Arduino istifadə edərək PT100 -dən temperaturun ölçülməsi: 6 addım (şəkillərlə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-31 10:16

PT100, ətraf temperaturundan asılı olaraq müqavimətini dəyişən bir müqavimət temperatur detektoru (RTD), yavaş dinamikası və nisbətən geniş temperatur aralığına malik sənaye proseslərində geniş istifadə olunur. Yavaş dinamik proseslər üçün istifadə olunur, çünki RTD -lərin yavaş cavab müddəti var (bu barədə daha sonra danışacağam), lakin dəqiqdir və zamanla aşağı sürüşməyə malikdir. Bu Təlimat kitabında sizə göstərəcəyim şey sənaye standartına uyğun olmayacaq, ancaq bir çox həvəskarın tanış olduğu LM35 -dən və dövrə nəzəriyyəsinin göstərildiyindən fərqli olaraq temperaturun ölçülməsi üçün alternativ bir yol göstərəcək. digər sensorlara da tətbiq oluna bilər.

Addım 1: Komponentlər

1x PT100 (İki Tel)

1x Arduino (İstənilən Model)

3x 741 Əməliyyat Gücləndiriciləri (LM741 və ya UA741)

1x 80ohm rezistor

2x 3.9kohms rezistorlar

2x 3.3 kohm rezistorlar

2x 8.2kohms rezistorlar

2x 47kohms rezistorlar

1x 5 kohm potensiometr

1x İki Terminal Güc Təchizatı və ya 8x 1.5V AA Batareya

İki telli PT100 istifadə edirəm, üç və dörd telli PT100 -lərin fərqli sxemləri olacaq. Bunların əksəriyyəti üçün müqavimət dəyərləri yuxarıdakı kimi eyni olmalı deyil, ancaq bir cüt rezistor varsa, yəni 3.9Kohms, əgər bunları 5k ilə əvəz etsəniz, hər ikisini də 5k ilə dəyişdirməlisiniz. eyni olmaq lazımdır. Dövrü əldə etdikdə fərqli dəyərlərin seçilməsinin təsirini söyləyəcəyəm. Əməliyyat gücləndiriciləri (op amps) üçün digər op amperlərindən istifadə edə bilərsiniz, amma bunlar mənim istifadə etdiyimdir.

Addım 2: Wheatstone Körpüsü

Dövrənin birinci hissəsi haqqında danışmazdan əvvəl, temperaturun PT100 üçün müqavimətdən alınması formulu haqqında danışmalıyam, müqavimət formulu belədir:

burada Rx - PT100 müqaviməti, R0 - 0 dərəcə C -də PT100 müqaviməti, α - temperatur müqavimət əmsalı və T - temperatur.

Bu PT100 olduğu üçün R0 100 ohmdur, əgər PT1000 olsaydı, R0 1000ohms olardı. α məlumat cədvəlindən alınmış 0.00385 ohm/dərəcə C -dir. Burada tapa biləcəyiniz daha doğru bir düstur da var, ancaq yuxarıdakı düstur bu layihə üçün edəcək. Düsturu köçürsək, verilən müqavimət üçün temperaturu hesablaya bilərik:

Tutaq ki, temperatur aralığı -51.85 ilə 130 dərəcə arasında olan bir şeyi ölçmək istəyirik və PT100 -ü şəkil 1 -də göstərilən dövrə yerləşdirdik. ilk şəkildə) gərginlik aralığını hesablaya bilərik. Aralığın alt hissəsi T = -51.85 (80ohms)

və 130 dərəcə (150 ohm):

Bu, 0.1187V aralığında və 0.142 bir DC ofseti verərdi, çünki bilirik ki, temperaturumuz heç vaxt -51.85 C -dən aşağı düşməyəcək, bu gərginliyi gücləndirdiyimiz zaman maraqlandığımız diapazonda (80-130ohms) həssaslığı azaldacaq. Bu DC ofsetindən qurtulmaq və həssaslığımızı artırmaq üçün ikinci şəkildə göstərilən Wheatstone körpüsündən istifadə edə bilərik.

