Измерение температуры с помощью PT100 и Arduino: 16 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Целью этого проекта является разработка, создание и тестирование системы измерения температуры. Система была разработана для измерения диапазона температур от 0 до 100 ° C. Для измерения температуры использовался PT100, и это датчик температуры сопротивления (RTD), который изменяет свое сопротивление в зависимости от окружающей температуры.

Шаг 1: Аппарат

1x PT100

1x макетная плата

2 резистора по 2,15 кОм

1x резистор 100 Ом

Провода

Источник питания

Дифференциальный усилитель

Шаг 2: О PT100

В рамках нашего проекта перед нами стоит задача измерения температуры окружающей среды от 0 до 100 градусов Цельсия. Мы решили использовать PT100 по следующим причинам:

PT100 - это резистивный датчик температуры (RTD), который может измерять температуру от -200 градусов до максимум 850 градусов по Цельсию, но обычно не используется для измерения температуры выше 200 градусов. Этот ассортимент соответствует нашим требованиям.

Этот датчик вырабатывает сопротивление при заданной температуре окружающей среды. Связь между температурой и сопротивлением датчика линейна. Это, наряду с минимальной настройкой, необходимой датчику, упрощает работу и устраняет необходимость в других диапазонах температур в будущем.

PT100 также имеет медленное время отклика, но точен. Эти характеристики не сильно повлияли на нашу цель и, следовательно, не имели большого значения при принятии решения, какой датчик температуры использовать.

Шаг 3: мост Уитстона

Мост Уитстона используется для измерения неизвестного электрического сопротивления путем уравновешивания двух ветвей мостовой схемы, одна из которых включает неизвестный компонент.

Основным преимуществом схемы является ее способность получать диапазон выходного напряжения, начинающийся с 0 В.

Можно было бы использовать простой делитель напряжения, но он не позволил бы нам избавиться от любого имеющегося смещения, что сделало бы усиление выходного напряжения менее эффективным.

Сопротивление PT100 варьируется от 100 до 138,5055 для температуры от 0 до 100 градусов Цельсия.

Формула для моста уитстона приведена ниже, ее можно использовать для изменения масштаба моста уитстона для различных диапазонов, взятых из прилагаемой таблицы pdf.

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

В нашем сценарии:

R2 будет нашим сопротивлением PT100.

R1 будет равно R3.

R4 должен быть равен 100 Ом, чтобы выводить 0 В при 0 градусах Цельсия.

Установка Vout на 0 В и Vin на 5 В позволяет нам получить значения сопротивления для R1 и R2 = 2,2 кОм.

Затем мы можем подключить 138,5055 Ом для сопротивления датчика, чтобы получить выходное напряжение при 100 градусах Цельсия = 80 мВ.

Шаг 4: моделирование схемы

Инструмент для моделирования цепей OrCAD Capture был использован для моделирования нашей схемы и определения ожидаемого выходного напряжения при различных температурах. Это будет использовано позже для сравнения точности нашей системы.

Схема была смоделирована путем выполнения временного анализа переходных процессов с параматической разверткой, которая изменяла сопротивление pt100 от 100 Ом до 138,5055 Ом с шагом 3,85055 Ом.

Шаг 5: смоделированные результаты

Приведенные выше результаты показывают линейную зависимость выходного напряжения цепи и значений сопротивления.

Затем результаты были введены в Excel и нанесены на график. Excel предоставляет линейную формулу, связанную с этими значениями. Подтверждение линейности и диапазона выходного напряжения датчика.

Шаг 6: Создание схемы

Схема была собрана с использованием двух резисторов 2,2 кОм и резистора 100 Ом.

Резисторы имеют допуск + -5%. Разные значения сопротивления приводят к разбалансировке моста на 0 градусов.

Параллельные резисторы были добавлены последовательно к резистору 100 Ом, чтобы добавить номинальное сопротивление, чтобы получить R4 как можно ближе к 100 Ом.

Это привело к выходному напряжению 0,00021 В, что очень близко к 0 В.

