اندازه گیری دما با استفاده از PT100 و آردوینو: 16 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

هدف این پروژه طراحی ، ساخت و آزمایش یک سیستم سنجش دما است. این سیستم برای اندازه گیری محدوده دمای 0 تا 100 درجه سانتی گراد طراحی شده است. برای اندازه گیری دما از PT100 استفاده شد و این یک آشکارساز دمای مقاومت (RTD) است که بسته به دمای محیط مقاومت آن را تغییر می دهد.

مرحله 1: دستگاه

1x PT100

1x تخته نان

2x مقاومت 2.15 اهم

مقاومت 1x 100 اهم

سیم ها

منبع تغذیه

تقویت کننده دیفرانسیل

مرحله 2: درباره PT100

به عنوان بخشی از پروژه ما ، وظیفه داریم دمای محیط را از 0 درجه تا 100 درجه سانتیگراد اندازه گیری کنیم. ما به دلایل زیر تصمیم به استفاده از PT100 گرفتیم:

PT100 یک آشکارساز دمای مقاومتی (RTD) است که می تواند دما را از -200 درجه تا حداکثر 850 درجه سانتیگراد اندازه گیری کند ، اما معمولاً برای اندازه گیری دمای بیش از 200 درجه استفاده نمی شود. این محدوده با الزامات ما مطابقت دارد.

این سنسور برای دمای محیط معین مقاومت ایجاد می کند. رابطه بین دما و مقاومت سنسور خطی است. این امر ، همراه با حداقل تنظیمات مورد نیاز سنسور ، در صورت نیاز به محدوده دمایی دیگر در آینده ، کار با آن و محراب را آسان می کند.

PT100 زمان پاسخگویی کندی دارد اما دقیق است. این ویژگی ها تأثیر چندانی بر هدف ما ندارند و بنابراین هنگام تصمیم گیری از کدام سنسور دما استفاده نمی کنیم.

مرحله 3: پل سنگ گندم

پل گندم برای اندازه گیری مقاومت الکتریکی ناشناخته با ایجاد توازن در دو پایه مدار پل مورد استفاده قرار می گیرد که یک پایه آن شامل اجزای ناشناخته است.

مزیت اصلی مدار توانایی آن در بدست آوردن طیف وسیعی از ولتاژ خروجی است که از 0 ولت شروع می شود.

می توان از یک تقسیم کننده ولتاژ ساده استفاده کرد ، اما اجازه نمی دهد که ما هرگونه جریان افست را از بین ببریم ، که تقویت خروجی ولتاژ را کمتر موثر می کند.

مقاومت در PT100 برای دمای 0 تا 100 درجه سانتیگراد از 100 تا 138.5055 متغیر است.

فرمول پل سنگ گندم در زیر آمده است ، می توان از آن برای بازسازی مجدد پل سنگ گندم برای محدوده های مختلف که از جدول پی دی اف پیوست به دست آمده استفاده کرد.

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

در سناریوی ما:

R2 مقاومت PT100 ما خواهد بود.

R1 برابر R3 خواهد بود.

برای خروجی 0 ولت در 0 درجه سانتیگراد ، R4 باید برابر 100 اهم باشد.

تنظیم Vout روی 0V و Vin روی 5V به ما این امکان را می دهد تا مقادیری برای R1 و R2 = 2.2k اهم به دست آوریم.

سپس می توانیم برای مقاومت سنسور در 138.5055 اهم ، ولتاژ خروجی خود را در 100 درجه سانتیگراد = 80mV بدست آوریم

مرحله 4: شبیه سازی مدار

Orcad Capture از ابزارهای شبیه سازی مدارها برای شبیه سازی مدار ما و یافتن خروجی های ولتاژ مورد انتظار در دماهای مختلف استفاده شد. این مورد بعداً برای مقایسه میزان دقت سیستم ما مورد استفاده قرار می گیرد.

