendszert.

16. lépés: Az Arduino beállítása

csatlakoztassa az áramkör erősítő kimenetét az Arduino A0 bemeneti érintkezőjéhez

Csatlakoztassa az Arduino Nano -t a számítógép USB -portján keresztül.

illessze be a kódot az Arduino vázlat munkaterületére.

Fordítsa össze a kódot.

Válassza az Eszközök> Tábla> Arduino Nano lehetőséget.

Válassza az Eszközök> Port> COM port kiválasztása lehetőséget.

Töltse fel a kódot az Arduino -ba.

A kimenő digitális érték az op-erősítő kimeneti feszültsége (0-5V legyen)

A hőmérséklet érték a rendszer Celsius -ban olvasott hőmérséklete.