R1 - 2, 1638 Ом, R3 - 2, 1572 Ом. Можно было бы подключить больше резисторов, чтобы сделать R1 и R3 в точности равными, что дало бы идеально сбалансированный мост.

возможные ошибки:

Блок переменного резистора, используемый для проверки различных значений температуры, мог быть неточным

Шаг 7: Измеренные результаты

Результаты измерений можно увидеть ниже.

Изменение температуры было измерено с помощью блока переменного резистора, чтобы установить сопротивление R2 в соответствии с различными сопротивлениями, которые можно найти в таблице данных PT100.

Найденная здесь формула будет использоваться как часть кода для определения выходной температуры.

Шаг 8: для гораздо больших температурных диапазонов

Термопара типа K может быть введена в цепь, если необходимо регистрировать очень высокие температуры. Термопара типа K может измерять температуру в диапазоне от -270 до 1370 градусов Цельсия.

Термопары работают на основе термоэлектрического эффекта. Разница температур создает разность потенциалов (напряжение).

Поскольку термопары работают на основе разницы двух температур, необходимо знать температуру эталонного спая.

Мы можем использовать два метода измерения с помощью термопар:

Датчик PT100 может быть помещен в опорный спай и измерять опорное напряжение

Эталонный спай термопары может быть помещен в ледяную баню, температура которой будет постоянным 0 градусов Цельсия, но это будет непрактично для этого проекта

Шаг 9: Обзор: каскад дифференциального усилителя

Дифференциальный усилитель является неотъемлемой частью конструкции. Дифференциальный усилитель объединяет то, что по сути является неинвертирующим и инвертирующим усилителями, в единую схему. Конечно, как и в случае с любой другой сборкой, он имеет свои ограничения, однако, как будет показано в следующих нескольких шагах, он определенно помогает получить правильный выход 5 В.

Шаг 10: о дифференциальном усилителе

Дифференциальный усилитель - это операционный усилитель. В этой схеме он играет ключевую роль в усилении выходного напряжения моста Уитстона в мВ до В, а затем считывается как входное напряжение Arduino. Этот усилитель принимает два входа напряжения и усиливает разницу между двумя сигналами. Это называется входным дифференциальным напряжением. Затем входное дифференциальное напряжение усиливается усилителем и может наблюдаться на выходе усилителя. Входы усилителя получены от делителей напряжения моста Уитстона, описанных в предыдущем разделе.

Шаг 11: преимущества и ограничения

У дифференциального усилителя есть свои плюсы и минусы. Основное преимущество использования такого усилителя - простота конструкции. Благодаря такой простой конструкции устранение неисправностей, возникающих в цепи, становится проще и эффективнее.

Минусы использования такой схемы заключаются в том, что для регулировки усиления усилителя необходимо отключить резисторы, определяющие усиление (резистор обратной связи и заземленный резистор), что может занять много времени. Во-вторых, операционный усилитель имеет относительно низкий CMRR (коэффициент подавления синфазного сигнала), который не идеален для смягчения влияния входного напряжения смещения. Таким образом, в такой конфигурации, как наша, высокий CMRR необходим для смягчения эффектов напряжения смещения.

Шаг 12: Выбор желаемого выходного усиления

Операционный усилитель имеет 4 резистора, подключенных к цепи. 2 согласованных резистора на входах напряжения, еще один подключен к земле, а также резистор обратной связи. Эти два резистора служат входным сопротивлением операционного усилителя. Как правило, резистора в диапазоне 10-100 кОм должно быть достаточно, однако после установки этих резисторов коэффициент усиления можно определить, установив желаемое выходное усиление, равное отношению резистора обратной связи к входному резистору на одном из входов. (Rf / Rin).

Сопротивление заземляющего резистора и резистора обратной связи согласованы. Это резисторы, определяющие усиление. Обладая высоким входным импедансом, он сводит к минимуму влияние нагрузки на схему, то есть предотвращает прохождение большого количества тока через устройство, которое может иметь разрушительные эффекты, если его не контролировать.

