Temperatuur meten met een PT100 en een Arduino: 16 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Het doel van dit project is het ontwerpen, bouwen en testen van een temperatuurmeetsysteem. Het systeem is ontworpen om een temperatuurbereik van 0 tot 100 °C te meten. Een PT100 werd gebruikt om de temperatuur te meten, en het is een weerstandstemperatuurdetector (RTD) die zijn weerstand verandert afhankelijk van de omgevingstemperatuur.

Stap 1: Apparatuur

1x PT100

1x Broodplank

2x 2,15 kohm weerstanden

1x 100 ohm weerstand

Draden

Stroomvoorziening

Differentiële versterker

Stap 2: Over de PT100

Als onderdeel van ons project hebben we de taak om de omgevingstemperatuur te meten van 0 graden tot 100 graden Celsius. We hebben besloten om de PT100 te gebruiken om de volgende redenen:

De PT100 is een weerstandstemperatuurdetector (RTD), die temperaturen kan meten van -200 graden tot maximaal 850 graden Celsius, maar wordt meestal niet gebruikt om temperaturen boven de 200 graden te meten. Dit assortiment voldoet aan onze eisen.

Deze sensor produceert een weerstand voor een bepaalde omgevingstemperatuur. De relatie tussen temperatuur en weerstand van de sensor is lineair. Dit, samen met de minimale opstelling die de sensor nodig heeft, maakt het gemakkelijk om mee te werken en maakt het een probleem als er in de toekomst andere temperatuurbereiken nodig zijn.

De PT100 heeft ook een trage responstijd, maar is nauwkeurig. Deze kenmerken hebben niet veel invloed op ons doel en waren dus niet zo invloedrijk bij de beslissing welke temperatuursensor we moesten gebruiken.

Stap 3: Wheatstone-brug

De brug van tarwesteen wordt gebruikt om een onbekende elektrische weerstand te meten door twee benen van een brugcircuit te balanceren, waarvan één been de onbekende component bevat.

Het belangrijkste voordeel van het circuit is het vermogen om een bereik van uitgangsspanning te krijgen dat begint bij 0V.

Een eenvoudige spanningsdeler zou kunnen worden gebruikt, maar zou ons niet in staat stellen om de aanwezige offset te verwijderen, waardoor het versterken van de uitgangsspanning minder effectief zou zijn.

De weerstand in een PT100 varieert van 100 tot 138.5055 voor een temperatuur van 0 tot 100 graden Celsius.

De formule voor een brug van tarwesteen staat hieronder, deze kan worden gebruikt om de brug van tarwesteen opnieuw te schalen voor verschillende bereiken die zijn verkregen uit de bijgevoegde pdf-tabel.

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

In ons scenario:

R2 wordt onze PT100-weerstand.

R1 zal gelijk zijn aan R3.

R4 moet gelijk zijn aan 100 ohm om 0V uit te voeren bij 0 graden Celsius.

Door Vout in te stellen op 0V en Vin op 5V kunnen we weerstandswaarden verkrijgen voor R1 en R2 = 2,2 k ohm.

We kunnen dan sub in 138.5055 ohm voor de weerstand van de sensor om onze uitgangsspanning te verkrijgen bij 100 graden Celsius =80mV

Stap 4: Simuleren van het circuit

OrCAD Capture, een hulpmiddel voor het simuleren van circuits, werd gebruikt om ons circuit te simuleren en verwachte spanningsoutputs bij verschillende temperaturen te vinden. Dit zou later worden gebruikt om te vergelijken hoe nauwkeurig ons systeem was.

Het circuit werd gesimuleerd door een transiënte tijdanalyse uit te voeren met een paramatische sweep die de pt100-weerstand varieerde van 100 ohm tot 138.5055 ohm in stappen van 3.85055 ohm.

Stap 5: Gesimuleerde resultaten

De bovenstaande resultaten tonen de lineaire relatie van de uitgangsspanning van het circuit en de weerstandswaarden.

De resultaten werden vervolgens ingevoerd in Excel en geplot. Excel biedt de lineaire formule die aan deze waarden is gekoppeld. Bevestiging van de lineariteit en het uitgangsspanningsbereik van de sensor.

Stap 6: Het circuit maken

De schakeling is samengesteld met twee weerstanden van 2,2k ohm en een weerstand van 100 ohm.

De weerstanden hebben een tolerantie van +-5%. De verschillende weerstandswaarden zorgen ervoor dat de brug bij 0 graden uit balans is.

Parallelle weerstanden werden in serie toegevoegd aan de weerstand van 100 ohm om nominale hoeveelheden weerstand toe te voegen om R4 zo dicht mogelijk bij 100 ohm te krijgen.

Dit produceerde een uitgangsspanning van 0.00021V, wat extreem dicht bij 0V ligt.

R1 is 2, 1638 ohm en R3 is 2, 1572 ohm. Er zou meer weerstand kunnen worden aangesloten om R1 en R3 precies gelijk te maken, waardoor een perfect uitgebalanceerde brug ontstaat.

mogelijke fouten:

variabele weerstandsdoos die wordt gebruikt om verschillende temperatuurwaarden te testen, kan onnauwkeurig zijn

Stap 7: Gemeten resultaten

De meetresultaten zijn hieronder te zien.

Verandering in temperatuur werd gemeten met behulp van een variabele weerstandsdoos, om de weerstand van R2 in te stellen op verschillende weerstanden die te vinden zijn in het PT100-gegevensblad.

De formule die hier wordt gevonden, wordt gebruikt als onderdeel van de code om de temperatuuruitvoer te bepalen.

Stap 8: Voor veel grotere temperatuurbereiken

Een type K thermokoppel kan in het circuit worden geïntroduceerd als zeer hoge temperaturen moeten worden geregistreerd. Het type K thermokoppel kan een temperatuurbereik meten van -270 tot 1370 graden Celsius.

Thermokoppels werken op basis van het thermo-elektrische effect. Een verschil in temperatuur produceert een potentiaalverschil (Voltage).

Aangezien thermokoppels werken op basis van het verschil van twee temperaturen, moet de temperatuur op de referentiejunctie bekend zijn.

Er zijn twee meetmethoden met thermokoppels die we kunnen gebruiken:

Een PT100-sensor kan op het referentieknooppunt worden geplaatst en de referentiespanning meten

De referentiejunctie van het thermokoppel zou in een ijsbad kunnen worden geplaatst dat een constante 0 graden Celsius zou zijn, maar zou onpraktisch zijn voor dit project

Stap 9: Overzicht: differentiële versterkertrap

De differentiële versterker is een integraal onderdeel van de build. De differentiële versterker combineert wat in wezen een niet-inverterende en inverterende versterker is in een enkel circuit. Natuurlijk, zoals bij elke build, heeft het zijn eigen beperkingen, maar zoals in de volgende paar stappen zal worden getoond, helpt het zeker bij het verkrijgen van de juiste output van 5V.

Stap 10: Over de differentiële versterker

De differentiële versterker is een operationele versterker. Het speelt een sleutelrol in dit circuitontwerp voor het versterken van de uitgangsspanning van de Wheatstone-brug in mV naar V en wordt vervolgens ingelezen als een spanningsingang door de Arduino. Deze versterker neemt twee spanningsingangen en versterkt het verschil tussen de twee signalen. Dit wordt de differentiële spanningsingang genoemd. De differentiële spanningsingang wordt dan versterkt door de versterker en kan worden waargenomen aan de uitgang van de versterker. De versterkeringangen worden verkregen uit de spanningsdelers van de Wheatstone-brug in het vorige gedeelte.

Stap 11: Voordelen en beperkingen

De differentiële versterker heeft zijn eigen voor- en nadelen. Het belangrijkste voordeel van het gebruik van een dergelijke versterker is het gemak van constructie. Als gevolg van deze eenvoudige constructie worden problemen met het circuit gemakkelijker en efficiënter op te lossen.

De nadelen van het gebruik van een dergelijke schakeling zijn dat om de versterking van de versterker aan te passen, de versterkingsbepalende weerstanden (terugkoppelingsweerstand en aardingsweerstand) beide moeten worden uitgeschakeld, wat tijdrovend kan zijn. Ten tweede heeft de op-amp een relatief lage CMRR (common-mode reject ratio), wat niet ideaal is om de invloed van de ingangsoffsetspanning te verminderen. Dus in een configuratie als de onze is het hebben van een hoge CMRR essentieel om de effecten van offset-spanning te verminderen.

Stap 12: Gewenste uitgangsversterking selecteren

De op-amp heeft 4 weerstanden die op het circuit zijn aangesloten. 2 op elkaar afgestemde weerstanden aan de spanningsingangen, een andere verbonden met aarde en een feedbackweerstand. Deze twee weerstanden dienen als ingangsimpedantie van de op-amp. Gewoonlijk zou een weerstand in het bereik van 10-100 kilohm voldoende moeten zijn, maar als deze weerstanden eenmaal zijn ingesteld, kan de versterking worden bepaald door de gewenste uitgangsversterking gelijk te laten zijn aan de verhouding van de terugkoppelingsweerstand tot de ingangsweerstand op een van de ingangen (Rf/Rijn).

