PT100- ի և Arduino- ի միջոցով ջերմաստիճանի չափում. 16 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:47

Այս նախագծի նպատակն է նախագծել, կառուցել և փորձարկել ջերմաստիճանի չափման համակարգ: Համակարգը նախագծված է 0 -ից 100 ° C ջերմաստիճանի միջակայքը չափելու համար: PT100- ը օգտագործվել է ջերմաստիճանը չափելու համար, և դա դիմադրության ջերմաստիճանի դետեկտոր է (RTD), որը փոխում է իր դիմադրությունը `կախված շրջակա ջերմաստիճանից:

Քայլ 1: Սարքավորումներ

1x PT100

1x Breadboard

2x 2.15 կոմ ռեզիստորներ

1x 100 ohms դիմադրություն

Լարերը

Սնուցման աղբյուր

Դիֆերենցիալ ուժեղացուցիչ

Քայլ 2: PT100- ի մասին

Մեր ծրագրի շրջանակներում մեզ հանձնարարված է չափել շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը `0 աստիճանից մինչև 100 աստիճան elsելսիուս: Մենք որոշեցինք օգտագործել PT100- ը հետևյալ պատճառներով.

PT100- ը դիմադրության ջերմաստիճանի դետեկտոր է (RTD), որը կարող է չափել ջերմաստիճանը -200 աստիճանից մինչև առավելագույնը 850 աստիճան Celsius, բայց սովորաբար չի օգտագործվում 200 աստիճանից բարձր ջերմաստիճան չափելու համար: Այս տեսականին համապատասխանում է մեր պահանջներին:

Այս տվիչը դիմադրություն է ստեղծում շրջակա տվյալ ջերմաստիճանի համար: Սենսորի ջերմաստիճանի և դիմադրության միջև հարաբերությունը գծային է: Սա, սենսորի պահանջած նվազագույն կարգավորման հետ մեկտեղ, հեշտացնում է դրա հետ աշխատելն ու զոհասեղանը, եթե հետագայում ջերմաստիճանի այլ միջակայքեր են անհրաժեշտ:

PT100- ն ունի նաև դանդաղ արձագանքման ժամանակ, բայց ճշգրիտ է: Այս բնութագրերը մեծ ազդեցություն չունեն մեր նպատակի վրա և, հետևաբար, այնքան էլ ազդեցիկ չէին, երբ որոշում էինք, թե որ ջերմաստիճանի տվիչն օգտագործել:

Քայլ 3: heորենի կամուրջ

Wheatորենաքարի կամուրջը օգտագործվում է անհայտ էլեկտրական դիմադրությունը չափելու համար `հավասարակշռելով կամուրջի միացման երկու ոտքերը, որոնցից մեկ ոտքը ներառում է անհայտ բաղադրիչը:

Շղթայի հիմնական առավելությունը 0V- ից սկսվող ելքային լարման տիրույթ ստանալու հնարավորությունն է:

Կարելի է օգտագործել լարման պարզ բաժանարար, որը թույլ չի տա մեզ ազատվել ցանկացած փոխհատուցվող նվերից, ինչը լարման ելքի ուժեղացումն ավելի քիչ արդյունավետ կդարձնի:

PT100- ի դիմադրությունը տատանվում է 100 -ից 138.5055 -ի դեպքում `0 -ից 100 աստիճան Celsius ջերմաստիճանի դեպքում:

Wheatորենի կամուրջի բանաձևը ստորև է, այն կարող է օգտագործվել ցորենի կամուրջը վերավաճառելու համար `տարբեր միջակայքերի համար, որոնք ստացվել են կցված pdf աղյուսակից:

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

Մեր սցենարում.

R2- ը կլինի մեր PT100 դիմադրությունը:

R1- ը հավասար կլինի R3- ին:

R4- ը պետք է հավասար լինի 100 օմ -ի, որպեսզի 0V թողնի 0 աստիճանի ջերմաստիճանում:

Vout- ի 0V- ի և Vin- ի 5V- ի սահմանումը թույլ է տալիս մեզ դիմադրություն ստանալ R1 և R2 = 2.2k ohms արժեքներին:

Այնուհետև մենք կարող ենք 138.5055 օմ -ի տակ դնել սենսորի դիմադրության համար ՝ ելքային լարումը ստանալու համար 100 աստիճան Celsius = 80 մՎ

Քայլ 4: Շղթայի մոդելավորում

Orcad Capture- ը սխեմաների մոդելավորման գործիք էր, որն օգտագործվում էր մեր սխեման նմանակելու և տարբեր ջերմաստիճաններում սպասվող Լարման ելքեր գտնելու համար: Սա հետագայում կօգտագործվի համեմատելու համար, թե որքան ճշգրիտ էր մեր համակարգը:

