Mengukur Suhu Menggunakan PT100 dan Arduino: 16 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Tujuan projek ini adalah untuk merancang, membina dan menguji sistem pengesan suhu. Sistem ini dirancang untuk mengukur julat suhu 0 hingga 100 ° C. PT100 digunakan untuk mengukur suhu, dan itu adalah pengesan suhu rintangan (RTD) yang mengubah rintangannya bergantung pada suhu sekitarnya.

Langkah 1: Radas

1x PT100

Papan Roti 1x

Perintang 2x 2.15 kohms

Perintang 1x 100 ohm

Wayar

Bekalan kuasa

Penguat pembezaan

Langkah 2: Mengenai PT100

Sebagai sebahagian daripada projek kami, kami ditugaskan untuk mengukur suhu lingkungan antara 0 darjah hingga 100 darjah celsius. Kami memutuskan untuk menggunakan PT100 kerana alasan berikut:

PT100 adalah pengesan suhu rintangan (RTD), yang dapat mengukur suhu dari -200 darjah hingga maksimum 850 darjah Celsius, tetapi biasanya tidak digunakan untuk mengukur suhu melebihi 200 darjah. Julat ini memenuhi kehendak kami.

Sensor ini menghasilkan rintangan untuk suhu sekitar tertentu. Hubungan antara suhu dan rintangan sensor adalah linear. Ini, bersama dengan penyediaan minimum yang diperlukan oleh sensor, memudahkan kerja dan mezbah jika julat suhu lain diperlukan di masa depan.

PT100 juga mempunyai masa tindak balas yang perlahan tetapi tepat. Ciri-ciri ini tidak banyak mempengaruhi tujuan kami dan oleh itu tidak begitu berpengaruh ketika memutuskan sensor suhu yang akan digunakan.

Langkah 3: Jambatan Wheatstone

Jambatan batu gandum digunakan untuk mengukur rintangan elektrik yang tidak diketahui dengan menyeimbangkan dua kaki litar jambatan, satu kaki termasuk komponen yang tidak diketahui.

Manfaat utama litar adalah kemampuannya mendapatkan julat voltan output yang bermula pada 0V.

Pembahagi voltan sederhana boleh digunakan tetapi tidak akan membolehkan kita menyingkirkan sebarang ofset yang berlaku, yang menjadikan penguatan voltan kurang berkesan.

Rintangan dalam PT100 berbeza dari 100 hingga 138.5055 untuk suhu 0 hingga 100 darjah Celsius.

Formula untuk jambatan batu gandum ada di bawah, ia dapat digunakan untuk menjual semula jambatan batu gandum untuk julat yang berbeza yang diperoleh dari jadual pdf yang dilampirkan.

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

Dalam senario kami:

R2 akan menjadi rintangan PT100 kami.

R1 akan sama dengan R3.

R4 perlu sama dengan 100 ohm untuk menghasilkan 0V pada 0 darjah Celsius.

Menetapkan Vout ke 0V dan Vin ke 5V membolehkan kita menolak memperoleh nilai untuk R1 dan R2 = 2.2k ohm.

Kita kemudian boleh merendam dalam 138.5055 ohm untuk rintangan sensor untuk mendapatkan voltan keluaran kita pada 100 darjah Celsius = 80mV

Langkah 4: Simulasi Litar

Alat untuk mensimulasikan litar, OrCAD Capture digunakan untuk mensimulasikan litar kami dan mencari output voltan yang diharapkan pada suhu yang berbeza. Ini akan digunakan kemudian untuk membandingkan seberapa tepat sistem kami.

Litar ini disimulasikan dengan melakukan analisis masa sementara dengan sapuan paramatik yang memvariasikan rintangan pt100 dari 100 ohm hingga 138.5055 ohm dalam langkah 3.85055 ohm.

Langkah 5: Hasil Simulasi

Hasil di atas menunjukkan hubungan linear Voltan keluaran litar dan nilai rintangan.

Hasilnya kemudian dimasukkan ke dalam excel dan diplot. Excel memberikan formula linier yang berkaitan dengan nilai-nilai ini. Mengesahkan garis linier dan julat voltan output sensor.

Langkah 6: Membuat Litar

Litar disatukan menggunakan dua perintang 2.2k ohm dan perintang 100 ohm.

Perintang mempunyai toleransi + -5%. Nilai rintangan yang berbeza menyebabkan jambatan tidak seimbang pada 0 darjah.

Perintang selari ditambahkan secara bersiri ke perintang 100 ohm untuk menambahkan jumlah rintangan nominal untuk mendapatkan R4 sedekat mungkin dengan 100 ohm.

Ini menghasilkan voltan output 0.00021V yang hampir dengan 0V.

R1 ialah 2, 1638 ohm dan R3 ialah 2, 1572 ohm. Lebih banyak perintang boleh disambungkan untuk menjadikan R1 dan R3 sama rata, memberikan jambatan yang sempurna.

kemungkinan kesilapan:

kotak perintang berubah-ubah yang digunakan untuk menguji nilai suhu yang berbeza mungkin tidak tepat

Langkah 7: Hasil Diukur

Hasil yang diukur dapat dilihat di bawah.

Perubahan suhu diukur menggunakan kotak resistor berubah-ubah, untuk mengatur rintangan R2 ke resistansi yang berbeza yang dapat ditemukan di lembar data PT100.

Rumus yang terdapat di sini akan digunakan sebagai sebahagian daripada kod untuk menentukan output suhu.

Langkah 8: Untuk Julat Suhu Lebih Besar

Termokopel Jenis K dapat dimasukkan ke dalam rangkaian jika suhu yang sangat tinggi perlu dicatat. Termokopel jenis K dapat mengukur julat suhu -270 hingga 1370 darjah Celsius.

Termokopel beroperasi berdasarkan kesan termoelektrik, Perbezaan suhu menghasilkan perbezaan potensi (Voltan).

Semasa Termokopel beroperasi berdasarkan perbezaan dua suhu, suhu di persimpangan rujukan perlu diketahui.

Terdapat dua kaedah pengukuran dengan termokopel yang dapat kita gunakan:

Sensor PT100 dapat diletakkan di persimpangan rujukan dan mengukur voltan rujukan

Persimpangan rujukan termokopel boleh diletakkan di tempat mandi Ais yang akan menjadi 0 darjah selsius tetap tetapi tidak praktikal untuk projek ini

Langkah 9: Gambaran Keseluruhan: Tahap Penguat Pembezaan

Penguat pembezaan adalah bahagian tidak terpisahkan dalam binaan. Penguat pembezaan menggabungkan apa yang pada dasarnya adalah penguat bukan pembalik dan pembalik ke dalam litar tunggal. Sudah tentu seperti mana-mana binaannya yang hadir dengan batasannya sendiri namun seperti yang akan ditunjukkan pada beberapa langkah berikutnya, ia pasti membantu mendapatkan output 5V yang betul.

Langkah 10: Mengenai Penguat Pembezaan

Penguat pembezaan adalah penguat operasi. Ini memainkan peranan penting dalam reka bentuk litar ini untuk memperkuat output voltan dari jambatan Wheatstone dalam mV hingga V dan kemudian dibaca sebagai input voltan oleh Arduino. Penguat ini mengambil dua input voltan dan menguatkan perbezaan antara dua isyarat. Ini dipanggil input voltan pembezaan. Input voltan pembezaan kemudian diperkuat oleh penguat dan dapat dilihat pada output penguat. Input penguat diperoleh dari pembahagi voltan jambatan Wheatstone di bahagian sebelumnya.

Langkah 11: Faedah dan Batasan

Penguat pembezaan dilengkapi dengan kelebihan dan kekurangannya sendiri. Manfaat utama menggunakan penguat sedemikian adalah untuk kemudahan pembinaan. Hasil daripada pembinaan yang mudah ini, ia menjadikan penyelesaian masalah yang dihadapi dengan litar lebih mudah dan efisien.

Kekurangan menggunakan litar seperti itu adalah untuk mengatur keuntungan penguat, perintang penentu keuntungan (perintang maklum balas dan perintang yang disambungkan ke tanah) keduanya mesti dimatikan, yang boleh memakan waktu. Kedua, op-amp mempunyai CMRR yang relatif rendah (nisbah penolakan mod biasa) yang tidak sesuai untuk mengurangkan pengaruh voltan mengimbangi input. Oleh itu, dalam konfigurasi seperti kita, mempunyai CMRR yang tinggi sangat mustahak dalam mengurangkan kesan voltan mengimbangi.

Langkah 12: Memilih Keuntungan Hasil Yang Diinginkan

Op-amp mempunyai 4 perintang yang disambungkan ke litar. 2 perintang yang dipadankan pada input voltan, yang lain disambungkan ke tanah serta perintang maklum balas. Kedua-dua perintang ini berfungsi sebagai impedans input op-amp. Biasanya, perintang dalam julat 10-100 kilohms harus mencukupi, namun begitu perintang ini telah ditetapkan, keuntungan dapat ditentukan dengan membiarkan keuntungan output yang diinginkan sama dengan nisbah perintang umpan balik dengan perintang input pada salah satu input (Rf / Rin).

