Mesura de la temperatura mitjançant un PT100 i un Arduino: 16 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

L’objectiu d’aquest projecte és dissenyar, construir i provar un sistema de detecció de temperatura. El sistema va ser dissenyat per mesurar un rang de temperatura de 0 a 100 ° C. Es va utilitzar un PT100 per mesurar la temperatura, i és un detector de temperatura de resistència (RTD) que canvia la seva resistència en funció de la temperatura circumdant.

Pas 1: aparell

1x PT100

1x tauler de pa

Resistències 2x 2,15 kohms

1x resistència de 100 ohms

Filferros

Font d'alimentació

Amplificador diferencial

Pas 2: Quant al PT100

Com a part del nostre projecte, tenim la tasca de mesurar la temperatura ambient que oscil·la entre els 0 i els 100 graus centígrads. Vam decidir utilitzar el PT100 pels motius següents:

El PT100 és un detector de temperatura de resistència (RTD), que pot mesurar temperatures des de -200 graus fins a un màxim de 850 graus centígrads, però no se sol utilitzar per mesurar temperatures superiors a 200 graus. Aquesta gamma compleix els nostres requisits.

Aquest sensor produeix una resistència per a una temperatura circumdant determinada. La relació entre la temperatura i la resistència del sensor és lineal. Això, juntament amb la configuració mínima que requereix el sensor, facilita el treball i l’altar si es necessiten altres rangs de temperatura en el futur.

El PT100 també té un temps de resposta lent, però és precís. Aquestes característiques no tenen un gran impacte en el nostre objectiu i, per tant, no van tenir tanta influència a l’hora de decidir quin sensor de temperatura s’ha d’utilitzar.

Pas 3: pont de Wheatstone

El pont de pedra de blat s’utilitza per mesurar una resistència elèctrica desconeguda equilibrant dues potes d’un circuit de pont, una de les quals inclou el component desconegut.

El principal avantatge del circuit és la seva capacitat per obtenir un rang de tensió de sortida que comença a 0V.

Es podria utilitzar un simple divisor de voltatge, però no ens permetria eliminar qualsevol offset present, cosa que faria que l’amplificació de la sortida de tensió sigui menys efectiva.

La resistència en un PT100 varia de 100 a 138.5055 per a una temperatura de 0 a 100 graus centígrads.

A continuació es mostra la fórmula d’un pont de blat de blat, que es pot utilitzar per canviar la escala del pont de blat de blat per a diferents intervals obtinguts de la taula pdf adjunta.

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

En el nostre escenari:

R2 serà la nostra resistència PT100.

R1 serà igual a R3.

El R4 ha de ser igual a 100 ohms per generar 0V a 0 graus centígrads.

Establir Vout a 0V i Vin a 5V ens permet obtenir resistències per a valors de R1 i R2 = 2,2k ohms.

A continuació, podem reduir en 138.5055 ohms la resistència del sensor per obtenir la nostra tensió de sortida a 100 graus centígrads = 80 mV

Pas 4: Simulació del circuit

Una eina per simular circuits, OrCAD Capture, es va utilitzar per simular el nostre circuit i trobar sortides de voltatge esperades a diferents temperatures. Això s’utilitzarà més endavant per comparar la precisió del nostre sistema.

El circuit es va simular realitzant una anàlisi de temps transitòria amb un escombrat paramàtic que va variar la resistència pt100 de 100 ohms a 138.5055 ohms en passos de 3.85055 ohms.

Pas 5: resultats simulats

Els resultats anteriors mostren la relació lineal de la tensió de sortida del circuit i els valors de resistència.

Els resultats es van introduir a Excel i es van representar gràficament. Excel proporciona la fórmula lineal associada a aquests valors. Confirmant la linealitat i el rang de tensió de sortida del sensor.

Pas 6: Creació del circuit

El circuit es va unir mitjançant dues resistències de 2,2 k ohmis i una resistència de 100 ohm.

Les resistències tenen una tolerància del + -5%. Els diferents valors de resistència fan que el pont es desequilibri a 0 graus.

Es van afegir resistències paral·leles en sèrie a la resistència de 100 ohms per afegir quantitats nominals de resistència per obtenir R4 el més a prop possible de 100 ohms.

Això va produir una tensió de sortida de 0,00021 V que és molt propera a 0 V.