Շղթայի մոդելավորումը կատարվել է անցումային ժամանակի անալիզը պարամետրային մաքրման միջոցով, որը փոփոխում է pt100 դիմադրությունը 100 օմ -ից մինչև 138,5055 օմ ՝ 3,85055 օմ քայլերով:

Քայլ 5: մոդելավորված արդյունքներ

Վերոնշյալ արդյունքները ցույց են տալիս շղթայի ելքային լարման և դիմադրության արժեքների գծային հարաբերակցությունը:

Արդյունքները այնուհետ մուտքագրվեցին Excel- ում և գծագրվեցին: Excel- ը տրամադրում է այս արժեքների հետ կապված գծային բանաձևը: Հաստատելով սենսորի գծայնությունը և ելքային լարման տիրույթը:

Քայլ 6: Շղթայի ստեղծում

Շղթան միացվել է ՝ օգտագործելով երկու 2.2k ohm դիմադրություն և 100 ohm դիմադրություն:

Ռեզիստորների հանդուրժողականությունը +-5%է: Դիմադրության տարբեր արժեքները հանգեցնում են կամրջի անհավասարակշռության 0 աստիճանի վրա:

Oուգահեռ ռեզիստորները հաջորդաբար ավելացվել են 100 օմ դիմադրողին `դիմադրության անվանական քանակություն ավելացնելու համար, որպեսզի R4- ը հնարավորինս մոտ լինի 100 օմ -ի:

Սա արտադրեց 0.00021V ելքային լարումը, որը չափազանց մոտ է 0V- ին:

R1- ը 2, 1638 օմ է, իսկ R3- ը ՝ 2, 1572 օմ: R1- ը և R3- ը ճշգրիտ հավասար դարձնելու համար կարելի է ավելի շատ դիմադրություն միացնել ՝ տալով կատարյալ հավասարակշռված կամուրջ:

հնարավոր սխալներ.

փոփոխական դիմադրության տուփը, որն օգտագործվում է ջերմաստիճանի տարբեր արժեքներ ստուգելու համար, կարող էր ճշգրիտ չլինել:

Քայլ 7: Չափված արդյունքներ

Չափված արդյունքները կարելի է տեսնել ստորև:

Temperatureերմաստիճանի փոփոխությունը չափվել է փոփոխական դիմադրության տուփի միջոցով ՝ R2- ի դիմադրությունը տարբեր դիմադրությունների նկատմամբ, որոնք կարելի է գտնել PT100 տվյալների թերթում:

Այստեղ գտնված բանաձևը կօգտագործվի որպես ծածկագրի մաս `ջերմաստիճանի ելքը որոշելու համար:

Քայլ 8: Շատ ավելի մեծ ջերմաստիճանի տիրույթների համար

Շարժիչի մեջ կարող է մտցվել K տիպի ջերմային զույգ, եթե անհրաժեշտ է գրանցել շատ բարձր ջերմաստիճաններ: K տիպի ջերմազույգը կարող է չափել -270 -ից 1370 աստիճան ջերմաստիճանի տիրույթ:

Թերմոկույգերը գործում են ջերմաէլեկտրական ազդեցության հիման վրա: temperatureերմաստիճանի տարբերությունը արտադրում է պոտենցիալ տարբերություն (Լարման):

Քանի որ ջերմային զույգերը գործում են երկու ջերմաստիճանի տարբերության հիման վրա, անհրաժեշտ է իմանալ տեղեկատու հանգույցի ջերմաստիճանը:

Թերմոկույգերով չափելու երկու եղանակ կա, որոնք կարող ենք օգտագործել.

Հղման հանգույցում կարող է տեղադրվել PT100 տվիչ և չափել հղման լարումը:

Theերմային զույգի տեղեկատու հանգույցը կարող է տեղադրվել Սառցե բաղնիքում, որը կլիներ հաստատուն 0 աստիճան elsելսիուս, բայց անիրագործելի կլիներ այս նախագծի համար:

Քայլ 9. Ակնարկ. Դիֆերենցիալ ուժեղացուցիչի փուլ

Դիֆերենցիալ ուժեղացուցիչը կառուցվածքի անբաժանելի մասն է: Դիֆերենցիալ ուժեղացուցիչը միավորում է այն, ինչ ըստ էության ոչ շրջող և շրջող ուժեղացուցիչը մի շղթայի մեջ է: Իհարկե, ինչպես ցանկացած կառուցվածքի դեպքում, այն ունի իր սեփական սահմանափակումները, սակայն, ինչպես ցույց կտա հաջորդ մի քանի քայլերը, այն միանշանակ օգնում է ստանալ 5V ճիշտ ելք:

Քայլ 10. Դիֆերենցիալ ուժեղացուցիչի մասին

Դիֆերենցիալ ուժեղացուցիչը գործառնական ուժեղացուցիչ է: Այն առանցքային դեր է խաղում այս սխեմայի նախագծման մեջ `ուժեղացնելու Wheatstone կամրջից լարման ելքը mV- ից V, այնուհետև Arduino- ի կողմից կարդացվում է որպես լարման մուտքագրում: Այս ուժեղացուցիչը վերցնում է լարման երկու մուտք և ուժեղացնում երկու ազդանշանների միջև եղած տարբերությունը: Սա կոչվում է դիֆերենցիալ լարման մուտք: Դիֆերենցիալ լարման մուտքն այնուհետև ուժեղացվում է ուժեղացուցիչով և կարող է դիտվել ուժեղացուցիչի ելքի վրա: Ուժեղացուցիչի մուտքերը ստացվում են նախորդ բաժնում Wheatstone կամրջի լարման բաժանարարներից:

Քայլ 11: Առավելությունները և սահմանափակումները

Դիֆերենցիալ ուժեղացուցիչն ունի իր դրական և բացասական կողմերը: Նման ուժեղացուցիչի օգտագործման հիմնական առավելությունը շինարարության հեշտությունն է: Այս հեշտ շինարարության արդյունքում այն ավելի հեշտ և արդյունավետ է դարձնում սխեմայի հետ կապված խնդիրների լուծման խնդիրները:

Նման միացումն օգտագործելու մինուսներն այն են, որ ուժեղացուցիչի շահույթը կարգավորելու համար շահույթը որոշող ռեզիստորները (հետադարձ ռեզիստոր և գետնին միացված դիմադրություն) երկուսն էլ պետք է անջատվեն, ինչը կարող է ժամանակատար լինել: Երկրորդը, op-amp- ն ունի համեմատաբար ցածր CMRR (ընդհանուր ռեժիմի մերժման հարաբերակցություն), որն իդեալական չէ մուտքային օֆսեթ լարման ազդեցությունը մեղմելու համար: Այսպիսով, մեր նման կոնֆիգուրացիայում, բարձր CMRR ունենալը էական նշանակություն ունի մեղմելու լարման հետևանքները:

Քայլ 12: Ընտրելով ցանկալի արդյունքի շահույթը

Օպերատորը պարունակում է 4 դիմադրություն, որոնք միացված են շղթային: 2 համընկնող ռեզիստորներ լարման մուտքերի մոտ, մյուսը միացված է գետնին, ինչպես նաև հետադարձ ռեզիստոր: Այս երկու դիմադրողները ծառայում են որպես op-amp- ի մուտքային դիմադրություն: Սովորաբար, 10-100 կիլոմետրերի սահմաններում պետք է բավարար լինի մի դիմադրություն, սակայն երբ այդ ռեզիստորները սահմանվեն, շահույթը կարող է որոշվել `թույլ տալով, որ ցանկալի ելքային եկամուտը հավասար լինի հետադարձ կապի դիմադրության հարաբերությանը մուտքային դիմադրողից մեկին: (Rf/Rin):

Հողին միացված դիմադրիչը, ինչպես նաև հետադարձ ռեզիստորը, համընկնում են: Սրանք շահույթ որոշող ռեզիստորներ են: Ունենալով մուտքային բարձր դիմադրություն ՝ այն նվազագույնի է հասցնում միացման վրա բեռնման հետևանքները, այսինքն ՝ կանխելով սարքի միջոցով հոսանքի մեծ քանակության մղումը, որը կարող է կործանարար ազդեցություն ունենալ անվերահսկելի լինելու դեպքում:

Քայլ 13. ARDUINO MICROCONTROLLER

Arduino- ն ծրագրավորվող միկրոկառավարիչ է, որն ունի թվային և անալոգային մուտքի/ելքի պորտեր: Միկրոկառավարիչը ծրագրված էր ուժեղացուցիչից ստացված լարումը կարդալ անալոգային մուտքային քորոցի միջոցով: Նախ, Arduino- ն կկարդա լարման միացման ելքային տիրույթից 0-5 Վ և այն կփոխարկի 0-1023 DU- ի, և այն կտպագրի արժեքը: Հաջորդը, անալոգային արժեքը կբազմապատկվի 5 -ով և կկիսվի 1023 -ով ՝ լարման արժեքը ստանալու համար: Այս արժեքը կբազմապատկվի 20-ով ՝ 0-100 C ջերմաստիճանի ճշգրիտ սանդղակը տալու համար:

Օֆսեթ և զգայունության արժեքներ ստանալու համար A0- ի մուտքային կապից ընթերցումները տարբեր չափանիշներով են ընդունվել PT100- ի համար, և գծապատկերը գծված է գծային հավասարումը ստանալու համար:

Օգտագործված կոդը.

void setup () {Serial.begin (9600); // սկսեք սերիական կապը համակարգչի հետ

pinMode (A0, INPUT); // ուժեղացուցիչից ելքը միացված կլինի այս քորոցին

}

դատարկ շրջան ()

{float offset = 6.4762;

բոցի զգայունություն = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Կարդացեք մուտքագրումը A0- ում

Serial.print ("Անալոգային արժեքը.");

Serial.println (AnalogValue); // տպել մուտքային արժեքը

ուշացում (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul 5-ով `0-100 աստիճան միջակայքը տալու համար

Serial.print («Թվային արժեքը.»);

Serial.println (DigitalValue); // անալոգային լարման արժեքը

float temp = (AnalogValue - offset)/զգայունություն;

Serial.print ("peratերմաստիճանի արժեքը.");

Serial.println (տեմպ); // տպման ջերմաստիճան

ուշացում (5000);

}

Քայլ 14: Խնդիրների վերացում

15V հոսանքը op-amp- ին և 5V- ը ցորենաքարի կամուրջին և arduino- ին պետք է ունենան ընդհանուր հիմք: (0v բոլոր արժեքները պետք է միացված լինեն միասին):

Վոլտմետրը կարող է օգտագործվել համոզվելու համար, որ լարումը նվազում է յուրաքանչյուր դիմադրությունից հետո, ինչը կօգնի ապահովել կարճ միացումների բացակայություն:

Եթե արդյունքները տարբեր են և անհամապատասխան, օգտագործվող լարերը կարող են փորձարկվել ՝ օգտագործելով վոլտմետրը ՝ մետաղալարերի դիմադրությունը չափելու համար, եթե դիմադրությունն ասում է «անցանց», դա նշանակում է, որ կա անսահման դիմադրություն, և մետաղալարն ունի բաց միացում:

Հաղորդալարերը պետք է լինեն 10 օմ -ից պակաս:

Voltageորենի քարե կամրջի վրա լարման տարբերությունը պետք է լինի 0 Վ ջերմաստիճանի միջակայքի նվազագույն տիրույթում, եթե կամուրջը հավասարակշռված չէ, դա կարող է լինել.

ռեզիստորներն ունեն հանդուրժողականություն, ինչը նշանակում է, որ նրանք կարող են ունենալ սխալ, որը կարող է հանգեցնել ցորենի քարե կամրջի անհավասարակշիռ վիճակի, դիմադրությունները կարող են ստուգվել վոլտմետրով, եթե այն շղթայից հանվի: ավելի փոքր ռեզիստորներ կարող են ավելացվել շարքով կամ զուգահեռ `կամուրջը հավասարակշռելու համար:

Rseries = r1+r2

1/paուգահեռ = 1/r1 + 1/r2

Քայլ 15: Վերափոխում

Համակարգի այլ ջերմաստիճանի վերամշակման բանաձևը և մեթոդը կարելի է գտնել ցորենաքարի կամրջի հատվածում: Այս արժեքները գտնելուց և միացումը կարգավորելուց հետո.

PT100- ը պետք է փոխարինվի դիմադրության տուփով: Դիմադրության արժեքները պետք է ճշգրտվեն ջերմաստիճանի նոր տիրույթից ՝ օգտագործելով կցված pdf- ից ստացված համապատասխան դիմադրության արժեքները:

Չափված լարումը և դիմադրությունները պետք է գծագրվեն Excel- ում `ջերմաստիճանի (դիմադրության) x առանցքի և y- ի լարման վրա:

Այս գծապատկերից տրվելու է բանաձև, փոխհատուցումը լինելու է այն հաստատունը, որը գումարվում է, իսկ զգայունությունը `x- ով բազմապատկված թիվը:

Այս արժեքները պետք է փոխվեն կոդի վրա, և դուք հաջողությամբ կատարելագործել եք համակարգը:

Քայլ 16: Կարգավորեք Arduino- ն

միացրեք շղթայի ուժեղացուցիչի ելքը Arduino- ի A0 մուտքի քորոցին

Arduino Nano- ն միացրեք համակարգչի USB պորտի միջոցով:

տեղադրեք կոդը Arduino էսքիզների աշխատանքային տարածքում:

Կազմել կոդը:

Ընտրեք Գործիքներ> Տախտակ> Ընտրեք Arduino Nano:

Ընտրեք Գործիքներ> Պորտ> Ընտրեք COM նավահանգիստ:

Վերբեռնեք կոդը Arduino- ում:

Արտադրվող թվային արժեքը op-amp- ի լարման ելքն է (պետք է լինի 0-5V)

Theերմաստիճանի արժեքը այն ջերմաստիճանն է, որը կարդում են elsելսիուս ջերմաստիճանում: