ტემპერატურის გაზომვა PT100 და არდუინოს გამოყენებით: 16 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:17

ამ პროექტის მიზანია ტემპერატურის მგრძნობიარე სისტემის შემუშავება, აგება და გამოცდა. სისტემა შექმნილია 0 -დან 100 ° C ტემპერატურის დიაპაზონის გასაზომად. PT100 გამოიყენებოდა ტემპერატურის გასაზომად და ეს არის წინააღმდეგობის ტემპერატურის დეტექტორი (RTD), რომელიც ცვლის მის წინააღმდეგობას გარემოს ტემპერატურის მიხედვით.

ნაბიჯი 1: აპარატი

1x PT100

1x პურის დაფა

2x 2.15 კომის რეზისტორები

1x 100 ohms რეზისტორი

მავთულები

Ენერგიის წყარო

დიფერენციალური გამაძლიერებელი

ნაბიჯი 2: PT100- ის შესახებ

როგორც ჩვენი პროექტის ნაწილი, ჩვენ გვაქვს ამოცანა გავზომოთ გარემოს ტემპერატურა 0 გრადუსიდან 100 გრადუსამდე ცელსიუსამდე. ჩვენ გადავწყვიტეთ PT100– ის გამოყენება შემდეგი მიზეზების გამო:

PT100 არის წინააღმდეგობის ტემპერატურის დეტექტორი (RTD), რომელსაც შეუძლია გაზომოთ ტემპერატურა -200 გრადუსიდან მაქსიმუმ 850 გრადუსამდე, მაგრამ ჩვეულებრივ არ გამოიყენება 200 გრადუსზე მეტი ტემპერატურის გასაზომად. ეს დიაპაზონი შეესაბამება ჩვენს მოთხოვნებს.

ეს სენსორი აწარმოებს წინააღმდეგობას მოცემული მიმდებარე ტემპერატურის მიმართ. სენსორის ტემპერატურასა და წინააღმდეგობას შორის ურთიერთობა ხაზოვანია. ეს, სენსორის მინიმალურ დაყენებასთან ერთად, აადვილებს მუშაობას და საკურთხეველს, თუკი მომავალში სხვა ტემპერატურის დიაპაზონი იქნება საჭირო.

PT100– ს ასევე აქვს ნელი რეაგირების დრო, მაგრამ ზუსტია. ამ მახასიათებლებს არ აქვთ დიდი გავლენა ჩვენს მიზანზე და, შესაბამისად, არ იყვნენ ისეთივე გავლენიანი, როდესაც გადავწყვეტთ რომელი ტემპერატურის სენსორი გამოვიყენოთ.

ნაბიჯი 3: ხორბლის ქვის ხიდი

ხორბლის ქვის ხიდი გამოიყენება უცნობი ელექტრული წინააღმდეგობის გასაზომად ხიდის წრის ორი ფეხის დაბალანსებით, რომლის ერთი ფეხი მოიცავს უცნობ კომპონენტს.

მიკროსქემის მთავარი სარგებელი არის მისი შესაძლებლობა მიიღოს დიაპაზონი გამომავალი ძაბვა, რომელიც იწყება 0 ვ -დან.

ძაბვის მარტივი გამყოფი შეიძლება გამოყენებულ იქნას, მაგრამ არ მოგვცემს საშუალებას, თავი დავაღწიოთ რაიმე ოფსეტური საჩუქრისგან, რაც ძაბვის გამომუშავების გაძლიერებას ნაკლებად ეფექტურს გახდის.

PT100– ში წინააღმდეგობა მერყეობს 100 – დან 138,5055 – მდე 0 – დან 100 გრადუს ცელსიუს ტემპერატურაზე.

ხორბლის ქვის ხიდის ფორმულა ქვემოთ მოცემულია, ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას ხორბლის ქვის ხიდის გასაყიდად სხვადასხვა დიაპაზონისთვის, რომელიც მიღებულია თანდართული pdf ცხრილიდან.

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

ჩვენს სცენარში:

R2 იქნება ჩვენი PT100 წინააღმდეგობა.

R1 უდრის R3- ს.

