Matja e temperaturës duke përdorur një PT100 dhe një Arduino: 16 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:17

Qëllimi i këtij projekti është të hartojë, ndërtojë dhe testojë një sistem të ndjerit të temperaturës. Sistemi është krijuar për të matur një gamë të temperaturës nga 0 në 100 ° C. Një PT100 u përdor për të matur temperaturën, dhe është një detektor i temperaturës së rezistencës (RTD) që ndryshon rezistencën e tij në varësi të temperaturës së tij përreth.

Hapi 1: Aparatura

1x PT100

1x Breadboard

2x 2.15 rezistenca kohms

Rezistencë 1x 100 ohms

Telat

Furnizimi me energji elektrike

Përforcues diferencial

Hapi 2: Rreth PT100

Si pjesë e projektit tonë ne jemi të ngarkuar me matjen e temperaturës së ambientit duke filluar nga 0 gradë në 100 gradë Celsius. Ne vendosëm të përdorim PT100 për arsyet e mëposhtme:

PT100 është një detektor i temperaturës së rezistencës (RTD), i cili mund të masë temperaturat nga -200 gradë në një maksimum prej 850 gradë Celsius, por zakonisht nuk përdoret për të matur temperaturat mbi 200 gradë. Ky varg përputhet me kërkesat tona.

Ky sensor prodhon një rezistencë për një temperaturë të caktuar rrethuese. Marrëdhënia midis temperaturës dhe rezistencës së sensorit është lineare. Kjo, së bashku me konfigurimin minimal që kërkon sensori, e bën të lehtë punën me altarin nëse nevojiten diapazone të tjera të temperaturës në të ardhmen.

PT100 gjithashtu ka një kohë reagimi të ngadaltë, por është e saktë. Këto karakteristika nuk kanë një ndikim të madh në qëllimin tonë dhe kështu nuk ishin aq me ndikim kur vendosim se cilin sensor të temperaturës të përdorim.

Hapi 3: Ura e Grurit

Ura e gurit të grurit përdoret për të matur një rezistencë elektrike të panjohur duke balancuar dy këmbët e një qarku urë, njëra këmbë e së cilës përfshin përbërësin e panjohur.

Përfitimi kryesor i qarkut është aftësia e tij për të marrë një gamë të tensionit të daljes që fillon në 0V.

Një ndarës i thjeshtë i tensionit mund të përdoret, por nuk do të na lejojë të heqim qafe çdo të dhënë të kompensuar, gjë që do ta bënte amplifikimin e prodhimit të tensionit më pak efektiv.

Rezistenca në një PT100 ndryshon nga 100 në 138.5055 për një temperaturë prej 0 deri në 100 gradë Celsius.

Formula për një urë prej guri është më poshtë, ajo mund të përdoret për të rishitur urën e grurit për vargje të ndryshme të marra nga tabela pdf e bashkangjitur.

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

Në skenarin tonë:

R2 do të jetë rezistenca jonë PT100.

R1 do të jetë e barabartë me R3.

R4 duhet të jetë e barabartë me 100 Ohm në mënyrë që të dalë 0V në 0 gradë Celsius.

Vendosja e Vout në 0V dhe Vin në 5V na lejon të marrim rezistencë ndaj vlerave për R1 dhe R2 = 2.2k ohm.

Ne pastaj mund të nën -në 138.5055 ohms për rezistencën e sensorit për të marrë tensionin tonë të daljes në 100 gradë Celsius = 80mV

Hapi 4: Simulimi i qarkut

Një mjet për simulimin e qarqeve, OrCAD Capture u përdor për të simuluar qarkun tonë dhe për të gjetur daljet e pritshme të Tensionit në temperatura të ndryshme. Kjo do të përdoret më vonë për të krahasuar se sa i saktë ishte sistemi ynë.

Qarku u simulua duke kryer një analizë të përkohshme të kohës me një spastrim paramatik që ndryshoi rezistencën pt100 nga 100 ohms në 138.5055 ohms në hapa prej 3.85055 ohms.

Hapi 5: Rezultatet e Simuluara

Rezultatet e mësipërme tregojnë lidhjen lineare të Tensionit dalës të qarkut dhe vlerave të rezistencës.

Rezultatet më pas u futën në excel dhe u vizatuan. Excel siguron formulën lineare të lidhur me këto vlera. Konfirmimi i linearitetit dhe diapazoni i tensionit dalës të sensorit.

Hapi 6: Krijimi i qarkut

Qarku u vendos së bashku duke përdorur dy rezistorë 2.2k Ohm dhe një rezistencë 100 ohm.

Rezistencat kanë një tolerancë prej +-5%. Vlerat e ndryshme të rezistencës bëjnë që ura të jetë e pabalancuar në 0 gradë.

Rezistencat paralele u shtuan në seri në rezistencën 100 Ohm për të shtuar sasinë nominale të rezistencës për të marrë R4 sa më afër 100 Ohm të jetë e mundur.

Kjo prodhoi një tension dalës prej 0.00021V i cili është jashtëzakonisht afër 0V.