İkinci gərginlik ayırıcının (Vb-) çıxışı, sonradan diferensial gücləndirici istifadə edərək birinci gərginlik bölücü çıxışından (Vb+) çıxılacaq. Körpünün çıxışı üçün formula yalnız iki gərginlik bölücüdür:

PT100 üçün gərginlik 80 ohmdur və şəkildəki digər dəyərlərdən istifadə olunur:

və 150 ohm olan Pt100 üçün:

Wheatstone istifadə edərək, DC ofsetindən xilas oluruq və gücləndirildikdən sonra həssaslığı artırırıq. Wheatstone körpüsünün necə işlədiyini bildiyimiz üçün niyə 80ohm və 3.3kohm istifadə etdiyimiz barədə danışa bilərik. 80ohms, yuxarıdakı düsturdan bir şəkildə izah olunur, bu dəyəri seçin (buna ofset müqavimət Roff deyəcəyik) temperaturunuzun alt aralığı və ya daha yaxşı, aralığınızın altından bir qədər aşağıda, temperatur tənzimlənməsi və ya buna bənzər bir nəzarət sistemi, temperaturun temperatur aralığınızın altına nə qədər aşağı düşdüyünü bilmək istərdiniz. Beləliklə, -51.85C aralığınızın altındadırsa, Roff üçün 74.975 ohm (-65 dərəcə C) istifadə edin.

Mən cari məhdudlaşdırmaq və çıxış xətti artırmaq üçün iki səbəbdən R1 və R3 üçün 3.3k seçdim. PT100, temperatur səbəbiylə müqaviməti dəyişdiyindən, içindən çox cərəyan keçməsi özünü qızdırması səbəbiylə səhv oxunuşlar verər, buna görə 5-10mA maksimum bir cərəyan seçdim. PT100 80ohms olduqda, cari 1.775mA -dır, bu qədər yüksəkdir. Həssaslığı artırmaq üçün müqaviməti azaldırsınız, lakin bu xəttiliyə mənfi təsir göstərə bilər, çünki xətti olmayan bir çıxışı olan xəttin tənliyini daha sonra (y = mx+c) istifadə edəcəyik. Üçüncü şəkil fərqli üst rezistorlar istifadə edərək körpü çıxışının qrafikinə malikdir, qatı xətt faktiki çıxışdır və nöqtəli xətt xətti yaxınlaşmadır. Tünd mavi qrafikdə görə bilərsiniz (R1 & R3 = 200ohms) ən böyük gərginlik aralığını verir, lakin çıxış ən az xətti olur. Açıq mavi (R1 & R3 = 3.3kohms) ən kiçik gərginlik aralığını verir, lakin nöqtəli xətt və düz xətt üst -üstə düşür və xətti çox yaxşı olduğunu göstərir.

Tətbiqinizə uyğun olaraq bu dəyərləri dəyişdirməkdən çekinmeyin, həmçinin gərginliyi dəyişdirsəniz, cərəyanın çox yüksək olmadığından əmin olun.

Addım 3: Gücləndirmə

Son addımda, çıxarılan iki gərginlik bölücünün çıxış aralığının 0 ilə 0.1187 arasında olduğunu gördük, ancaq bu gərginliklərin necə çıxarılacağı haqqında danışmadıq. Bunu etmək üçün bir girişi digərindən çıxarıb gücləndiricinin qazancı ilə artıran diferensial gücləndiriciyə ehtiyacımız olacaq. Diferensial gücləndiricinin dövrəsi birinci şəkildə göstərilmişdir. Vb+ -ı ters girişə və Vb-inverməyən girişə verirsiniz və çıxış Vb+- Vb- olacaq, yəni heç bir gücləndirmə yoxdur, ancaq şəkildə göstərilən rezistorları əlavə edərək 5.731 qazanc əlavə edirik.. Qazanc aşağıdakılarla verilir:

Ra R5 və R7 və Rb R6 və R8 -dir, gərginlik aşağıdakı kimi verilir:

Bu gücləndiricinin körpünün çıxışına, yükləmə effektinə və qazancın dəyişdirilməsinə bağlı iki problem var. Ampin qazancını dəyişdirmək üçün ən azı iki rezistoru dəyişdirməyiniz tələb olunur, çünki iki cüt rezistor eyni olmalıdır, buna görə də eyni dəyərə malik olan iki qazana sahib olmaq zəhlətökən olardı, buna görə də alət gücləndiricisi deyilən bir şeyi istifadə edəcəyik. aşağıda haqqında danışacağam. Yükləmə effekti, PT100 üzərindəki gərginliyin azalmasına təsir edən amperə daxil olan müqavimətlərdir, PT100 üzərindəki gərginliyin dəyişməməsini istəyirik və bunu etmək üçün giriş rezistorları üçün çox böyük müqavimətlər seçə bilərik ki, PT100 -ün paralel müqaviməti olsun. və giriş müqaviməti PT100 müqavimətinə çox yaxındır, lakin bu, girməyəcəyim səs -küy və gərginlik çıxışı ilə bağlı problemlərə səbəb ola bilər. Sadəcə Kohms aralığından orta məsafəni seçin, amma dediyim kimi, kiçik rezistorların olması da pisdir, buna görə də dövrəni bir az dəyişəcəyik.

İkinci şəkildə, dövrələrin iki yarısını (körpü və gücləndirmə) ayırmaq üçün bir tampon gücləndirici işləyən bir cihaz gücləndiricisinə bağlı olan körpünün çıxışı var və yalnız bir potansiyometr dəyişdirərək girişi gücləndirmək üçün istifadə etməyə imkan verir. Rgain). Cihazların gücləndiricisinin qazancı aşağıdakı kimidir:

burada Rc qazanın üstündəki və altındakı iki 3.9k rezistordur.

Rgaini azaltmaqla gücləndirmə artır. Sonra Va və Vb nöqtələrində (gücləndirilmiş Vb+ və Vb-), əvvəlki kimi diferensial bir gücləndiricidir və dövrənin ümumi qazancı yalnız birlikdə qazanılan qazanclardır.

Qazancınızı seçmək üçün əvvəllər Roff ilə etdiyimiz kimi bir şey etmək istəsəniz, keçərsə aralığınızdakı maksimum temperaturunuzdan bir qədər yüksək müqavimət seçməliyik. 5V adc olan Arduino istifadə etdiyimiz üçün, dövrənin maksimum çıxışı seçdiyiniz maksimum temperaturda 5V olmalıdır. Maksimum müqavimət və gücləndirilməyən körpü gərginliyi 0.1187V, ehtiyacımız olan qazanc 42.185 (5/0.1187) olaraq 150ohms seçək.

Tutaq ki, Ra, Rb və Rc -ni 8.2k, 47k və 3.9k olaraq saxlayırıq, sadəcə Rgain qazanının dəyərini tapmalıyıq:

İstifadə etdiyimiz temperatur aralığından tam 5 volt çıxarmaq üçün Rgainin dəyərini 1.226k olaraq dəyişdirin. Diferensial gücləndiricidən çıxan çıxış gərginliyi:

Addım 4: Dövrə Gücləndirmə

Bu, dövrənin son addımıdır, ola bilsin ki, Vcc+ və Vcc-ni op amp dövrələrində görürsünüz, bunun düzgün işləməsi üçün həm müsbət, həm də mənfi gərginliyə ehtiyac duyduqları üçün tək dəmir yolu op-amper əldə edə bilərsiniz, amma qərar verdim Ətrafımda yatdığım kimi bu ampu istifadə etmək. +6V və -6V təmin edəcəyik, bunu edə biləcəyimiz üç yol var. Birincisi, tək bir enerji təchizatından iki enerji təchizatı və ya iki çıxış terminalına sahib olduğumuz, hər ikisinin 6V -də olduğu və digərinin mənfi ilə əlaqəli bir müsbət çıxışı olduğu ilk şəkildə göstərilmişdir. Üst tədarükün 6V +6V, alt təchizatın pozitivi GND, alt təchizatın mənfi isə -6V olacaq. İKİ QAYDALARIN GNDSİ AYIRILSA YA DA GÜÇLƏRİNİZƏ ZARAR VERƏCƏK, BUNU KİMİ BAXLAYIN. Bütün kommersiya enerji təchizatı GND -ləri ayıracaqdı, amma yoxlamaq istəyirsinizsə, multimetrinizdə davamlılıq test cihazından istifadə edin, əgər səslənirsə, bu qurğudan istifadə etməyin və sonrakı birini istifadə edin. Evdə hazırladığım tədarükdə bunu edən sigortanı partladım.