De met de aarde verbonden weerstand, evenals de feedbackweerstand, zijn op elkaar afgestemd. Dit zijn de versterkingsbepalende weerstanden. Door een hoge ingangsimpedantie te hebben, worden de effecten van belasting op het circuit geminimaliseerd, d.w.z. voorkomen dat grote hoeveelheden stroom door het apparaat gaan, wat verwoestende effecten kan hebben als ze niet worden gecontroleerd.

Stap 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

De Arduino is een programmeerbare microcontroller met digitale en analoge I/O-poorten. De microcontroller was geprogrammeerd om de spanning van de versterker te lezen via een analoge ingangspen. Eerst leest de Arduino de spanning van het uitgangsbereik van het circuit 0-5 V en converteert deze naar 0-1023 DU en drukt de waarde af. Vervolgens wordt de analoge waarde vermenigvuldigd met 5 en gedeeld door 1023 om de spanningswaarde te krijgen. Deze waarde wordt vermenigvuldigd met 20 om de exacte schaal voor het temperatuurbereik van 0-100 C te geven.

Om de offset- en gevoeligheidswaarden te krijgen, werden de metingen van de invoerpin op A0 genomen met verschillende waarden voor de PT100 en werd de grafiek uitgezet om de lineaire vergelijking te krijgen.

De code die gebruikt is:

void setup() { Serial.begin(9600); //start de seriële verbinding met de computer

pinMode (A0, INGANG); // output van de versterker wordt verbonden met deze pin

}

lege lus()

{ float-offset = 6.4762;

float gevoeligheid=1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Lees de invoer op A0

Serial.print("Analoge waarde: ");

Serial.println(AnalogValue); // druk de invoerwaarde af

vertraging (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul met 5 om het bereik 0-100 graden te geven

Serial.print("Digitale waarde: ");

Serial.println(DigitalValue); // analoge spanningswaarde

float temp = (AnalogValue - offset)/gevoeligheid;

Serial.print("Temperatuurwaarde: ");

Serieel.println(temp); // afdruktemp

vertraging (5000);

}

Stap 14: Problemen oplossen

De 15V-voeding naar de op-amp en de 5V naar de tarwesteenbrug en arduino moeten een gemeenschappelijke basis hebben. (alle 0v-waarden moeten met elkaar worden verbonden.)

Een voltmeter kan worden gebruikt om ervoor te zorgen dat de spanning na elke weerstand daalt om ervoor te zorgen dat er geen kortsluiting is.

Als de resultaten variëren en inconsistent zijn, kunnen de gebruikte draden worden getest door de voltmeter te gebruiken om de weerstand van de draad te meten. Als de weerstand "offline" aangeeft, betekent dit dat er oneindige weerstand is en dat de draad een open circuit heeft.

Draden moeten minder dan 10 ohm zijn.

Het spanningsverschil over de brug van tarwesteen moet 0V zijn bij het minimumbereik van het temperatuurbereik, als de brug niet in balans is, kan dit zijn omdat:

weerstanden hebben een tolerantie, wat betekent dat ze een fout kunnen hebben waardoor de brug van tarwesteen uit balans kan raken, de weerstanden kunnen worden gecontroleerd met een voltmeter als deze uit het circuit is verwijderd. kleinere weerstanden kunnen in serie of parallel worden toegevoegd om de brug in evenwicht te brengen.

Rseries=r1+r2

1/Rparallel =1/r1 + 1/r2

Stap 15: herschalen

De formule en methode voor het herschalen van het systeem voor een andere temperatuur vindt u in de sectie tarwesteenbrug. Zodra deze waarden zijn gevonden en het circuit is ingesteld:

De PT100 moet worden vervangen door een weerstandsdoos. De weerstandswaarden moeten worden aangepast vanuit het nieuwe temperatuurbereik met behulp van de juiste weerstandswaarden die zijn verkregen uit de bijgevoegde pdf.

De gemeten spanning en weerstanden moeten in Excel worden uitgezet met temperatuur (weerstand) op de x-as en spanning op de y.

Uit deze grafiek wordt een formule gegeven, de offset is de constante die wordt toegevoegd en de gevoeligheid is het getal vermenigvuldigd met x.

Deze waarden moeten in de code worden gewijzigd en u hebt het systeem met succes opnieuw geschaald.

Stap 16: De Arduino instellen

sluit de uitgang van de circuitversterker aan op de A0-ingangspin van de Arduino

Sluit de Arduino Nano aan via de USB-poort op een pc.

plak de code in de Arduino-schetswerkruimte.

Compileer de code.

Selecteer Extra > Bord > Selecteer Arduino Nano.

Selecteer Extra > Poort > Selecteer COM-poort.

Upload de code naar de Arduino.

De uitgevoerde digitale waarde is de uitgangsspanning van de op-amp (moet 0-5V zijn)

De temperatuurwaarde is de door het systeem afgelezen temperatuur in Celsius.