מדידת טמפרטורה באמצעות PT100 וארדואינו: 16 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:14

מטרת הפרויקט היא לתכנן, לבנות ולבדוק מערכת לחישת טמפרטורות. המערכת תוכננה למדוד טווח טמפרטורות של 0 עד 100 מעלות צלזיוס. PT100 שימש למדידת הטמפרטורה, והוא גלאי טמפרטורת התנגדות (RTD) שמשנה את עמידותו בהתאם לטמפרטורה הסובבת אותו.

שלב 1: מכשיר

1x PT100

1x לוח לחם

2x 2.15 נגדים קוהמים

נגד 100 אוהם אוהם

חוטים

ספק כוח

מגבר דיפרנציאלי

שלב 2: אודות PT100

כחלק מהפרויקט שלנו מוטלת עלינו מדידת טמפרטורת הסביבה הנעת בין 0 מעלות ל -100 מעלות צלזיוס. החלטנו להשתמש ב- PT100 מהסיבות הבאות:

PT100 הוא גלאי טמפרטורת התנגדות (RTD), שיכול למדוד טמפרטורות מ -200 מעלות עד 850 מעלות צלסיוס לכל היותר, אך בדרך כלל אינו משמש למדידת טמפרטורות מעל 200 מעלות. טווח זה עומד בדרישותינו.

חיישן זה מייצר התנגדות לטמפרטורה מסביב נתונה. הקשר בין הטמפרטורה לבין ההתנגדות של החיישן הוא ליניארי. זה, יחד עם ההתקנה המינימלית שהחיישן דורש, מקל על העבודה ועל המזבח אם יש צורך בטווחי טמפרטורות אחרים בעתיד.

ל- PT100 יש גם זמן תגובה איטי אך הוא מדויק. למאפיינים אלה אין השפעה רבה על המטרה שלנו ולכן לא היו בעלי השפעה רבה כאשר החליטו באיזה חיישן טמפרטורה להשתמש.

שלב 3: גשר ויטסטון

גשר אבן החיטה משמש למדידת עמידות חשמלית לא ידועה על ידי איזון שתי רגליים של מעגל גשר, שאחת הרגל שלו כוללת את הרכיב הלא ידוע.

היתרון העיקרי של המעגל הוא יכולתו להשיג טווח מתח יציאה המתחיל ב 0V.

ניתן להשתמש במפריד מתח פשוט אך לא יאפשר לנו להיפטר מכל נוכחות קיזוז, דבר שיהפוך את הגברת יציאת המתח ליעילה פחות.

ההתנגדות ב- PT100 משתנה בין 100 ל -138.5055 לטמפרטורה של 0 עד 100 מעלות צלזיוס.

הנוסחה לגשר אבן חיטה נמצאת למטה, ניתן להשתמש בה כדי לשנות את גודל גשר אבן החיטה לטווחים שונים המתקבלים מטבלת ה- pdf המצורפת.

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

בתרחיש שלנו:

R2 תהיה התנגדות PT100 שלנו.

R1 יהיה שווה ל- R3.

R4 צריך להיות שווה ל- 100 אוהם כדי להפיק 0V ב 0 מעלות צלזיוס.

הגדרת Vout ל- 0V ו- Vin ל- 5V מאפשרת לנו להתנגד להשיג ערכים עבור R1 ו- R2 = 2.2k אוהם.

לאחר מכן נוכל לשלוח 138.5055 אוהם להתנגדות החיישן כדי להשיג את מתח המוצא שלנו ב -100 מעלות צלזיוס = 80mV

שלב 4: הדמיית המעגל

כלי לסימול מעגלים, OrCAD Capture שימש כדי לדמות את המעגל שלנו ולמצוא יציאות מתח צפויות בטמפרטורות שונות. זה ישמש מאוחר יותר להשוות עד כמה המערכת שלנו הייתה מדויקת.

המעגל נדמה על ידי ביצוע פרפורמציה של ניתוח זמן חולף עם טאטא פרמטית ששינתה את ההתנגדות pt100 מ -100 אוהם ל- 138.5055 אוהם בשלבים של 3.85055 אוהם.

שלב 5: תוצאות מדומות

התוצאות לעיל מראות את הקשר הליניארי של מתח המוצא של המעגל וערכי ההתנגדות.

התוצאות הוכנסו לאחר מכן לאקסל ותוכננו. Excel מספק את הנוסחה הלינארית המשויכת לערכים אלה. אישור הליניאריות וטווח מתח המוצא של החיישן.

שלב 6: יצירת המעגל

המעגל הורכב באמצעות שני נגדים של 2.2k אוהם ונגד 100 אוהם.

לנגדים יש סובלנות של +-5%. ערכי ההתנגדות השונים גורמים לחוסר איזון של הגשר ב 0 מעלות.

נגדים מקבילים נוספו בסדרה לנגד 100 אוהם כדי להוסיף כמויות עמידות נומינליות כדי להגיע ל- R4 קרוב ל -100 אוהם ככל האפשר.

זה יצר מתח יציאה של 0.00021V שהוא קרוב מאוד ל 0V.