مدار با تجزیه و تحلیل زمان گذرا با یک رفت و برگشت پاراماتیک شبیه سازی شد که مقاومت pt100 را از 100 اهم به 138.5055 اهم در مراحل 3.85055 اهم تغییر داد.

مرحله 5: نتایج شبیه سازی شده

نتایج بالا رابطه خطی ولتاژ خروجی مدار و مقادیر مقاومت را نشان می دهد.

سپس نتایج در اکسل وارد شده و ترسیم شده است. Excel فرمول خطی مرتبط با این مقادیر را ارائه می دهد. تأیید خطی بودن و محدوده ولتاژ خروجی سنسور.

مرحله 6: ایجاد مدار

مدار با استفاده از دو مقاومت 2.2k اهم و یک مقاومت 100 اهم کنار هم قرار گرفت.

مقاومت ها دارای تحمل +-5 هستند. مقادیر مختلف مقاومت باعث عدم تعادل پل در 0 درجه می شود.

مقاومتهای موازی به صورت سری به مقاومت 100 اهم اضافه شده اند تا مقادیر اسمی مقاومت را افزایش دهند تا R4 تا حد امکان به 100 اهم برسد.

این امر ولتاژ خروجی 0.00021V را تولید می کند که بسیار نزدیک به 0V است.

R1 2 ، 1638 اهم و R3 2 ، 1572 اهم است. می توان مقاومت بیشتری را به هم متصل کرد تا R1 و R3 دقیقاً برابر شوند و یک پل کاملا متعادل ایجاد کند.

خطاهای احتمالی:

جعبه مقاومت متغیر مورد استفاده برای آزمایش مقادیر دمای مختلف ممکن است نادرست باشد

مرحله 7: نتایج اندازه گیری شده

نتایج اندازه گیری شده در زیر قابل مشاهده است.

تغییر دما با استفاده از یک جعبه مقاومت متغیر اندازه گیری شد تا مقاومت R2 در برابر مقاومت های مختلف که در برگه اطلاعات PT100 یافت می شود تنظیم شود.

فرمول موجود در اینجا به عنوان بخشی از کد برای تعیین درجه حرارت خروجی استفاده می شود.

مرحله 8: برای دمای بسیار بزرگتر

در صورت نیاز به ثبت دمای بسیار بالا ، ترموکوپل نوع K می تواند وارد مدار شود. ترموکوپل نوع K می تواند محدوده دمایی -270 تا 1370 درجه سانتی گراد را اندازه گیری کند.

ترموکوپل ها بر اساس اثر ترموالکتریک عمل می کنند ، تفاوت دما باعث ایجاد اختلاف بالقوه (ولتاژ) می شود.

از آنجا که ترموکوپلها بر اساس تفاوت دو دما عمل می کنند ، دما در محل اتصال باید مشخص شود.

دو روش اندازه گیری با ترموکوپل وجود دارد که می توانیم از آنها استفاده کنیم:

یک سنسور PT100 می تواند در محل اتصال مرجع قرار گیرد و ولتاژ مرجع را اندازه گیری کند

محل اتصال مرجع ترموکوپل را می توان در حمام یخ قرار داد که ثابت 0 درجه سانتیگراد است اما برای این پروژه غیر عملی است

مرحله 9: مرور کلی: مرحله تقویت کننده دیفرانسیل

تقویت کننده دیفرانسیل بخشی جدایی ناپذیر از ساختار است. تقویت کننده دیفرانسیل آنچه را که اساساً تقویت کننده غیر معکوس و معکوس کننده است در یک مدار واحد ترکیب می کند. البته مانند هر ساختاری با محدودیت های خاص خود همراه است ، اما همانطور که در مراحل بعدی نشان داده می شود ، قطعاً به خروجی صحیح 5 ولت کمک می کند.

مرحله 10: درباره تقویت کننده دیفرانسیل

تقویت کننده دیفرانسیل یک تقویت کننده عملیاتی است. در تقویت طراحی ولتاژ خروجی پل Wheatstone در mV به V نقش کلیدی ایفا می کند و سپس توسط آردوینو به عنوان ورودی ولتاژ خوانده می شود. این تقویت کننده دو ورودی ولتاژ می گیرد و تفاوت بین دو سیگنال را تقویت می کند. به این ورودی ولتاژ دیفرانسیل می گویند. سپس ولتاژ دیفرانسیل ورودی توسط تقویت کننده تقویت می شود و در خروجی تقویت کننده قابل مشاهده است. ورودی های تقویت کننده از تقسیم کننده های ولتاژ پل Wheatstone در قسمت قبل بدست می آید.

مرحله 11: مزایا و محدودیت ها

تقویت کننده دیفرانسیل دارای مزایا و معایب خاص خود است. مزیت اصلی استفاده از چنین تقویت کننده ای سهولت ساخت است. در نتیجه این ساخت آسان ، عیب یابی مشکلات موجود در مدار را آسان تر و کارآمدتر می کند.

معایب استفاده از چنین مداری این است که برای تنظیم افزایش تقویت کننده ، مقاومتهای تعیین کننده افزایش (مقاومت بازخورد و مقاومت متصل به زمین) هر دو باید خاموش شوند ، که ممکن است زمان بر باشد. در مرحله دوم ، op-amp دارای CMRR نسبت پایین (نسبت رد حالت معمول) است که برای کاهش تأثیر ولتاژ جبران ورودی ایده آل نیست. بنابراین در پیکربندی مانند ما ، داشتن CMRR بالا در کاهش اثرات ولتاژ جابجایی ضروری است.

مرحله 12: انتخاب سود خروجی مورد نظر

آپ-آمپ دارای 4 مقاومت متصل به مدار است. 2 مقاومت منطبق در ورودی ولتاژ ، دیگری متصل به زمین و همچنین مقاومت بازخورد. این دو مقاومت به عنوان امپدانس ورودی op-amp عمل می کنند. به طور معمول ، یک مقاومت در محدوده 10-100 کیلو اهم باید کافی باشد ، اما هنگامی که این مقاومتها تنظیم شده اند ، می توان با اجازه دادن به خروجی مورد نظر برابر نسبت مقاومت بازخورد به مقاومت ورودی در یکی از ورودی ها ، افزایش را تعیین کرد. (Rf/Rin).

مقاومت متصل به زمین و همچنین مقاومت بازخورد با هم مطابقت دارند. اینها مقاومتهای تعیین کننده افزایش هستند. با داشتن امپدانس ورودی بالا ، اثرات بارگذاری روی مدار را به حداقل می رساند ، یعنی از عبور مقدار زیادی جریان از طریق دستگاه جلوگیری می کند که در صورت کنترل نشدن می تواند آثار مخربی داشته باشد.

مرحله 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino یک میکروکنترلر قابل برنامه ریزی است که دارای پورت های ورودی/خروجی دیجیتال و آنالوگ است. میکروکنترلر طوری برنامه ریزی شده بود که ولتاژ تقویت کننده را از طریق پین ورودی آنالوگ بخواند. ابتدا ، آردوینو ولتاژ را از محدوده خروجی مدار 0-5 ولت می خواند و آن را به 0-1023 DU تبدیل می کند و مقدار را چاپ می کند. در مرحله بعد ، مقدار آنالوگ در 5 ضرب و بر 1023 تقسیم می شود تا مقدار ولتاژ بدست آید. این مقدار در 20 ضرب می شود تا مقیاس دقیق محدوده دما از 0 تا 100 درجه سانتی گراد را نشان دهد.

برای بدست آوردن مقادیر افست و حساسیت ، قرائت های پین ورودی در A0 با مقادیر مختلف برای PT100 گرفته شد و نمودار رسم شد تا معادله خطی بدست آید.

کد مورد استفاده:

void setup () {Serial.begin (9600)؛ // اتصال سریال را با کامپیوتر شروع کنید

pinMode (A0 ، INPUT) ؛ // خروجی از تقویت کننده به این پین متصل می شود

}

حلقه خالی ()

{float offset = 6.4762؛

حساسیت شناور = 1.9971 ؛

int AnalogValue = analogRead (A0)؛ // ورودی A0 را بخوانید

Serial.print ("مقدار آنالوگ:") ؛

Serial.println (AnalogValue) ؛ // مقدار ورودی را چاپ کنید

تاخیر (1000) ؛

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023) ؛ // mul در 5 برای ارائه محدوده 0-100 درجه

Serial.print ("ارزش دیجیتال:") ؛

Serial.println (DigitalValue) ؛ // مقدار ولتاژ آنالوگ

float temp = (AnalogValue - offset)/حساسیت ؛

Serial.print ("مقدار دما:")؛

Serial.println (temp) ؛ // دمای چاپ

تأخیر (5000) ؛

}

مرحله 14: عیب یابی

منبع تغذیه 15 ولت به op-amp و 5 ولت به پل گندم و آردوینو باید دارای نقطه مشترک باشند. (همه مقادیر 0v باید به هم متصل شوند.)

می توان از ولت متر برای اطمینان از افت ولتاژ بعد از هر مقاومت استفاده کرد تا از عدم اتصال کوتاه اطمینان حاصل شود.

اگر نتایج متغیر و ناسازگار است سیم های مورد استفاده را می توان با استفاده از ولت متر برای اندازه گیری مقاومت سیم آزمایش کرد ، اگر مقاومت "آفلاین" می گوید به این معنی است که مقاومت بی نهایت وجود دارد و سیم دارای مدار باز است.

سیم ها باید کمتر از 10 اهم باشند.

اختلاف ولتاژ در پل سنگ گندم باید 0V در حداقل محدوده دما باشد ، اگر پل متعادل نباشد ، ممکن است به این دلیل باشد:

مقاومت ها دارای تحمل هستند ، به این معنی که ممکن است خطایی داشته باشند که ممکن است باعث عدم تعادل پل گندم شود ، در صورت حذف از مدار ، می توان مقاومت ها را با ولت متر اندازه گیری کرد. مقاومتهای کوچکتر را می توان به صورت سری یا موازی برای ایجاد تعادل در پل اضافه کرد.

سری = r1+r2

1/موازی = 1/r1 + 1/r2

مرحله 15: مقیاس بندی مجدد

فرمول و روش مقیاس بندی مجدد سیستم برای دمای متفاوت را می توانید در قسمت پل گندم پیدا کنید. پس از یافتن این مقادیر و راه اندازی مدار:

PT100 باید با یک جعبه مقاومت جایگزین شود ، مقادیر مقاومت باید از محدوده دمای جدید با استفاده از مقادیر مقاومت مناسب بدست آمده از pdf پیوست تنظیم شود.

ولتاژ و مقاومت اندازه گیری شده و باید در اکسل با دما (مقاومت) در محور x و ولتاژ در y رسم شود.

از این نمودار یک فرمول داده می شود ، افست ثابت ثابت است که اضافه می شود و حساسیت عددی در x ضرب می شود.

این مقادیر باید روی کد تغییر کنند و شما سیستم را با موفقیت ارتقا داده اید.

مرحله 16: راه اندازی آردوینو

خروجی آمپر مدار را به پین ورودی A0 آردوینو وصل کنید

Arduino Nano را از طریق پورت USB روی رایانه وصل کنید.

کد را در فضای کاری طرح آردوینو قرار دهید.

کد را کامپایل کنید.

Tools> Board> Arduino Nano را انتخاب کنید.

Tools> Port> Select COM port را انتخاب کنید.

کد را در آردوینو بارگذاری کنید.

مقدار دیجیتال خروجی خروجی ولتاژ op-amp است (باید 0-5V باشد)

مقدار دما سیستم هایی است که دمای آن را برحسب درجه سانتیگراد می خوانند.