R1 és 2, 1638 ohms i R3 és 2, 1572 ohms. Es podria connectar més resistència per fer R1 i R3 exactament iguals, donant un pont perfectament equilibrat.

possibles errors:

la caixa de resistències variables que s’utilitza per provar valors de diferents temperatures podria haver estat inexacta

Pas 7: Resultats mesurats

Els resultats mesurats es poden veure a continuació.

El canvi de temperatura es va mesurar mitjançant una caixa de resistències variables, per configurar la resistència de R2 a diferents resistències que es poden trobar a la fitxa tècnica PT100.

La fórmula que es troba aquí s'utilitzarà com a part del codi per determinar la temperatura de sortida.

Pas 8: per a intervals de temperatura molt més grans

Es podria introduir un termoparell tipus K al circuit si cal registrar temperatures molt altes. El termoparell tipus K pot mesurar un rang de temperatura de -270 a 1370 graus centígrads.

Els termoparells funcionen en funció de l’efecte termoelèctric, una diferència de temperatura produeix una diferència de potencial (tensió).

Com que els termoparells funcionen en funció de la diferència de dues temperatures, cal conèixer la temperatura a la unió de referència.

Hi ha dos mètodes de mesura amb termoparells que podríem utilitzar:

Es podria col·locar un sensor PT100 a la unió de referència i mesurar la tensió de referència

La unió de referència del termoparell es podria col·locar en un bany de gel que seria constant a 0 graus centígrads, però seria poc pràctic per a aquest projecte

Pas 9: Visió general: Etapa de l'amplificador diferencial

L'amplificador diferencial és una part integral de la construcció. L’amplificador diferencial combina el que és essencialment un amplificador no inversor i inversor en un únic circuit. Per descomptat, com amb qualsevol versió, inclou les seves pròpies limitacions, però, tal com es mostrarà en els propers passos, ajuda definitivament a obtenir la sortida correcta de 5V.

Pas 10: Quant a l'amplificador diferencial

L’amplificador diferencial és un amplificador operacional. Té un paper clau en aquest disseny de circuits d'amplificar la sortida de tensió del pont de Wheatstone en mV a V i després es llegeix com a entrada de tensió per part de l'Arduino. Aquest amplificador pren dues entrades de tensió i amplifica la diferència entre els dos senyals. Això s’anomena entrada de tensió diferencial. La tensió diferencial d'entrada és amplificada per l'amplificador i es pot observar a la sortida de l'amplificador. Les entrades de l'amplificador s'obtenen a partir dels divisors de tensió del pont de Wheatstone a la secció anterior.

Pas 11: Beneficis i limitacions

L’amplificador diferencial inclou la seva pròpia part de pros i contres. El principal avantatge d’utilitzar aquest amplificador és la facilitat de construcció. Com a conseqüència d’aquesta fàcil construcció, fa que els problemes de resolució de problemes del circuit siguin més fàcils i eficients.

Els inconvenients d’utilitzar un circuit d’aquest tipus són que, per ajustar el guany de l’amplificador, s’hauran de canviar les resistències que determinen el guany (resistència de retroalimentació i resistència connectada a terra), cosa que pot consumir temps. En segon lloc, l’amplificador operatiu té una CMRR (relació de rebuig en mode comú) relativament baixa, que no és ideal per mitigar la influència del voltatge de compensació d’entrada. Per tant, en una configuració com la nostra, tenir un CMRR elevat és essencial per mitigar els efectes del voltatge de desplaçament.

Pas 12: Selecció del guany de sortida desitjat

L’ampli operatiu compta amb 4 resistències connectades al circuit. 2 resistències coincidents a les entrades de tensió, una altra connectada a terra i una resistència de retroalimentació. Aquests dos resistors serveixen com a impedància d’entrada de l’ampli operador. Normalment, una resistència que oscil·li entre els 10 i els 100 quilograms hauria de ser suficient, però, un cop configurades aquestes resistències, es pot determinar el guany deixant que el guany de sortida desitjat sigui igual a la proporció de la resistència de retroalimentació a la resistència d’entrada en una de les entrades. (Rf / Rin).

La resistència connectada a terra, així com la resistència de retroalimentació, coincideixen. Aquests són els resistents que determinen el guany. En tenir una impedància d’entrada elevada, redueix al mínim els efectes de la càrrega al circuit, és a dir, evitant que circulin grans quantitats de corrent pel dispositiu que poden tenir efectes devastadors si no es controlen.

