PT100 və Arduino istifadə edərək temperaturun ölçülməsi: 16 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:45

Bu layihənin məqsədi bir temperatur algılama sisteminin dizaynı, qurulması və sınanmasıdır. Sistem 0 ilə 100 ° C arasında bir temperatur aralığını ölçmək üçün hazırlanmışdır. İstiliyi ölçmək üçün bir PT100 istifadə edildi və ətraf temperaturundan asılı olaraq müqavimətini dəyişən bir müqavimət temperatur detektoru (RTD).

Addım 1: Aparat

1 x PT100

1x Çörək Paneli

2x 2.15 kohm rezistorlar

1x 100 ohm müqavimət

Tellər

Enerji təchizatı

Diferensial gücləndirici

Addım 2: PT100 haqqında

Layihəmizin bir hissəsi olaraq ətraf mühitin temperaturunu 0 dərəcədən 100 dərəcəyə qədər ölçmək vəzifəmiz var. Aşağıdakı səbəblərə görə PT100 -dən istifadə etmək qərarına gəldik:

PT100, temperaturu -200 dərəcədən maksimum 850 dərəcəyə qədər ölçə bilən, lakin ümumiyyətlə 200 dərəcədən yuxarı olan temperaturları ölçmək üçün istifadə edilməyən bir müqavimət temperatur detektordur (RTD). Bu sıra tələblərimizə cavab verir.

Bu sensor ətraf mühitin istiliyinə müqavimət göstərir. Sensorun temperaturu ilə müqaviməti arasındakı əlaqə xətti olur. Bu, sensorun tələb etdiyi minimal quruluşla yanaşı, gələcəkdə digər temperatur aralığına ehtiyac olarsa, qurbangahla işləməyi asanlaşdırır.

PT100 də yavaş cavab müddətinə malikdir, lakin dəqiqdir. Bu xüsusiyyətlər hədəfimizə çox təsir etmir və buna görə də hansı temperatur sensörünün istifadə olunacağına qərar verərkən o qədər də təsirli deyildi.

Addım 3: Wheatstone Körpüsü

Buğda daşı körpüsü, bir ayağında naməlum komponenti olan bir körpü dövrəsinin iki ayağını balanslaşdıraraq naməlum elektrik müqavimətini ölçmək üçün istifadə olunur.

Dövrün əsas üstünlüyü 0V -da başlayan bir sıra çıxış gərginliyi əldə etmək qabiliyyətidir.

Sadə bir gərginlik bölücü istifadə edilə bilər, lakin heç bir ofsetdən xilas olmağımıza icazə vermir, bu da gərginlik çıxışını gücləndirməyi daha az təsirli edir.

PT100 -də müqavimət 0 ilə 100 dərəcə Selsi arasında 100 ilə 138.5055 arasında dəyişir.

Bir buğda daşı körpüsünün formulu aşağıda verilmişdir, əlavə edilmiş pdf cədvəlindən əldə edilən müxtəlif silsilələr üçün buğda daşı körpüsünü yenidən ölçmək üçün istifadə edilə bilər.

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

Ssenarimizdə:

R2 bizim PT100 müqavimətimiz olacaq.

R1 R3 -ə bərabər olacaq.

0 C -də 0V çıxmaq üçün R4 -ün 100 ohm bərabər olması lazımdır.

Vout'u 0V və Vin'i 5V olaraq təyin etmək, R1 və R2 = 2.2k ohm üçün müqavimət əldə etməyə imkan verir.

Daha sonra 138.5055 ohmda sensorun müqavimətini 100 dərəcə Selsi = 80mV -də çıxara bilərik.

Addım 4: Dövrəni simulyasiya etmək

Dövrələrimizi simulyasiya etmək üçün OrCAD Capture dövrəmizi simulyasiya etmək və fərqli temperaturda gözlənilən gərginlik çıxışlarını tapmaq üçün istifadə edildi. Bu daha sonra sistemimizin nə qədər dəqiq olduğunu müqayisə etmək üçün istifadə ediləcək.

Dövrə, pt100 müqavimətini 3.85055 ohm addımlarla 100 ohm -dan 138.5055 ohm -ə qədər dəyişən paramatik bir tarama ilə keçici bir zaman təhlili apararaq simulyasiya edildi.

Addım 5: Simulyasiya edilmiş nəticələr

Yuxarıdakı nəticələr dövrənin çıxış gərginliyi ilə müqavimət dəyərlərinin xətti əlaqəsini göstərir.

Nəticələr daha sonra excel -ə daxil edildi və planlandı. Excel bu dəyərlərlə əlaqəli xətti formulu təmin edir. Sensorun xətti və çıxış gərginliyi aralığının təsdiqlənməsi.

Addım 6: Dövrün yaradılması

Dövrə iki 2.2k ohm müqavimət və 100 ohm müqavimət istifadə edərək birləşdirildi.

Rezistorlar +-5%tolerantlığa malikdir. Müxtəlif müqavimət dəyərləri körpünün 0 dərəcə balanssız olmasına səbəb olur.

R4 -ü mümkün olduğu qədər 100 ohm -ə yaxınlaşdırmaq üçün nominal müqavimət miqdarını əlavə etmək üçün paralel rezistorlar 100 ohm rezistora ardıcıl olaraq əlavə edildi.

Bu, 0V -yə son dərəcə yaxın olan 0.00021V çıxış gərginliyi istehsal etdi.

R1 2, 1638 ohm və R3 2, 1572 ohmdur. Mükəmməl balanslaşdırılmış bir körpü verərək R1 və R3 -ü tam bərabər etmək üçün daha çox rezistor bağlana bilər.

mümkün səhvlər:

Fərqli temperatur dəyərlərini yoxlamaq üçün istifadə olunan dəyişən müqavimət qutusu qeyri -dəqiq ola bilər

Addım 7: Ölçülmüş nəticələr

Ölçülən nəticələri aşağıda görmək olar.

Temperatur dəyişikliyi, R2 müqavimətini PT100 məlumat cədvəlində tapıla bilən fərqli müqavimətlərə təyin etmək üçün dəyişən bir müqavimət qutusu istifadə edərək ölçülmüşdür.

Burada tapılan düstur, temperatur çıxışını təyin etmək üçün kodun bir hissəsi olaraq istifadə ediləcək.

Addım 8: Daha Böyük Temperatur Aralığı üçün

Çox yüksək temperaturların qeyd olunmasına ehtiyac olarsa, K tipli bir termokupl dövrəyə daxil edilə bilər. K tipli termokupl -270 ilə 1370 dərəcə Selsi aralığını ölçə bilir.

Termokupllar termoelektrik effektə əsaslanaraq işləyir, temperatur fərqi potensial fərq yaradır (Gərginlik).

Termokupllar iki temperatur fərqinə əsaslanaraq işlədiyi üçün istinad qovşağında temperaturun bilinməsi lazımdır.

İstifadə edə biləcəyimiz termokupllarla ölçməyin iki üsulu var:

Referans qovşağına bir PT100 sensoru yerləşdirilə bilər və istinad gərginliyini ölçə bilər

Termokuplun istinad qovşağı, 0 dərəcə Selsi səviyyəsində olan, lakin bu layihə üçün praktik olmayan bir buz hamamına yerləşdirilə bilər

Addım 9: Baxış: Diferensial Gücləndirici Mərhələ

Diferensial gücləndirici quruluşun ayrılmaz hissəsidir. Diferensial gücləndirici, mahiyyətcə ters çevrilməyən və ters çevrilən gücləndiricini tək bir dövrə birləşdirir. Əlbəttə ki, hər hansı bir quruluşda olduğu kimi, öz məhdudiyyətləri ilə gəlir, lakin sonrakı bir neçə addımda göstəriləcəyi kimi, 5V -nin düzgün çıxışını əldə etməyə kömək edir.

