Lämpötilan mittaus PT100: n ja Arduinon avulla: 16 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Tämän projektin tavoitteena on suunnitella, rakentaa ja testata lämpötilan tunnistinjärjestelmä. Järjestelmä on suunniteltu mittaamaan lämpötila -alue 0-100 ° C. Lämpötilaa mitattiin PT100: lla, ja se on vastuslämpötilan ilmaisin (RTD), joka muuttaa vastustaan ympäröivän lämpötilan mukaan.

Vaihe 1: Laite

1x PT100

1x leipälauta

2x 2,15 kohmin vastusta

1x 100 ohmin vastus

Johdot

Virtalähde

Differentiaalivahvistin

Vaihe 2: Tietoja PT100: sta

Osana projektiamme meidän tehtävänämme on mitata ympäristön lämpötila 0 - 100 celsiusastetta. Päätimme käyttää PT100 -laitetta seuraavista syistä:

PT100 on vastuslämpötilan ilmaisin (RTD), joka voi mitata lämpötiloja -200 asteesta enintään 850 celsiusasteeseen, mutta sitä ei yleensä käytetä yli 200 asteen lämpötilojen mittaamiseen. Tämä valikoima täyttää vaatimuksemme.

Tämä anturi tuottaa vastuksen tietylle ympäristön lämpötilalle. Anturin lämpötilan ja vastuksen välinen suhde on lineaarinen. Tämä yhdessä anturin vaatiman minimaalisen asennuksen kanssa tekee siitä helpon työskennellä ja alttarin, jos muita lämpötila -alueita tarvitaan tulevaisuudessa.

PT100: lla on myös hidas vasteaika, mutta se on tarkka. Näillä ominaisuuksilla ei ole suurta vaikutusta tavoitteeseemme, joten ne eivät olleet yhtä vaikuttavia päätettäessä, mitä lämpötila -anturia käytetään.

Vaihe 3: Wheatstone Bridge

Vehnäkivisiltaa käytetään tuntemattoman sähkövastuksen mittaamiseen tasapainottamalla siltapiirin kaksi jalkaa, joiden toinen jalka sisältää tuntemattoman komponentin.

Piirin ensisijainen etu on sen kyky saada 0 V: sta alkava lähtöjännitealue.

Yksinkertaista jännitteenjakajaa voitaisiin käyttää, mutta se ei antaisi meidän päästä eroon kaikista läsnä olevista offsetista, mikä tekisi jännitteen ulostulon tehostamisesta vähemmän tehokasta.

PT100: n vastus vaihtelee välillä 100 - 138,5055, kun lämpötila on 0 - 100 celsiusastetta.

Vehnäkivisillan kaava on alla, ja sitä voidaan käyttää vehnäkivisillan skaalaamiseen eri alueille, jotka on saatu liitteenä olevasta pdf -taulukosta.

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

Meidän skenaariossa:

R2 on PT100 -vastus.

R1 on yhtä suuri kuin R3.

R4: n on oltava 100 ohmia, jotta se voi tuottaa 0 V: n lämpötilan 0 celsiusasteessa.

Asettamalla Vout 0V: ksi ja Vin 5V: ksi voimme saada resistanssin arvot R1: lle ja R2: lle = 2,2 k ohmia.

Voimme sitten alittaa 138,5055 ohmin anturin vastuksen saadaksemme lähtöjännitteen 100 celsiusasteessa = 80 mV

Vaihe 4: Piirin simulointi

Piirien simulointityökalua OrCAD Capturea käytettiin piirin simulointiin ja odotettujen jännitelähtöjen löytämiseen eri lämpötiloissa. Tätä käytetään myöhemmin vertaamaan kuinka tarkka järjestelmämme oli.

Piiri simuloitiin suorittamalla ohimenevä aika -analyysi parametrisella pyyhkäisyllä, joka vaihteli pt100 -vastusta 100 ohmista 138,5055 ohmiin 3,85055 ohmin askelin.

Vaihe 5: Simuloidut tulokset

Yllä olevat tulokset osoittavat piirin lähtöjännitteen ja vastusarvojen lineaarisen suhteen.

Tulokset syötettiin sitten Exceliin ja piirrettiin. Excel tarjoaa näihin arvoihin liittyvän lineaarisen kaavan. Anturin lineaarisuuden ja lähtöjännitealueen vahvistaminen.

Vaihe 6: Piirin luominen

Piiri koottiin yhteen käyttämällä 2,2 k ohmin vastuksia ja 100 ohmin vastusta.

Vastusten toleranssi on +-5%. Erilaiset vastusarvot aiheuttavat sillan epätasapainon 0 asteessa.

Rinnakkaisia vastuksia lisättiin sarjaan 100 ohmin vastukseen nimellismäärän lisäämiseksi, jotta R4 saadaan mahdollisimman lähelle 100 ohmia.

Tämä tuotti lähtöjännitteen 0,00021V, joka on erittäin lähellä 0V.