Perintang yang disambungkan ke tanah, serta perintang maklum balas, dipadankan. Ini adalah perintang penentu keuntungan. Dengan mempunyai impedansi input yang tinggi, ia dapat meminimumkan kesan pemuatan pada litar, iaitu mencegah arus yang tinggi dari memandu melalui peranti yang boleh membawa kesan buruk jika tidak terkawal.

Langkah 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino adalah mikrokontroler yang dapat diprogramkan yang menampilkan port I / O digital dan analog. Mikrokontroler diprogram untuk membaca voltan dari penguat melalui pin input analog. Pertama, Arduino akan membaca voltan dari julat output litar 0-5 V dan menukarnya menjadi 0-1023 DU dan ia akan mencetak nilainya. Seterusnya, nilai analog akan dikalikan dengan 5 dan dibahagi dengan 1023 untuk mendapatkan nilai voltan. Nilai ini akan dikalikan dengan 20 untuk memberikan skala tepat bagi julat suhu dari 0-100 C.

Untuk mendapatkan nilai ofset dan sensitiviti, bacaan dari pin input pada A0 diambil dengan nilai yang berbeza untuk PT100 dan grafik diplotkan untuk mendapatkan persamaan linear.

Kod yang digunakan:

batal persediaan () {Serial.begin (9600); // mulakan sambungan bersiri dengan komputer

pinMode (A0, INPUT); // output dari penguat akan disambungkan ke pin ini

}

gelung kosong ()

{float offset = 6.4762;

kepekaan apungan = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Baca input di A0

Serial.print ("Nilai Analog:");

Serial.println (AnalogValue); // mencetak nilai input

kelewatan (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul dengan 5 untuk memberi julat 0-100 darjah

Serial.print ("Nilai digital:");

Serial.println (Nilai Digital); // nilai voltan analog

suhu apungan = (AnalogValue - offset) / kepekaan;

Serial.print ("Nilai suhu:");

Serial.println (temp); // temp cetak

kelewatan (5000);

}

Langkah 14: Penyelesaian masalah

Bekalan 15V ke op-amp dan 5V ke jambatan batu gandum dan arduino mesti mempunyai kesamaan. (semua nilai 0v perlu dihubungkan bersama.)

Voltmeter dapat digunakan untuk memastikan voltan turun setelah setiap perintang untuk memastikan tidak ada litar pintas.

Sekiranya hasilnya bervariasi dan tidak konsisten, wayar yang digunakan dapat diuji dengan menggunakan voltmeter untuk mengukur rintangan wayar, jika rintangan mengatakan "luar talian" itu bermaksud ada rintangan tak terhingga dan wayar mempunyai litar terbuka.

Wayar hendaklah kurang dari 10 ohm.

Perbezaan voltan melintasi jambatan batu gandum mestilah 0V pada julat minimum julat suhu, jika jambatan tidak seimbang itu mungkin kerana:

perintang mempunyai toleransi, yang bermaksud mereka mungkin mempunyai kesalahan yang boleh menyebabkan jambatan batu gandum tidak seimbang, rintangan dapat diperiksa dengan voltmeter jika dikeluarkan dari litar. perintang yang lebih kecil boleh ditambah secara siri atau selari untuk mengimbangkan jambatan.

Rseries = r1 + r2

1 / Selari = 1 / r1 + 1 / r2

Langkah 15: Menjual semula

Rumus dan kaedah untuk menyelamatkan sistem untuk suhu yang berbeza boleh didapati di bahagian jambatan batu gandum. Setelah nilai ini dijumpai dan litar disiapkan:

PT100 harus diganti dengan kotak perintang, Nilai rintangan harus disesuaikan dari julat suhu baru menggunakan nilai rintangan yang sesuai yang diperoleh dari pdf yang dilampirkan.

Voltan dan rintangan yang diukur dan harus diplot dalam excel dengan suhu (rintangan) pada paksi x dan voltan pada y.

Formula akan diberikan dari plot ini, ofset akan menjadi pemalar yang ditambahkan dan kepekaan akan menjadi nombor yang didarab dengan x.

Nilai-nilai ini harus diubah pada kod dan anda berjaya menyelamatkan semula sistem.

Langkah 16: Menyiapkan Arduino

sambungkan output amp litar ke pin input A0 Arduino

Sambungkan Arduino Nano melalui port USB pada PC.

tampal kod ke ruang kerja lakaran Arduino.

Susun kodnya.

Pilih Alat> Papan> Pilih Arduino Nano.

Pilih Alat> Pelabuhan> Pilih port COM.

Muat naik kod ke Arduino.

Nilai digital yang dikeluarkan adalah output voltan op-amp (seharusnya 0-5V)

Nilai suhu adalah suhu sistem yang dibaca dalam Celsius.