Addım 10: Diferensial Gücləndirici haqqında

Diferensial gücləndirici əməliyyat gücləndiricisidir. Wheatstone körpüsünün mV -dən V -ə qədər olan gərginlik çıxışını gücləndirmək üçün bu sxem dizaynında əsas rol oynayır və sonra Arduino tərəfindən bir gərginlik girişi olaraq oxunur. Bu gücləndirici iki gərginlik girişi alır və iki siqnal arasındakı fərqi gücləndirir. Buna diferensial gərginlik girişi deyilir. Diferensial gərginlik girişi gücləndirici tərəfindən gücləndirilir və gücləndiricinin çıxışında müşahidə edilə bilər. Gücləndirici girişləri əvvəlki hissədəki Wheatstone körpüsünün gərginlik bölücülərindən əldə edilir.

Addım 11: Faydalar və məhdudiyyətlər

Diferensial gücləndirici öz müsbət və mənfi cəhətləri ilə gəlir. Belə bir gücləndiricinin istifadəsinin əsas faydası tikinti asanlığıdır. Bu asan tikinti nəticəsində, dövrə ilə qarşılaşılan problemlərin həllini daha asan və daha səmərəli edir.

Belə bir dövrənin istifadəsinin mənfi cəhətləri, gücləndiricinin qazancını tənzimləmək üçün, mənfəət təyin edən rezistorların (geribildirim müqaviməti və yerə bağlı rezistor) hər ikisinin də söndürülməsidir ki, bu da zaman istehlak edilə bilər. İkincisi, op-amp nisbətən aşağı CMRR-yə (ümumi rejimdən imtina nisbəti) malikdir və bu, giriş ofset gərginliyinin təsirini azaltmaq üçün ideal deyil. Beləliklə, bizim kimi bir konfiqurasiyada yüksək CMRR -ə malik olmaq ofset gərginliyinin təsirini azaltmaq üçün vacibdir.

Addım 12: İstədiyiniz Çıxış Qazancını Seçin

Op-amp, dövrə bağlı 4 rezistora malikdir. Gərginlik girişlərində 2 uyğun rezistor, digəri yerə qoşulmuş və əks əlaqə rezistoru. Bu iki rezistor op-ampin giriş empedansı kimi xidmət edir. Tipik olaraq, 10-100 kilohm aralığında bir rezistor kifayət etməlidir, lakin bu rezistorlar təyin edildikdən sonra mənfəət, istənilən çıxış mənfəətinin giriş rezistorunun giriş müqavimətinə nisbətinə bərabər olması ilə müəyyən edilə bilər. (Rf/Rin).

Torpaq bağlı rezistor və əks əlaqə rezistoru uyğunlaşdırılır. Bunlar qazanc təyin edən rezistorlardır. Yüksək bir giriş empedansına sahib olaraq, dövrə yüklənmənin təsirini minimuma endirir, yəni idarə olunmadığı təqdirdə dağıdıcı təsirlərə səbəb ola biləcək cihazdan yüksək miqdarda cərəyanın keçməsini maneə törədir.

Addım 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino, rəqəmsal və analoq I/O portlarına malik proqramlaşdırıla bilən bir mikro nəzarətçidir. Mikro nəzarətçi, analog giriş pimi vasitəsilə gücləndiricidən gələn gərginliyi oxumaq üçün proqramlaşdırılmışdır. Birincisi, Arduino 0-5 V dövrə çıxış aralığından gərginliyi oxuyacaq və 0-1023 DU-ya çevirəcək və dəyəri çap edəcək. Bundan sonra, gərginlik dəyərini əldə etmək üçün analoq dəyər 5 -ə vurulacaq və 1023 -ə bölünəcək. 0-100 C arasındakı temperatur aralığının dəqiq miqyasını vermək üçün bu dəyər 20 ilə vurulacaq.

Ofset və həssaslıq dəyərlərini əldə etmək üçün A0 -dakı giriş pinindəki oxunuşlar PT100 üçün fərqli dəyərlərlə alındı və xətti tənliyi əldə etmək üçün qrafik tərtib edildi.