R1 on 2, 1638 ohmia ja R3 on 2, 1572 ohmia. Lisää vastusta voitaisiin kytkeä tekemään R1: stä ja R3: sta täsmälleen samanlaiset, jolloin silta on täysin tasapainossa.

mahdolliset virheet:

eri lämpötila -arvojen testaamiseen käytetty muuttuva vastuslaatikko saattoi olla epätarkka

Vaihe 7: Mitatut tulokset

Mitatut tulokset näkyvät alla.

Lämpötilan muutos mitattiin käyttämällä muuttuvaa vastuslaatikkoa, jotta R2: n vastus asetettaisiin erilaisiin vastuksiin, jotka löytyvät PT100 -tietolomakkeesta.

Tässä olevaa kaavaa käytetään osana koodia lämpötilan määrittämiseen.

Vaihe 8: Paljon suuremmille lämpötila -alueille

Tyypin K termoelementti voidaan viedä piiriin, jos erittäin korkeat lämpötilat on tallennettava. K -tyypin termopari voi mitata lämpötila -alueen -270 -1370 celsiusastetta.

Termoparit toimivat lämpösähköisen vaikutuksen perusteella. Lämpötilaero tuottaa potentiaalieron (jännite).

Koska lämpöparit toimivat kahden lämpötilan eron perusteella, vertailuliitännän lämpötila on tiedettävä.

Voimme käyttää kahta mittausmenetelmää lämpöparilla:

PT100 -anturi voidaan sijoittaa referenssiliittymään ja mitata referenssijännite

Termoelementin vertailuliitos voitaisiin sijoittaa jäähauteeseen, joka olisi vakio 0 celsiusastetta, mutta olisi epäkäytännöllinen tälle projektille

Vaihe 9: Yleiskatsaus: Differentiaalivahvistimen vaihe

Differentiaalivahvistin on kiinteä osa rakennetta. Differentiaalivahvistin yhdistää olennaisesti invertoimattoman ja invertoivan vahvistimen yhdeksi piiriksi. Tietenkin, kuten minkä tahansa rakenteen kanssa, sillä on omat rajoituksensa, mutta kuten seuraavien vaiheiden aikana näytetään, se varmasti auttaa saamaan oikean 5 V: n tehon.

Vaihe 10: Tietoja differentiaalivahvistimesta

Differentiaalivahvistin on operaatiovahvistin. Sillä on keskeinen rooli tässä piirisuunnittelussa, jossa vahvistetaan Wheatstonen sillan lähtöjännitettä mV: ksi V: ksi ja sitten Arduino lukee sen jännitetulona. Tämä vahvistin ottaa kaksi jännitetuloa ja vahvistaa kahden signaalin välisen eron. Tätä kutsutaan differentiaalijännitetuloksi. Vahvistin vahvistaa sitten differentiaalijännitetuloa, ja se voidaan havaita vahvistimen lähdössä. Vahvistintulot saadaan Wheatstone -sillan jännitteenjakajilta edellisessä osassa.

Vaihe 11: Edut ja rajoitukset

Differentiaalivahvistimessa on omat hyvät ja huonot puolensa. Tällaisen vahvistimen käytön tärkein etu on rakentamisen helppous. Tämän helpon rakenteen ansiosta se helpottaa ja tehostaa piirin vianetsintäongelmia.

Tällaisen piirin käytön haittoja ovat se, että vahvistimen vahvistuksen säätämiseksi vahvistuksen määrittävät vastukset (takaisinkytkentävastus ja maadoitettu vastus) on kytkettävä pois päältä, mikä voi olla aikaa vievää. Toiseksi op-vahvistimessa on suhteellisen alhainen CMRR (common-mode hylkäyssuhde), mikä ei ole ihanteellinen tulon offset-jännitteen vaikutuksen lieventämiseen. Näin ollen kaltaisessa kokoonpanossa korkea CMRR on välttämätön offset -jännitteen vaikutusten lieventämisessä.

Vaihe 12: Halutun tehonvahvistuksen valitseminen

Op-vahvistimessa on 4 vastusta, jotka on kytketty piiriin. 2 sovitettua vastusta jännitetuloissa, toinen kytketty maahan ja takaisinkytkentävastus. Nämä kaksi vastusta toimivat op-vahvistimen tuloimpedanssina. Tyypillisesti 10-100 kilon vastuksen tulisi riittää, mutta kun nämä vastukset on asetettu, vahvistus voidaan määrittää antamalla halutun lähtövahvistuksen olla yhtä suuri kuin takaisinkytkentävastuksen ja tulovastuksen suhde yhdessä tuloista (Rf/Rin).

Maadoitusvastus ja takaisinkytkentävastus on sovitettu yhteen. Nämä ovat vahvistuksen määrittävät vastukset. Koska sillä on korkea tuloimpedanssi, se minimoi kuormituksen vaikutukset piiriin eli estää suuria määriä virtaa laitteen läpi, mikä voi aiheuttaa tuhoisia vaikutuksia, jos sitä ei hallita.