İkinci şəkil, əldə edə biləcəyimiz ikinci qurğudur, bir təchizatın digərindən iki qat daha çox gərginliyə sahib olmasını tələb edir, lakin GND -lər bağlı olduqda təchizata zərər verməyəcək. İki təchizatımız var, biri 12V, digəri 6V. 12V +6V olaraq işləyəcək, ikinci tədarükdən 6V GND və təchizatdan çıxan iki faktiki GND -6V olaraq çıxış edəcək.

Bu son qurğu yalnız bir çıxışı olan enerji təchizatı üçündür, təchizat gərginliyinin yarısını tampon gücləndiricisindən keçirərək virtual bir zəmin yaratmaq üçün qazanc 1 tampon gücləndiricisini istifadə edir. Sonra 12V +6V rolunu oynayacaq və faktiki GND terminalı -6V olacaq.

Batareyalardan istifadə etmək istəyirsinizsə, ilk quruluşu təklif edərdim, amma batareyalarla bağlı problem, ölməyə başlayanda geriliyin düşməsi və körpüdən çıxan gərginliyin də düşməsi, yanlış temperatur oxunuşları verməsi. Əlbəttə ki, batareyalardan gələn gərginliyi oxuya və hesablamalara daxil edə və ya tənzimləyicilərdən və daha çox batareyadan istifadə edə bilərsiniz. Sonda bu sizə aiddir.

Addım 5: Tam Dövrə və Kod

Tam dövrə yuxarıda göstərilmişdir və Autodesk -in yeni Circuits.io -da hazırlanmışdır ki, bu da çörək lövhəsində sxemlər, dövrə diaqramını (şəkil 2 -də göstərilmişdir) və PCB diaqramlarını və ən yaxşı hissəni düzəltməyə imkan verir. hətta bir Arduino proqramlaşdıra və çörək taxtası rejiminə qoşa bilərsiniz, səhifənin aşağı hissəsində simulyasiya var və iki qazanla oynaya bilərsiniz. Dövrü təkrarlamaq və öz dəyərlərinizi qoymaq istəyirsinizsə, dövrəni burada tapa bilərsiniz. Birinci qazan 70 ohm və 80-150 ohm aralığında PT100-nu simulyasiya edən 80 ohm rezistorlu seriyalıdır, ikinci qazan isə alət gücləndiricisinin qazancıdır. Təəssüf ki, kodum üçün yüklədiyim bir kitabxanadan istifadə etdim, buna görə Arduino aşağıdakı sxemə daxil deyil, ancaq qoşulmaq üçün yalnız iki əlavə tel var. LTspice ilə daha rahatsınızsa, dövrə ilə bir asc faylı daxil etdim.

A0 pinini Diferensial gücləndiricinin çıxışına qoşun

Arduinonun GND -ni dövrə GND -yə qoşun (THE -6V DEYİL)

Və bu dövrəyə keçdik, indi koda keçək. Y = mx+c düsturundan istifadə edəcəyimizi əvvəllər qeyd etmişdim, indi m (yamac) və c (ofset) hesablayacağıq. Arduino -da, gərginliyi oxuyacağıq, ancaq temperatur tənliyi PT100 -ün müqavimətini bilməyimizə ehtiyac duyur, buna görə də Serial.println (temp) Serial.println (V) ilə əvəz etmək və iki temperaturda gərginlik və müqavimət. Bu testi edərkən PT100 -ü bir -iki dəqiqə kimi bir az tək qoyun və hər hansı bir istilik mənbəyindən (günəş işığı, noutbuk fanatı, bədəniniz və s.) Uzaq tutun.