R4 უნდა იყოს 100 ომის ტოლი 0 გრადუსზე 0 გრადუსზე გამოსაყვანად.

Vout- ის 0V- ზე და Vin- ზე 5V- ზე დაყენება საშუალებას გვაძლევს წინააღმდეგობა მივიღოთ მნიშვნელობებისთვის R1 და R2 = 2.2k ohms.

ჩვენ შეგვიძლია 138.5055 ოჰმ -ით დავამციროთ სენსორის წინააღმდეგობა, რომ გამოვიყენოთ ჩვენი გამომავალი ძაბვა 100 გრადუსი ცელსიუსზე = 80 მვ

ნაბიჯი 4: მიკროსქემის სიმულაცია

სქემების სიმულაციის ინსტრუმენტი, OrCAD Capture გამოიყენეს ჩვენი წრედის სიმულაციისთვის და მოსალოდნელი ძაბვის გამოსასვლელად სხვადასხვა ტემპერატურაზე. ეს მოგვიანებით გამოიყენებოდა იმის შესადარებლად, თუ რამდენად ზუსტი იყო ჩვენი სისტემა.

მიკროსქემის მოდელირება მოხდა გარდამავალი დროის ანალიზით პარამატიკური გაწმენდით, რომელიც ცვლის pt100 წინააღმდეგობას 100 ohms– დან 138.5055 ohms– მდე 3.85055 ohms– ის საფეხურზე.

ნაბიჯი 5: სიმულაციური შედეგები

ზემოთ მოყვანილი შედეგები აჩვენებს წრედის გამომავალი ძაბვის და წინააღმდეგობის მნიშვნელობების წრფივ ურთიერთობას.

შედეგები შემდეგ შეიტანეს Excel- ში და ასახეს. Excel უზრუნველყოფს ამ მნიშვნელობებთან დაკავშირებულ ხაზოვან ფორმულას. სენსორის ხაზოვანი და გამომავალი ძაბვის დიაპაზონის დადასტურება.

ნაბიჯი 6: წრის შექმნა

წრე გაერთიანებულია ორი 2.2k ohm რეზისტორისა და 100 ohm რეზისტორის გამოყენებით.

რეზისტორებს აქვთ ტოლერანტობა +-5%. წინააღმდეგობის განსხვავებული მნიშვნელობები იწვევს ხიდის გაუწონასწორებლობას 0 გრადუსზე.

პარალელური რეზისტორები დაემატა სერიას 100 ომის რეზისტორს, რათა დაემატოს წინააღმდეგობის ნომინალური რაოდენობა, რათა R4 მაქსიმალურად 100 ოჰმ -მდე მივიღოთ.

ამან წარმოქმნა გამომავალი ძაბვა 0.00021V რაც უკიდურესად ახლოსაა 0V- თან.

R1 არის 2, 1638 ohms და R3 არის 2, 1572 ohms. შეიძლება მეტი რეზისტორი იყოს დაკავშირებული, რათა R1 და R3 ზუსტად თანაბარი იყოს, რაც იძლევა სრულყოფილად დაბალანსებულ ხიდს.

შესაძლო შეცდომები:

ცვლადი რეზისტორის ყუთი, რომელიც გამოიყენება ტემპერატურის სხვადასხვა მნიშვნელობების შესამოწმებლად, შეიძლება იყოს არაზუსტი

ნაბიჯი 7: გაზომული შედეგები

გაზომილი შედეგები შეგიძლიათ ნახოთ ქვემოთ.

ტემპერატურის ცვლილება იზომება ცვლადი რეზისტენტული ყუთის გამოყენებით, R2- ის წინააღმდეგობის დასადგენად სხვადასხვა წინააღმდეგობებზე, რაც შეიძლება მოიძებნოს PT100 მონაცემთა ცხრილში.

აქ ნაპოვნი ფორმულა გამოყენებული იქნება როგორც კოდის ნაწილი ტემპერატურის გამომუშავების დასადგენად.

ნაბიჯი 8: გაცილებით დიდი ტემპერატურის დიაპაზონისთვის

თუკი ძალიან მაღალი ტემპერატურის ჩაწერაა საჭირო, მიკროსქემში შეიძლება შემოვიდეს K ტიპის თერმოწყვილი. K ტიპის თერმოწყვილს შეუძლია გაზომოს ტემპერატურის დიაპაზონი -270 -დან 1370 გრადუსამდე.