Pas 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

L'Arduino és un microcontrolador programable amb ports d'E / S digitals i analògics. El microcontrolador va ser programat per llegir la tensió de l'amplificador mitjançant un pin d'entrada analògic. En primer lloc, l’Arduino llegirà la tensió del rang de sortida del circuit de 0-5 V i el convertirà a 0-1023 DU i imprimirà el valor. A continuació, el valor analògic es multiplicarà per 5 i es dividirà per 1023 per obtenir el valor de la tensió. Aquest valor es multiplicarà per 20 per donar l’escala exacta per al rang de temperatura de 0 a 100 C.

Per obtenir els valors de compensació i sensibilitat, les lectures del pin d'entrada a A0 es van prendre amb diferents valors per al PT100 i es va representar el gràfic per obtenir l'equació lineal.

El codi que s'ha utilitzat:

configuració nul·la () {Serial.begin (9600); // iniciar la connexió sèrie amb l'ordinador

pinMode (A0, INPUT); // la sortida de l'amplificador es connectarà a aquest pin

}

bucle buit ()

{desplaçament flotant = 6.4762;

sensibilitat al flotador = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Llegiu l'entrada a A0

Serial.print ("Valor analògic");

Serial.println (AnalogValue); // imprimeix el valor d'entrada

retard (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // Mou per 5 per donar un rang de 0-100 graus

Serial.print ("Valor digital:");

Serial.println (DigitalValue); // valor de tensió analògica

float temp = (AnalogValue - offset) / sensibilitat;

Serial.print ("Valor de temperatura:");

Serial.println (temp); // temperatura d'impressió

retard (5000);

}

Pas 14: resolució de problemes

El subministrament de 15 V a l’amplificador operatiu i el 5 V al pont de pedra de blat i arduino han de tenir un punt comú. (cal connectar tots els valors de 0v).

Es pot utilitzar un voltímetre per assegurar-se que la tensió cau després de cada resistència per assegurar-se que no hi hagi curtcircuits.

Si els resultats varien i són inconsistents, es poden provar els cables utilitzats mitjançant el voltímetre per mesurar la resistència del cable, si la resistència diu "fora de línia" significa que hi ha una resistència infinita i que el cable té un circuit obert.

Els cables han de ser inferiors a 10 ohms.

La diferència de tensió a través del pont de pedra de blat ha de ser 0V en el rang mínim de la temperatura, si el pont no està equilibrat, pot ser perquè:

les resistències tenen una tolerància, el que significa que poden tenir un error que pot provocar un desequilibri del pont de blat, les resistències es poden comprovar amb un voltímetre si s’elimina del circuit. es podrien afegir resistències més petites en sèrie o paral·leles per equilibrar el pont.

Rseries = r1 + r2

1 / Rparallel = 1 / r1 + 1 / r2

Pas 15: canviar de mida

La fórmula i el mètode per canviar l’escala del sistema a una temperatura diferent es poden trobar a la secció del pont de gres. Un cop trobats aquests valors i configurat el circuit:

El PT100 s’ha de substituir per una caixa de resistències. Els valors de resistència s’han d’ajustar des del nou rang de temperatura mitjançant els valors de resistència adequats obtinguts del pdf adjunt.

La tensió i les resistències mesurades hauran de representar-se en excel·lència amb la temperatura (resistència) a l’eix x i la tensió a la y.

A partir d’aquest gràfic es donarà una fórmula, el desplaçament serà la constant que s’afegeix i la sensibilitat serà el nombre multiplicat per x.

Aquests valors s'han de canviar al codi i heu canviat amb èxit el sistema.

Pas 16: Configuració de l'Arduino

connecteu la sortida de l'amplificador del circuit al pin d'entrada A0 de l'Arduino

Connecteu l'Arduino Nano mitjançant el port USB d'un PC.

enganxeu el codi a l'espai de treball d'esbós d'Arduino.

Compileu el codi.

Seleccioneu Eines> Tauler> Seleccioneu Arduino Nano.

Seleccioneu Eines> Port> Seleccioneu el port COM.

Pengeu el codi a l'Arduino.

El valor digital emès és el voltatge de sortida de l'amplificador operatiu (ha de ser de 0-5 V)

El valor de temperatura és el sistema que llegeix la temperatura en centígrads.