Əldə edə biləcəyimiz ilk nöqtə otaq istiliyidir, dövrə qoşulduqda və işləyərkən Arduino tərəfindən oxunan gərginliyi (Vt1) serial monitorda qeyd edin və PT100 -ü tez bir zamanda ayırın və müqavimətini (Rt1) qeyd edin. çıxardıqda probu əllərinizə çəkin, çünki bu müqaviməti dəyişəcək. İkinci temperatur üçün, probu buzlu suya və ya isti suya yerləşdirə bilərik (isti su istifadə edərkən diqqətli olun) və Vt2 və Rt2 tapmadan əvvəl etdiklərimizi təkrarlaya bilərik. Probu mayenin içinə qoyduqdan sonra müqavimətin həll olması üçün bir -iki dəqiqə gözləyin. PT100 -in vaxt reaksiyası ilə maraqlanırsınızsa, hər 2 saniyədə bir ardıcıl monitorun gərginliyini qeyd edin və bundan bir qrafik çəkə bilərik və bunu daha sonra izah edəcəyəm. İki gərginlik və müqavimətdən istifadə edərək yamacı aşağıdakı kimi hesablaya bilərik:

Rt1 və Rt2 iki temperaturda olan müqavimətlərdir və Vt1 və Vt2 gərginlikləri üçün də eynidir. Yamacdan və qeyd etdiyiniz iki nöqtədən birindən ofset hesablaya bilərik:

C əsl Roffunuza yaxın olmalıdır, mənim simulyasiyamla bu dəyərləri hesabladım:

Bu müqavimətdən, əvvəldən əldə etdiyimiz düsturu istifadə edərək istiliyimizi tapa bilərik:

Və budur, Arduino kodu aşağıda verilmişdir, hər hansı bir probleminiz varsa, bir şərh yazın və kömək etməyə çalışacağam.

Bir müddət əvvəl etdiyim kimi hazırladığım dövrənin şəkilləri yoxdur və PT100 -ü yenidən düzəltmək və yoxlamaq üçün yox, ancaq bunun işlədiyinə inanmalısınız. Tapdığım Təlimatlarda PT100 haqqında çox şey yoxdur, buna görə də bu ible etdi.

Növbəti addımda PT100 -in zaman reaksiyasından bəhs edəcəyəm və riyaziyyatla maraqlanmırsınızsa, temperatur dəyişikliyini ölçərkən, PT100 -ün oxunuşunu almadan bir dəqiqə və ya daha çox müddətə həll etməsinə icazə verin.

Əgər etdiyim digər layihələri görmək istəyirsinizsə, mənim səhifəmi ziyarət edin

Blog: Roboroblog

YouTube kanalı: Roboro

Və ya digər göstərişlərimə baxın: burada

HTML aşağıdakı kodu qarışdırarsa, kod əlavə olunur

* Bu kod PT100 istifadə edərək temperaturu hesablayır

* Roboro tərəfindən yazılmışdır * Github: <a href = "https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href =" https://github.com/RonanB96/Read-Temp- From-PT100-… <a href = "https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… >>>>>>>>> * Circuit: <a href=" href="https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href=" https://github.com/ronanb96/read-temp-from-pt100-…="">>>>>>>>>> * Blog: <a href=" href="https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href=" https://github.com/ronanb96/read-temp-from-pt100-…="">>>>>>>>>> * Instrustable Post: <a href=" href="https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href=" https://github.com/ronanb96/read-temp-from-pt100-…="">>>>>>>>>> * */ //You'll need to download this timer library from here //https://www.doctormonk.com/search?q=timer #include "Timer.h" // Define Variables float V; float temp; float Rx; // Variables to convert voltage to resistance float C = 79.489; float slope = 14.187; // Variables to convert resistance to temp float R0 = 100.0; float alpha = 0.00385; int Vin = A0; // Vin is Analog Pin A0 Timer t; // Define Timer object

void setup() {

Serial.begin(9600); // Set Baudrate at 9600 pinMode(Vin, INPUT); // Make Vin Input t.every(100, takeReading); // Take Reading Every 100ms } void loop() { t.update(); // Update Timer } void takeReading(){ // Bits to Voltage V = (analogRead(Vin)/1023.0)*5.0; // (bits/2^n-1)*Vmax // Voltage to resistance Rx = V*slope+C; //y=mx+c // Resistance to Temperature temp= (Rx/R0-1.0)/alpha; // from Rx = R0(1+alpha*X) // Uncommect to convet celsius to fehrenheit // temp = temp*1.8+32; Serial.println(temp); }