Vaihe 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino on ohjelmoitava mikro -ohjain, jossa on digitaaliset ja analogiset I/O -portit. Mikro -ohjain oli ohjelmoitu lukemaan jännite vahvistimesta analogisen tulonapin kautta. Ensinnäkin Arduino lukee jännitteen piirin lähtöalueelta 0-5 V ja muuntaa sen 0-1023 DU: ksi ja tulostaa arvon. Seuraavaksi analoginen arvo kerrotaan 5: llä ja jaetaan 1023: lla jännitearvon saamiseksi. Tämä arvo kerrotaan 20: llä, jotta saadaan tarkka asteikko lämpötila-alueelle 0-100 C.

Siirtymä- ja herkkyysarvojen saamiseksi A0: n tulonastan lukemat otettiin eri arvoilla PT100: lle ja kaavio piirrettiin lineaarisen yhtälön saamiseksi.

Käytetty koodi:

void setup () {Serial.begin (9600); // aloittaa sarjayhteyden tietokoneen kanssa

pinMode (A0, INPUT); // vahvistimen lähtö liitetään tähän nastaan

}

tyhjä silmukka ()

{kellukkeen siirtymä = 6.4762;

kellukkeen herkkyys = 1,9971;

int Analoginen Arvo = analoginenLuku (A0); // Lue tulo A0: sta

Serial.print ("Analoginen arvo:");

Sarja.println (Analoginen Arvo); // tulosta syötetty arvo

viive (1000);

float DigitalValue = (Analoginen Arvo * 5) / (1023); // mul 5, jolloin alue on 0-100 astetta

Serial.print ("Digitaalinen arvo:");

Sarja.println (DigitalValue); // analoginen jännitearvo

float temp = (AnalogValue - offset)/herkkyys;

Serial.print ("Lämpötila -arvo:");

Sarja.println (lämpötila); // tulostuslämpötila

viive (5000);

}

Vaihe 14: Vianetsintä

15 V: n syöttö op-vahvistimeen ja 5 V vehnäkivisiltaan ja arduinoon täytyy olla yhteisiä. (kaikki 0v arvot on kytkettävä yhteen.)

Volttimittarilla voidaan varmistaa, että jännite putoaa jokaisen vastuksen jälkeen, mikä auttaa varmistamaan, ettei oikosulkuja esiinny.

Jos tulokset vaihtelevat ja ovat epäjohdonmukaisia, käytetyt johdot voidaan testata käyttämällä volttimittaria langan resistanssin mittaamiseen. Jos vastus sanoo "offline", se tarkoittaa ääretöntä vastusta ja johtimessa on avoin piiri.

Johtojen tulee olla alle 10 ohmia.

Vehnäkivisillan jännite -eron tulisi olla 0 V lämpötila -alueen minimialueella, jos silta ei ole tasapainossa, se voi johtua seuraavista syistä:

vastuksilla on toleranssi, mikä tarkoittaa, että niissä voi olla virhe, joka voi aiheuttaa vehnäkivisillan epätasapainon, vastukset voidaan tarkistaa voltmittarilla, jos se poistetaan piiristä. pienempiä vastuksia voidaan lisätä sarjaan tai rinnakkain sillan tasapainottamiseksi.

Rseries = r1+r2

1/Rparallel = 1/r1 + 1/r2

Vaihe 15: Skaalaus

Kaava ja menetelmä järjestelmän skaalaamiseksi eri lämpötilaan löytyvät vehnäkivisillan osasta. Kun nämä arvot on löydetty ja piiri on muodostettu:

PT100 on korvattava vastuskotelolla. Vastusarvot on säädettävä uudelta lämpötila -alueelta käyttämällä asianmukaisia vastusarvoja, jotka on saatu liitteenä olevasta pdf -tiedostosta.

Mitatut jännitteet ja vastukset ja ne on piirrettävä Excelissä lämpötilaan (vastus) x -akselilla ja jännitteeseen y.

Tästä kaaviosta saadaan kaava, siirtymä on lisätty vakio ja herkkyys on luku kerrottuna x: llä.

Nämä arvot on muutettava koodissa ja järjestelmän skaalaus onnistui.

Vaihe 16: Arduinon asentaminen

kytke piirivahvistimen lähtö Arduinon A0 -tulotappiin

Liitä Arduino Nano tietokoneen USB -portin kautta.

liitä koodi Arduinon luonnostyötilaan.

Kokoa koodi.

Valitse Työkalut> Hallitus> Valitse Arduino Nano.

Valitse Työkalut> Portti> Valitse COM -portti.

Lähetä koodi Arduinolle.

Tulostettu digitaalinen arvo on op-vahvistimen jännitelähtö (pitäisi olla 0-5V)

Lämpötila -arvo on järjestelmien lukema lämpötila Celsius -asteina.