İstifadə olunan kod:

void setup () {Serial.begin (9600); // kompüterlə serial əlaqəyə başlayın

pinMode (A0, GİRİŞ); // gücləndiricidən çıxan çıxış bu pinə bağlanacaq

}

boşluq döngəsi ()

{float ofset = 6.4762;

üzmə həssaslığı = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // A0 üzərindəki girişi oxuyun

Serial.print ("Analog dəyər:");

Serial.println (AnalogValue); // giriş dəyərini çap edin

gecikmə (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // 0-100 dərəcə aralığını vermək üçün 5 ilə mul

Serial.print ("Rəqəmsal dəyər:");

Serial.println (DigitalValue); // analog gərginlik dəyəri

float temp = (AnalogValue - ofset)/həssaslıq;

Serial.print ("Temperatur dəyəri:");

Serial.println (temp); // çap tempi

gecikmə (5000);

}

Addım 14: Problemlərin aradan qaldırılması

Op-amp üçün 15V və buğda daşı körpüsünə və arduino üçün 5V təchizatı ortaq bir yerə sahib olmalıdır. (bütün 0v dəyərləri bir -birinə bağlanmalıdır.)

Qısa dövrə olmadığından əmin olmaq üçün hər bir rezistordan sonra gərginliyin düşdüyündən əmin olmaq üçün bir Voltmetr istifadə edilə bilər.

Nəticələr fərqli və uyğunsuzdursa, istifadə olunan tellər telin müqavimətini ölçmək üçün voltmetrdən istifadə etməklə yoxlanıla bilər, əgər müqavimət "offline" deyirsə, bu sonsuz müqavimət və telin açıq dövrə malik olması deməkdir.

Tellər 10 ohmdan az olmalıdır.

Buğda daşı körpüsündəki gərginlik fərqi, temperatur aralığının minimum aralığında 0V olmalıdır, əgər körpü balanslı deyilsə, bunun səbəbi ola bilər:

Rezistorlar bir dözümlülüyə malikdirlər, yəni buğda daşı körpüsünün tarazlığının pozulmasına səbəb ola biləcək bir səhv ola bilər, dövrədən çıxarıldıqda müqavimətlər bir voltmetrlə yoxlanıla bilər. Körpünü balanslaşdırmaq üçün kiçik rezistorlar ardıcıl və ya paralel olaraq əlavə edilə bilər.

Seriyalar = r1+r2

1/Rparallel = 1/r1 + 1/r2

Addım 15: Yenidən ölçülmə

Sistemin fərqli bir temperaturda yenidən ölçülməsi üçün düstur və üsul buğda daşı körpü hissəsində tapıla bilər. Bu dəyərlər tapıldıqdan və dövrə qurulduqdan sonra:

PT100 bir müqavimət qutusu ilə əvəz edilməlidir, müqavimət dəyərləri əlavə edilmiş pdf -dən alınan uyğun müqavimət dəyərlərindən istifadə edərək yeni temperatur aralığından tənzimlənməlidir.

Ölçülmüş gərginlik və müqavimətlər, x oxunda temperatur (müqavimət) və y -də gərginlik ilə Excel -də tərtib edilməlidir.

Bu sxemdən bir düstur veriləcək, ofset əlavə olunan sabit olacaq və həssaslıq x ilə vurulan ədəd olacaq.

Bu dəyərlər kodda dəyişdirilməli və sistemi uğurla yenidən ölçmüsünüz.

Addım 16: Arduino qurmaq

dövrə gücləndiricisinin çıxışını Arduinonun A0 giriş pininə qoşun

Arduino Nano'yu kompüterdəki USB portu ilə bağlayın.

kodu Arduino eskiz iş sahəsinə yapışdırın.

Kodu tərtib edin.

Alətlər> Kart> Arduino Nano'yu seçin.

Alətlər> Liman> COM portunu seçin.

Kodu Arduinoya yükləyin.

Çıxarılan rəqəmsal dəyər, op-ampin gərginlik çıxışıdır (0-5V olmalıdır)

İstilik dəyəri, sistemlərin Selsi ilə oxunan istiliyidir.