R1 הוא 2, 1638 אוהם ו- R3 הוא 2, 1572 אוהם. ניתן לחבר נגדים נוספים כדי להפוך R1 ו- R3 שווים בדיוק, ונותנים גשר מאוזן לחלוטין.

שגיאות אפשריות:

תיבת הנגד המשתנה המשמשת לבדיקת ערכי טמפרטורות שונות עלולה להיות לא מדויקת

שלב 7: תוצאות נמדדות

את התוצאות הנמדדות ניתן לראות להלן.

השינוי בטמפרטורה נמדד באמצעות תיבת הנגד המשתנה, כדי להגדיר את ההתנגדות של R2 להתנגדויות שונות שניתן למצוא בגיליון הנתונים של PT100.

הנוסחה המצויה כאן תשמש כחלק מהקוד לקביעת תפוקת הטמפרטורה.

שלב 8: לטווחי טמפרטורות גדולים בהרבה

ניתן להכניס מעגל תרמי מסוג K למעגל אם יש צורך לרשום טמפרטורות גבוהות מאוד. צמד תרמו מסוג K יכול למדוד טווח טמפרטורות של -270 עד 1370 מעלות צלזיוס.

זוגות תרמו פועלים על בסיס האפקט התרמו -אלקטרי, הבדל בטמפרטורה מייצר הבדל פוטנציאלי (מתח).

מכיוון שזוגות תרמו פועלים על בסיס ההבדל בין שתי הטמפרטורות, יש לדעת את הטמפרטורה בצומת הייחוס.

ישנן שתי שיטות מדידה באמצעות זוגות תרמיים בהם נוכל להשתמש:

ניתן להציב חיישן PT100 בצומת הייחוס ולמדוד את מתח ההתייחסות

צומת ההתייחסות של צמד התרמו יכול להיות ממוקם באמבטיית קרח אשר תהיה 0 מעלות צלזיוס קבועה אך לא תהיה פרקטית לפרויקט זה

שלב 9: סקירה כללית: שלב מגבר דיפרנציאלי

המגבר הדיפרנציאלי הוא חלק בלתי נפרד מהמבנה. המגבר הדיפרנציאלי משלב את מה שהוא בעצם מגבר לא הפוך והפוך למעגל יחיד. כמובן שכמו כל בנייה הוא מגיע עם מגבלות משלו אולם כפי שיוצג בשלבים הבאים, הוא בהחלט מסייע בהשגת הפלט הנכון של 5V.

שלב 10: מידע על מגבר דיפרנציאלי

המגבר הדיפרנציאלי הוא מגבר תפעולי. הוא ממלא תפקיד מרכזי בעיצוב מעגל זה של הגברת פלט המתח מגשר ויטסטון ב- mV ל- V ולאחר מכן הוא נקרא כקלט מתח על ידי הארדואינו. מגבר זה לוקח שתי כניסות מתח ומגביר את ההבדל בין שני האותות. זה נקרא קלט המתח הדיפרנציאלי. קלט המתח הדיפרנציאלי מועצם לאחר מכן על ידי המגבר וניתן לצפות בו ביציאת המגבר. כניסות המגבר מתקבלות ממחיצות המתח של גשר ויטסטון בחלק הקודם.

שלב 11: הטבות ומגבלות

המגבר הדיפרנציאלי מגיע עם נתח משלו של יתרונות וחסרונות. היתרון העיקרי בשימוש במגבר כזה הוא קלות הבנייה. כתוצאה מהבנייה הקלה הזו, היא הופכת את הבעיות בפתרון בעיות במעגל לקלות ויעילות יותר.

החסרונות בשימוש במעגל כזה הם שכדי להתאים את הרווח של המגבר, יש לכבות את הנגדים הקובעים את הרווח (נגד משוב ונגד מחובר לקרקע), דבר שיכול לצרוך זמן. שנית, למגבר ה- op יש CMRR נמוך יחסית (יחס דחייה במצב רגיל) שאינו אידיאלי להפחתת השפעת מתח קיזוז הכניסה. לכן בתצורה כמו שלנו, בעל CMRR גבוה הוא חיוני להפחתת ההשפעות של מתח קיזוז.

שלב 12: בחירת רווח פלט רצוי

מגבר ה- op כולל 4 נגדים המחוברים למעגל. 2 נגדים תואמים בכניסות המתח, עוד אחד המחובר לקרקע וכן נגד משוב. שני נגדים אלה משמשים כעכבת הכניסה של המגבר. בדרך כלל, נגד בטווח של 10-100 קילו-אוהם אמור להספיק, אולם לאחר שהוגדרו נגדים אלה, ניתן לקבוע את הרווח על-ידי מתן רווח הפלט הרצוי שווה ליחס של הנגד המשוב לנגד הכניסה באחת הכניסות. (Rf/Rin).