თერმოწყვილები მოქმედებენ თერმოელექტრული ეფექტის საფუძველზე, ტემპერატურის სხვაობა წარმოქმნის პოტენციურ სხვაობას (ძაბვა).

როგორც თერმოწყვილები მუშაობენ ორი ტემპერატურის სხვაობაზე დაყრდნობით, ტემპერატურა საცნობარო კვანძზე უნდა იყოს ცნობილი.

თერმოწყვილებით გაზომვის ორი მეთოდი არსებობს:

PT100 სენსორი შეიძლება განთავსდეს საცნობარო კვანძზე და გაზომოს საცნობარო ძაბვა

თერმოწყვილის საორიენტაციო კავშირი შეიძლება განთავსდეს ყინულის აბაზანაში, რომელიც იქნება 0 გრადუსი ცელსიუსით, მაგრამ არაპრაქტიკული იქნება ამ პროექტისათვის

ნაბიჯი 9: მიმოხილვა: დიფერენციალური გამაძლიერებლის ეტაპი

დიფერენციალური გამაძლიერებელი მშენებლობის განუყოფელი ნაწილია. დიფერენციალური გამაძლიერებელი აერთიანებს იმას, რაც არსებითად არის არაინვერსიული და შემობრუნებული გამაძლიერებელი ერთ წრედ. რა თქმა უნდა, ნებისმიერი მშენებლობის მსგავსად, მას აქვს საკუთარი შეზღუდვები, მაგრამ როგორც ნაჩვენებია მომდევნო რამდენიმე ნაბიჯის განმავლობაში, ის ნამდვილად ეხმარება 5 ვ -ის სწორი გამომუშავების მიღებაში.

ნაბიჯი 10: დიფერენციალური გამაძლიერებლის შესახებ

დიფერენციალური გამაძლიერებელი არის ოპერატიული გამაძლიერებელი. ის გადამწყვეტ როლს ასრულებს ამ სქემის დიზაინში, რომელიც აძლიერებს ძაბვის გამომუშავებას Wheatstone ხიდიდან mV– მდე V– მდე და შემდეგ იკითხება როგორც ძაბვის შემავალი არდუინო. ეს გამაძლიერებელი იღებს ორ ძაბვის შეყვანას და აძლიერებს განსხვავებას ორ სიგნალს შორის. ამას ეწოდება დიფერენციალური ძაბვის შეყვანა. დიფერენციალური ძაბვის შეყვანა შემდგომში ძლიერდება გამაძლიერებლის მიერ და მისი დაკვირვება შესაძლებელია გამაძლიერებლის გამოსასვლელში. გამაძლიერებლის შეყვანა მიიღება Wheatstone ხიდის ძაბვის გამყოფებიდან წინა განყოფილებაში.

ნაბიჯი 11: სარგებელი და შეზღუდვები

დიფერენციალური გამაძლიერებელი გააჩნია თავისი დადებითი და უარყოფითი მხარეები. ასეთი გამაძლიერებლის გამოყენების მთავარი სარგებელი არის მშენებლობის სიმარტივე. ამ მარტივი კონსტრუქციის შედეგად, ის აადვილებს და უფრო ეფექტურს ხდის წრესთან დაკავშირებულ პრობლემებთან დაკავშირებულ პრობლემებს.

ამგვარი სქემის გამოყენების უარყოფითი მხარე იმაში მდგომარეობს იმაში, რომ გამაძლიერებლის მომატების მოსაწესრიგებლად, მოგების განმსაზღვრელი რეზისტორები (უკუკავშირის რეზისტორი და მიწასთან დაკავშირებული რეზისტორი) ორივე უნდა იყოს გამორთული, რაც შეიძლება დროში შრომატევადი იყოს. მეორეც, op-amp– ს აქვს შედარებით დაბალი CMRR (საერთო რეჟიმის უარყოფის კოეფიციენტი), რომელიც არ არის იდეალური შემავალი ოფსეტური ძაბვის გავლენის შესამცირებლად. ამრიგად, ჩვენს მსგავს კონფიგურაციაში, მაღალი CMRR- ის არსებობა აუცილებელია ოფსეტური ძაბვის ეფექტების შესამცირებლად.

ნაბიჯი 12: სასურველი გამომავალი მოგების შერჩევა

Op-amp– ს აქვს 4 რეზისტორი, რომლებიც დაკავშირებულია წრედთან. 2 შესატყვისი რეზისტორი ძაბვის შეყვანისას, მეორე მიწასთან დაკავშირებული ასევე უკუკავშირის რეზისტორი. ეს ორი რეზისტორი ემსახურება როგორც op-amp- ის შეყვანის წინაღობას. როგორც წესი, 10-100 კილომეტრის დიაპაზონში საკმარისი იქნება რეზისტორი, თუმცა ამ რეზისტორების დაყენების შემდეგ, მოგება შეიძლება განისაზღვროს, თუ სასურველი გამომუშავება მიიღება უკუკავშირის რეზისტორის თანაფარდობით შესასვლელ რეზისტორთან ერთ შესასვლელში (Rf/Rin).

მიწასთან დაკავშირებული რეზისტორი, ისევე როგორც უკუკავშირის რეზისტორი, ემთხვევა. ეს არის მოგების განმსაზღვრელი რეზისტორები. მაღალი შეყვანის წინაღობით, ის ამცირებს დატვირთვის ეფექტს წრედზე, ანუ ხელს უშლის დიდი რაოდენობის დენის გადაადგილებას მოწყობილობაზე, რომელსაც უკონტროლო გამოყენების შემთხვევაში შეიძლება ჰქონდეს დამანგრეველი შედეგები.

ნაბიჯი 13: ARDUINO მიკროკონტროლერი

Arduino არის პროგრამირებადი მიკროკონტროლერი, რომელიც შეიცავს ციფრულ და ანალოგიურ I/O პორტებს. მიკროკონტროლერი დაპროგრამებულია, რომ წაიკითხოს ძაბვა გამაძლიერებელიდან ანალოგური შეყვანის პინის საშუალებით. პირველი, Arduino წაიკითხავს ძაბვას წრედის გამომავალი დიაპაზონიდან 0-5 V და გადააქცევს მას 0-1023 DU და დაბეჭდის მნიშვნელობას. შემდეგი, ანალოგური მნიშვნელობა გამრავლდება 5 -ით და გაიყოფა 1023 -ით, რათა მიიღოთ ძაბვის მნიშვნელობა. ეს მნიშვნელობა გამრავლდება 20-ით, რათა მივიღოთ ზუსტი მასშტაბი ტემპერატურის დიაპაზონისთვის 0-100 C- დან.

ოფსეტური და მგრძნობიარობის მნიშვნელობების მისაღებად, A0- ზე შემავალი პინიდან კითხვები PT100- ისთვის განსხვავებული მნიშვნელობებით იქნა მიღებული და გრაფიკი იყო გამოსახული წრფივი განტოლების მისაღებად.

გამოყენებული კოდი:

void setup () {Serial.begin (9600); // დაიწყეთ სერიული კავშირი კომპიუტერთან

pinMode (A0, INPUT); // გამაძლიერებელიდან გამომავალი იქნება დაკავშირებული ამ პინთან

}

ბათილი მარყუჟი ()

{float offset = 6.4762;

მცურავი მგრძნობელობა = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // წაიკითხეთ შეყვანა A0– ზე

Serial.print ("ანალოგური მნიშვნელობა:");

Serial.println (AnalogValue); // დაბეჭდეთ შეყვანის მნიშვნელობა

დაგვიანება (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul 5-ით, რათა დიაპაზონი 0-100 გრადუსი იყოს

Serial.print ("ციფრული მნიშვნელობა:");

Serial.println (DigitalValue); // ანალოგური ძაბვის მნიშვნელობა

float temp = (AnalogValue - offset)/მგრძნობელობა;

Serial.print ("ტემპერატურის მნიშვნელობა:");

Serial.println (temp); // ბეჭდვის ტემპი

დაგვიანება (5000);

}

ნაბიჯი 14: პრობლემების მოგვარება

15V მიწოდება op-amp და 5V ხორბლის ქვის ხიდსა და arduino– ს უნდა ჰქონდეს საერთო საფუძველი. (ყველა 0v მნიშვნელობა უნდა იყოს დაკავშირებული ერთმანეთთან.)

ვოლტმეტრი შეიძლება გამოყენებულ იქნას იმისათვის, რომ დარწმუნდეთ, რომ ძაბვა ეცემა ყოველი რეზისტორის შემდეგ, რაც ხელს შეუწყობს მოკლე ჩართვის არარსებობას.

თუ შედეგები განსხვავებულია და შეუსაბამოა, მავთულის გამოყენება შესაძლებელია ვოლტმეტრის გამოყენებით მავთულის წინააღმდეგობის გასაზომად, თუ წინააღმდეგობა ამბობს "ხაზგარეშე", ეს ნიშნავს, რომ არსებობს უსასრულო წინააღმდეგობა და მავთულს აქვს ღია წრე.

მავთულები უნდა იყოს 10 ohms– ზე ნაკლები.

ძაბვის სხვაობა ხორბლის ქვის ხიდზე უნდა იყოს 0V ტემპერატურის დიაპაზონის მინიმალურ დიაპაზონში, თუ ხიდი არ არის დაბალანსებული ეს შეიძლება იყოს იმიტომ:

რეზისტორებს აქვთ ტოლერანტობა, რაც იმას ნიშნავს, რომ მათ შეიძლება ჰქონდეთ შეცდომა, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ხორბლის ქვის ხიდის გაუწონასწორებლობა, წინააღმდეგობების შემოწმება შესაძლებელია ვოლტმეტრით, თუ ის ამოღებულია წრიდან. ხიდის დასაბალანსებლად სერიულად ან პარალელურად შეიძლება დაემატოს მცირე ზომის რეზისტორები.

სერიები = r1+r2

1/პარალელური = 1/r1 + 1/r2

ნაბიჯი 15: გაფართოება

ფორმულა და მეთოდი ხელახლა გაშუქების სისტემის სხვა ტემპერატურაზე შეგიძლიათ იხილოთ ხორბლის ქვის ხიდის მონაკვეთში. მას შემდეგ, რაც ეს მნიშვნელობები მოიძებნება და წრე შეიქმნება:

PT100 უნდა შეიცვალოს რეზისტორის ყუთით, წინააღმდეგობის მნიშვნელობები უნდა იყოს მორგებული ახალი ტემპერატურის დიაპაზონიდან, შესაბამისი წინააღმდეგობის მნიშვნელობების გამოყენებით, თანდართული pdf– დან.

გაზომილი ძაბვა და წინააღმდეგობები და უნდა იყოს გამოსახული Excel- ში ტემპერატურით (წინააღმდეგობა) x ღერძზე და ძაბვა y- ზე.

ამ ნაკვეთიდან მოცემულია ფორმულა, ოფსეტური იქნება მუდმივი, რომელიც ემატება და მგრძნობელობა იქნება რიცხვი გამრავლებული x- ზე.

ეს მნიშვნელობები უნდა შეიცვალოს კოდზე და თქვენ წარმატებით მოახდინეთ სისტემის განახლება.

ნაბიჯი 16: არდუინოს დაყენება

შეაერთეთ მიკროსქემის გამოსასვლელი არდუინოს A0 შესასვლელ პინთან

შეაერთეთ Arduino Nano USB პორტის საშუალებით კომპიუტერზე.

ჩასვით კოდი Arduino ესკიზის სამუშაო სივრცეში.

შეადგინეთ კოდი.

აირჩიეთ ინსტრუმენტები> დაფა> აირჩიეთ არდუინო ნანო.

აირჩიეთ ინსტრუმენტები> პორტი> აირჩიეთ COM პორტი.

ატვირთეთ კოდი არდუინოში.

გამომავალი ციფრული მნიშვნელობა არის op-amp- ის ძაბვის გამომუშავება (უნდა იყოს 0-5V)

ტემპერატურის მნიშვნელობა არის სისტემები, რომლებიც კითხულობენ ტემპერატურას ცელსიუსში.