R1 është 2, 1638 Ohm dhe R3 është 2, 1572 Ohm. Mund të lidhet më shumë rezistencë për t'i bërë R1 dhe R3 saktësisht të barabartë, duke dhënë një urë të ekuilibruar të përkryer.

gabimet e mundshme:

kutia e rezistencës së ndryshueshme e përdorur për të testuar vlera të ndryshme të temperaturave mund të ketë qenë e pasaktë

Hapi 7: Rezultatet e matura

Rezultatet e matura mund të shihen më poshtë.

Ndryshimi i temperaturës u mat duke përdorur një kuti me rezistencë të ndryshueshme, për të vendosur rezistencën e R2 në rezistenca të ndryshme që mund të gjenden në fletën e të dhënave PT100.

Formula e gjetur këtu do të përdoret si pjesë e kodit për të përcaktuar daljen e temperaturës.

Hapi 8: Për diapazone shumë më të mëdha të temperaturës

Një termoelement i tipit K mund të futet në qark nëse duhet të regjistrohen temperatura shumë të larta. Termoelementi i tipit K mund të masë një diapazon të temperaturës prej -270 deri në 1370 gradë Celsius.

Termoelementet funksionojnë bazuar në efektin termoelektrik, Një ndryshim në temperaturë prodhon një ndryshim potencial (Tensioni).

Ndërsa Termociftet funksionojnë bazuar në ndryshimin e dy temperaturave, temperatura në kryqëzimin referues duhet të dihet.

Ekzistojnë dy metoda të matjes me termoelementë që mund të përdorim:

Një sensor PT100 mund të vendoset në kryqëzimin e referencës dhe të matë tensionin e referencës

Kryqëzimi referues i termoelementit mund të vendoset në një banjë me akull e cila do të ishte konstante 0 gradë Celsius por do të ishte jopraktike për këtë projekt

Hapi 9: Vështrim i përgjithshëm: Faza e amplifikatorit diferencial

Përforcuesi diferencial është një pjesë integrale e ndërtimit. Përforcuesi diferencial kombinon atë që është në thelb një përforcues jo përmbysës dhe përmbysës në një qark të vetëm. Sigurisht si me çdo ndërtesë ajo vjen me kufizimet e veta, megjithatë siç do të tregohet në hapat e ardhshëm, ajo patjetër ndihmon në marrjen e daljes së saktë të 5V.

Hapi 10: Rreth Përforcuesit Diferencial

Përforcuesi diferencial është një përforcues operacional. Ai luan një rol kyç në këtë dizajn qarku të amplifikimit të daljes së tensionit nga ura Wheatstone në mV në V dhe pastaj lexohet si një hyrje e tensionit nga Arduino. Ky përforcues merr dy hyrje të tensionit dhe amplifikon ndryshimin midis dy sinjaleve. Kjo quhet hyrje diferenciale e tensionit. Hyrja e tensionit diferencial më pas përforcohet nga përforcuesi dhe mund të vërehet në daljen e amplifikatorit. Hyrjet e amplifikatorit merren nga ndarësit e tensionit të urës Wheatstone në pjesën e mëparshme.

Hapi 11: Përfitimet dhe Kufizimet

Përforcuesi diferencial vjen me pjesën e tij të mirat dhe të këqijat. Përfitimi kryesor i përdorimit të një përforcuesi të tillë është lehtësia e ndërtimit. Si rezultat i këtij konstruksioni të lehtë, ai i bën problemet e hasura me qarkun më të lehta dhe më efikase.

Disavantazhet e përdorimit të një qarku të tillë janë se për të rregulluar fitimin e amplifikatorit, rezistorët përcaktues të fitimit (rezistenca e reagimit dhe rezistenca e lidhur me tokën) të dyja duhet të fiken, gjë që mund të konsumojë kohë. Së dyti, op-amp ka një CMRR relativisht të ulët (raporti i refuzimit të zakonshëm) i cili nuk është ideal për të zbutur ndikimin e tensionit të kompensuar të hyrjes. Kështu në një konfigurim si i yni, të kesh një CMRR të lartë është thelbësore në zbutjen e efekteve të tensionit të kompensuar.

Hapi 12: Zgjedhja e fitimit të dëshiruar të prodhimit

Op-amp përmban 4 rezistorë të lidhur me qarkun. 2 rezistenca të përputhura në hyrjet e tensionit, një tjetër i lidhur me tokën, si dhe një rezistencë reagimi. Këta dy rezistorë shërbejnë si rezistenca e hyrjes e op-amp. Në mënyrë tipike, një rezistencë në rangun prej 10-100 kilohms duhet të jetë e mjaftueshme, megjithatë pasi të jenë vendosur këto rezistorë, fitimi mund të përcaktohet duke lënë që fitimi i daljes së dëshiruar të jetë i barabartë me raportin e rezistencës së reagimit me rezistencën hyrëse në njërën prej hyrjeve (Rf/Rin).