הנגד המחובר לאדמה, כמו גם הנגד המשוב, תואמים. אלה נגדים הקובעים רווח. מכיוון שיש לו עכבת כניסה גבוהה, היא ממזערת את השפעות הטעינה על המעגל, כלומר מניעת נהיגה בכמויות גדולות של זרם במכשיר אשר עלולה להיות בעלת השפעות הרסניות אם היא לא מבוקרת.

שלב 13: מיקרו -בקר ARDUINO

ה- Arduino הוא מיקרו -בקר הניתן לתכנות הכולל יציאות קלט/פלט דיגיטליות ואנלוגיות. המיקרו -בקר תוכנת לקרוא את המתח מהמגבר באמצעות סיכת כניסה אנלוגית. ראשית, ה- Arduino יקרא את המתח מטווח פלט המעגל 0-5 V וימיר אותו ל- 0-1023 DU והוא ידפיס את הערך. לאחר מכן, הערך האנלוגי יוכפל ב -5 ויחולק ב- 1023 כדי לקבל את ערך המתח. ערך זה יוכפל ב- 20 כדי לתת את הסולם המדויק לטווח הטמפרטורות 0-100 C.

כדי לקבל את ערכי הקיזוז והרגישות, הקריאות מפין הקלט ב- A0 נלקחו עם ערכים שונים עבור PT100 והגרף תוכנן כדי לקבל את המשוואה הלינארית.

הקוד ששימש:

הגדרת void () {Serial.begin (9600); // התחל את החיבור הטורי עם המחשב

pinMode (A0, INPUT); // פלט מהמגבר יתחבר לפין זה

}

לולאת חלל ()

{קיזוז צף = 6.4762;

רגישות לצוף = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // קרא את הקלט ב- A0

Serial.print ("ערך אנלוגי:");

Serial.println (AnalogValue); // הדפס את ערך הקלט

עיכוב (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // מול על 5 כדי לתת את הטווח 0-100 מעלות

Serial.print ("ערך דיגיטלי:");

Serial.println (DigitalValue); // ערך מתח אנלוגי

צף טמפ = (AnalogValue - offset)/רגישות;

Serial.print ("ערך טמפרטורה:");

Serial.println (טמפ '); // טמפרטורת הדפסה

עיכוב (5000);

}

שלב 14: פתרון בעיות

אספקת 15V למגבר ה- OP ו- 5V לגשר אבן החיטה ולארדואינו חייבים להיות משותפים. (כל ערכי 0v צריכים להיות מחוברים יחד.)

ניתן להשתמש במד וולטר כדי לוודא שהמתח יורד אחרי כל נגד כדי להבטיח שאין קצר.

אם התוצאות משתנות ולא עקביות ניתן לבדוק את החוטים שבהם השתמש באמצעות מד המתח למדידת ההתנגדות של החוט, אם ההתנגדות אומרת "לא מקוונת" זה אומר שיש התנגדות אינסופית ולחוט יש מעגל פתוח.

החוטים צריכים להיות פחות מ -10 אוהם.

הפרש המתח על פני גשר אבן החיטה צריך להיות 0V בטווח המינימלי של טווח הטמפרטורות, אם הגשר אינו מאוזן זה יכול להיות בגלל:

לנגדים יש סובלנות, מה שאומר שהם עשויים להיות עם שגיאה שעלולה לגרום לחוסר איזון של גשר אבן החיטה, ניתן לבדוק את ההתנגדויות בעזרת מד מתח אם הוא יוסר מהמעגל. ניתן להוסיף נגדים קטנים יותר בסדרה או במקביל לאיזון הגשר.

סדרות = r1+r2

1/Rparallel = 1/r1 + 1/r2

שלב 15: שינוי גודל מחדש

את הנוסחה והשיטה לגודל מחדש של המערכת לטמפרטורה אחרת ניתן למצוא בקטע גשר אבן חיטה. לאחר שנמצאים ערכים אלה והגדרת המעגל:

יש להחליף את PT100 בקופסת נגדים, יש להתאים את ערכי ההתנגדות מטווח הטמפרטורות החדש באמצעות ערכי ההתנגדות המתאימים המתקבלים מה- pdf המצורף.

המתח וההתנגדויות הנמדדות וצריכות להיות מתואמות ב- excel עם טמפרטורה (התנגדות) בציר x ומתח ב- y.

תינתן נוסחה מעלילה זו, הקיזוז יהיה הקבוע המתווסף והרגישות תהיה המספר כפול x.

יש לשנות ערכים אלה בקוד וערכת מחדש את המערכת מחדש.

שלב 16: הגדרת הארדואינו

חבר את פלט מגבר המעגל לפין הקלט A0 של הארדואינו

חבר את ה- Arduino Nano דרך יציאת ה- USB במחשב.

הדבק את הקוד בסביבת העבודה של סקיצה Arduino.

ערכו את הקוד.

בחר כלים> לוח> בחר Arduino Nano.

בחר כלים> יציאה> בחר יציאת COM.

העלה את הקוד ל- Arduino.

הערך הדיגיטלי שמוצא הוא פלט המתח של מגבר ה- op (צריך להיות 0-5V)

ערך הטמפרטורה הוא טמפרטורת קריאת המערכות בצלזיוס.