Шаг 13: МИКРОКОНТРОЛЛЕР ARDUINO

Arduino - это программируемый микроконтроллер с цифровыми и аналоговыми портами ввода / вывода. Микроконтроллер был запрограммирован на считывание напряжения с усилителя через аналоговый входной контакт. Сначала Arduino считывает напряжение из диапазона выходных сигналов схемы 0-5 В, преобразует его в 0-1023 DU и распечатывает значение. Затем аналоговое значение будет умножено на 5 и разделено на 1023, чтобы получить значение напряжения. Это значение будет умножено на 20, чтобы получить точную шкалу для диапазона температур от 0 до 100 C.

Чтобы получить значения смещения и чувствительности, показания с входного контакта на A0 были сняты с разными значениями для PT100, и был построен график для получения линейного уравнения.

Используемый код:

void setup () {Serial.begin (9600); // запускаем последовательное соединение с компьютером

pinMode (A0, ВХОД); // к этому выводу будет подключен выход усилителя

}

пустой цикл ()

{смещение смещения = 6,4762;

чувствительность поплавка = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Считываем ввод на A0

Serial.print («Аналоговое значение:»);

Serial.println (AnalogValue); // выводим входное значение

задержка (1000);

float DigitalValue = (Аналоговое значение * 5) / (1023); // умножаем на 5, чтобы получить диапазон 0-100 градусов

Serial.print («Цифровое значение:»);

Serial.println (DigitalValue); // аналоговое значение напряжения

float temp = (AnalogValue - смещение) / чувствительность;

Serial.print («Значение температуры:»);

Serial.println (темп); // печать температуры

задержка (5000);

}

Шаг 14: Устранение неполадок

Подача 15 В на операционный усилитель и 5 В на мост Уитстона и Arduino должны иметь общую землю. (все значения 0v необходимо соединить вместе.)

Вольтметр можно использовать, чтобы убедиться, что напряжение падает после каждого резистора, чтобы гарантировать отсутствие коротких замыканий.

Если результаты различаются и непостоянны, используемые провода можно проверить с помощью вольтметра для измерения сопротивления провода. Если сопротивление показывает «отключено», это означает, что сопротивление бесконечно и провод имеет обрыв.

Провода должны быть менее 10 Ом.

Разница напряжений на мосту Уитстона должна составлять 0 В в минимальном диапазоне температурного диапазона, если мост не сбалансирован, это может быть по следующим причинам:

резисторы имеют допуск, что означает, что они могут иметь ошибку, которая может привести к разбалансировке моста Уитстона. Сопротивления можно проверить с помощью вольтметра, если он будет удален из цепи. резисторы меньшего размера могут быть добавлены последовательно или параллельно для балансировки моста.

Rseries = r1 + r2

1 / Rпараллельный = 1 / r1 + 1 / r2

Шаг 15: изменение масштаба

Формулу и метод изменения масштаба системы для другой температуры можно найти в разделе моста Уитстона. Как только эти значения найдены и схема настроена:

PT100 следует заменить на блок резисторов. Значения сопротивления следует отрегулировать в новом температурном диапазоне, используя соответствующие значения сопротивления, полученные из прилагаемого PDF-файла.

Измеренные напряжение и сопротивления должны быть нанесены в Excel с температурой (сопротивлением) по оси x и напряжением по оси y.

Формула будет получена из этого графика, смещение будет добавленной константой, а чувствительность будет числом, умноженным на x.

Эти значения следует изменить в коде, и вы успешно изменили масштаб системы.

Шаг 16: настройка Arduino

подключите выход усилителя схемы к входному контакту A0 Arduino

Подключите Arduino Nano через порт USB на ПК.

вставьте код в рабочую область эскиза Arduino.

Скомпилируйте код.

Выберите Инструменты> Плата> Выбрать Arduino Nano.

Выберите Инструменты> Порт> Выбрать COM-порт.

Загрузите код в Arduino.

Выводимое цифровое значение - это напряжение на выходе операционного усилителя (должно быть 0-5 В).

Значение температуры - это температура, считываемая системой в градусах Цельсия.