Rezistenca e lidhur me tokën, si dhe rezistenca e reagimit, përputhen. Këto janë rezistencat përcaktuese të fitimit. Duke pasur një rezistencë të lartë hyrëse, ajo minimizon efektet e ngarkimit në qark, domethënë parandalimin e sasisë së lartë të rrymës nga lëvizja në pajisje e cila mund të ketë efekte shkatërruese nëse janë të pakontrolluara.

Hapi 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino është një mikrokontrollues i programueshëm që përmban porte dixhitale dhe analoge I/O. Mikrokontrolluesi ishte programuar të lexonte tensionin nga amplifikatori përmes një kunje hyrëse analoge. Së pari, Arduino do të lexojë tensionin nga diapazoni i daljes së qarkut 0-5 V dhe do ta konvertojë atë në 0-1023 DU dhe do të printojë vlerën. Tjetra, vlera analoge do të shumëzohet me 5 dhe do të ndahet me 1023 për të marrë vlerën e tensionit. Kjo vlerë do të shumëzohet me 20 për të dhënë shkallën e saktë për gamën e temperaturës nga 0-100 C.

Për të marrë vlerat e kompensimit dhe ndjeshmërisë, leximet nga kunja hyrëse në A0 janë marrë me vlera të ndryshme për PT100 dhe grafiku është vizatuar për të marrë ekuacionin linear.

Kodi i përdorur:

void setup () {Serial.begin (9600); // filloni lidhjen serike me kompjuterin

pinMode (A0, INPUT); // dalja nga amplifikatori do të lidhet me këtë pin

}

lak void ()

{float offset = 6.4762;

ndjeshmëria e notimit = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Lexoni hyrjen në A0

Serial.print ("Vlera Analog:");

Serial.println (AnalogValue); // printoni vlerën hyrëse

vonesa (1000);

noton DigitalValue = (Vlera Analog * 5) / (1023); // mul me 5 për të dhënë gamën 0-100 gradë

Serial.print ("Vlera dixhitale:");

Serial.println (DigitalValue); // vlera e tensionit analog

float temp = (AnalogValue - offset)/ndjeshmëria;

Serial.print ("Vlera e temperaturës:");

Serial.println (temp); // temp i printuar

vonesa (5000);

}

Hapi 14: Zgjidhja e problemeve

Furnizimi 15V në op-amp dhe 5V në urën me gur gruri dhe arduino duhet të kenë një bazë të përbashkët. (të gjitha vlerat 0v duhet të lidhen së bashku.)

Një Voltmetër mund të përdoret për t'u siguruar që tensioni të bjerë pas çdo rezistence për të siguruar që nuk ka qarqe të shkurtra.

Nëse rezultatet janë të ndryshme dhe jokonsistente telat e përdorur mund të testohen duke përdorur voltmetrin për të matur rezistencën e telit, nëse rezistenca thotë "jashtë linje" do të thotë se ka rezistencë të pafund dhe tela ka një qark të hapur.

Telat duhet të jenë më pak se 10 Ohm.

Diferenca e tensionit në urën e gurit të grurit duhet të jetë 0V në intervalin minimal të intervalit të temperaturës, nëse ura nuk është e balancuar mund të jetë sepse:

rezistorët kanë një tolerancë, që do të thotë se ata mund të kenë një gabim i cili mund të bëjë që ura e grurit të jetë e pabalancuar, rezistencat mund të kontrollohen me një voltmetër nëse hiqet nga qarku. rezistenca më të vogla mund të shtohen në seri ose paralele për të balancuar urën.

Seritë = r1+r2

1/Paralele = 1/r1 + 1/r2

Hapi 15: Rishfaqja

Formula dhe metoda për rishpalljen e sistemit për një temperaturë të ndryshme mund të gjenden në pjesën e urës me gur gruri. Pasi të gjenden këto vlera dhe të vendoset qarku:

PT100 duhet të zëvendësohet me një kuti rezistence, Vlerat e rezistencës duhet të rregullohen nga diapazoni i ri i temperaturës duke përdorur vlerat e duhura të rezistencës të marra nga pdf -ja e bashkangjitur.

Tensioni i matur dhe rezistencat dhe duhet të vizatohen në excel me temperaturë (rezistencë) në boshtin x dhe tension në y.

Një formulë do të jepet nga ky grafik, kompensimi do të jetë konstanta që shtohet dhe ndjeshmëria do të jetë numri i shumëzuar me x.

Këto vlera duhet të ndryshohen në kod dhe ju e keni shkallëzuar me sukses sistemin.

Hapi 16: Vendosja e Arduino

lidhni daljen e amplifikatorit të qarkut me pinin hyrës A0 të Arduino

Lidhni Arduino Nano përmes portës USB në një kompjuter.

ngjisni kodin në hapësirën e punës të skicës Arduino.

Përpiloni kodin.

Zgjidhni Mjetet> Bordi> Zgjidhni Arduino Nano.

Zgjidhni Veglat> Porti> Zgjidhni portën COM.

Ngarko kodin në Arduino.

Vlera dixhitale e dalur është dalja e tensionit të op-amp (duhet të jetë 0-5V)

Vlera e temperaturës është temperatura e sistemeve të lexuar në Celsius.