Step 6: Time Response of PT100

Buna görə qeyd etdim ki, PT100 yavaş cavab verir, lakin istənilən vaxt PT100 tərəfindən oxunan cari temperatur üçün bir düstur əldə edə bilərik. PT100 cavabı, Laplace terminlərində, yəni transfer funksiyasında yazıla bilən birinci dərəcəli cavabdır:

burada tau (τ) zaman sabitidir, K sistemin qazancıdır və s, jω olaraq yazıla bilən Laplace operatorudur, burada ω tezlikdir.

Zaman sabitliyi, birinci dərəcəli sistemin yeni dəyərini həll etmək üçün nə qədər vaxt lazım olduğunu və 5*tau yeni sabit vəziyyətdə qərarlaşmaq üçün nə qədər vaxt lazım olduğunu bildirir. Qazanc K, girişin nə qədər gücləndiriləcəyini söyləyir. PT100 ilə qazanc, müqavimət dəyişikliklərinin temperatur dəyişikliyinə nə qədər bölünməsidir, bu məlumat cədvəlindən iki təsadüfi dəyər seçərək 0.3856 ohm/C qazandım.

Dediyimə qədər, probu isti və ya soyuq halda maye içərisinə qoyduqdan sonra hər 2 saniyədə bir gərginliyi qeyd edə bilərsiniz, bundan sistemin zaman sabitini hesablaya bilərik. Əvvəlcə başlanğıc nöqtəsinin və son nöqtənin harada olduğunu müəyyənləşdirməlisiniz, zondu maye içərisinə qoymadan əvvəl başlanğıc nöqtəsi gərginlikdir və bitmə nöqtəsi yerləşdiyi yerdədir. Sonra onları çıxarın və bu addımın gərginlik dəyişikliyidir, keçirdiyiniz test bir sistemin girişində ani bir dəyişiklik olan bir addım dəyişikliyidir, bu addım temperaturdur. İndi qrafikinizdə gərginlik dəyişikliyinin 63.2% -ə gedin və bu zaman sabitdir.

Bu dəyəri köçürmə funksiyasına bağlasanız, sistemlərin tezlik reaksiyasını təsvir edəcək bir düstura sahibsiniz, amma hazırda istədiyimiz bu deyil, temperaturda bir addım üçün t vaxtında həqiqi temperaturu istəyirik, buna görə gedirik sistemə bir addımın tərs Laplace çevrilməsini həyata keçirmək lazımdır. Bir addım daxil olan birinci dərəcəli sistemin ötürmə funksiyası belədir:

Ks, addım ölçüsüdür, yəni temperatur fərqidir. Beləliklə, zondun 20 dərəcə C -də yerləşdiyini, 30 dərəcə C -də suya qoyulduğunu və probun 8s -lik bir zaman sabitinə malik olduğunu deyək, ötürmə funksiyası və zaman sahəsi formulu belədir:

Δ (t) sadəcə bir impuls deməkdir, yəni bu vəziyyətdə DC 20 dərəcə C ofset, bunu hesablayarkən tənliklərinizə yalnız 20 yaza bilərsiniz. Birinci dərəcəli sistemə keçid üçün standart tənlik budur:

Yuxarıdakılar t vaxtındakı temperaturu hesablayır, lakin bu, bir -biri ilə mütənasib olduğu üçün gərginlik üçün işləyəcək, sadəcə başlanğıc və bitmə dəyərinə, zaman sabitinə və addım ölçüsünə ehtiyacınız var. Symbolab adlı bir veb sayt, riyaziyyatınızın doğru olub olmadığını yoxlamaq üçün əladır, Laplace, inteqrasiya, fərqləndirmə və bir çox başqa şeylər edə bilər və bu yolda bütün addımları sizə verir. Yuxarıdakı tərs Laplace çevrilməsini burada tapa bilərsiniz.