Misurazione della temperatura utilizzando un PT100 e un Arduino: 16 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Lo scopo di questo progetto è progettare, costruire e testare un sistema di rilevamento della temperatura. Il sistema è stato progettato per misurare un intervallo di temperatura da 0 a 100 °C. Per misurare la temperatura è stato utilizzato un PT100, un rilevatore di temperatura a resistenza (RTD) che cambia la sua resistenza a seconda della temperatura circostante.

Passaggio 1: apparato

1x PT100

1x tagliere

2 resistenze da 2,15 kohm

1x resistenza da 100 ohm

fili

Alimentazione elettrica

Amplificatore differenziale

Passaggio 2: informazioni sul PT100

Come parte del nostro progetto abbiamo il compito di misurare la temperatura ambiente che va da 0 gradi a 100 gradi Celsius. Abbiamo deciso di utilizzare il PT100 per i seguenti motivi:

Il PT100 è un rilevatore di temperatura a resistenza (RTD), che può misurare temperature da -200 gradi a un massimo di 850 gradi Celsius, ma di solito non viene utilizzato per misurare temperature superiori a 200 gradi. Questa gamma soddisfa i nostri requisiti.

Questo sensore produce una resistenza per una data temperatura ambiente. La relazione tra temperatura e resistenza del sensore è lineare. Questo, insieme alla configurazione minima richiesta dal sensore, semplifica il lavoro e l'altare se in futuro sono necessari altri intervalli di temperatura.

Il PT100 ha anche un tempo di risposta lento ma è preciso. Queste caratteristiche non hanno un grande impatto sul nostro obiettivo e quindi non sono state così influenti nel decidere quale sensore di temperatura utilizzare.

Passaggio 3: ponte di Wheatstone

Il ponte di Wheatstone viene utilizzato per misurare una resistenza elettrica sconosciuta bilanciando due gambe di un circuito a ponte, una delle quali include il componente sconosciuto.

Il vantaggio principale del circuito è la sua capacità di ottenere un intervallo di tensione di uscita che inizia a 0V.

Si potrebbe utilizzare un semplice partitore di tensione ma non ci permetterebbe di eliminare l'eventuale offset presente, il che renderebbe meno efficace l'amplificazione della tensione di uscita.

La resistenza in un PT100 varia da 100 a 138,5055 per una temperatura da 0 a 100 gradi Celsius.

La formula per un ponte di pietra di grano è di seguito, può essere utilizzata per ridimensionare il ponte di pietra di grano per diversi intervalli ricavati dalla tabella pdf allegata.

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

Nel nostro scenario:

R2 sarà la nostra resistenza PT100.

R1 sarà uguale a R3.

R4 deve essere uguale a 100 ohm per emettere 0V a 0 gradi Celsius.

L'impostazione di Vout su 0V e Vin su 5V ci consente di ottenere valori di resistenza per R1 e R2 = 2,2k ohm.

Possiamo quindi sub in 138,5055 ohm per la resistenza del sensore per ottenere la nostra tensione di uscita a 100 gradi Celsius = 80 mV

Passaggio 4: simulazione del circuito

Uno strumento per la simulazione dei circuiti, OrCAD Capture, è stato utilizzato per simulare il nostro circuito e trovare le uscite di tensione previste a diverse temperature. Questo sarebbe stato utilizzato in seguito per confrontare l'accuratezza del nostro sistema.

Il circuito è stato simulato eseguendo un'analisi del tempo transitorio con uno sweep parametrico che ha variato la resistenza pt100 da 100 ohm a 138,5055 ohm in passi di 3,85055 ohm.

Passaggio 5: risultati simulati

I risultati sopra mostrano la relazione lineare tra la tensione di uscita del circuito e i valori di resistenza.

I risultati sono stati poi inseriti in excel e tracciati. Excel fornisce la formula lineare associata a questi valori. Conferma della linearità e del range di tensione di uscita del sensore.

Passaggio 6: creazione del circuito

Il circuito è stato assemblato utilizzando due resistori da 2,2k ohm e un resistore da 100 ohm.

Le resistenze hanno una tolleranza del +-5%. I diversi valori di resistenza provocano uno sbilanciamento del ponte a 0 gradi.

Resistori paralleli sono stati aggiunti in serie al resistore da 100 ohm per aggiungere quantità nominali di resistenza per ottenere R4 il più vicino possibile a 100 ohm.

Ciò ha prodotto una tensione di uscita di 0,00021 V che è estremamente vicina a 0 V.

R1 è 2, 1638 ohm e R3 è 2, 1572 ohm. È possibile collegare più resistori per rendere R1 e R3 esattamente uguali, fornendo un ponte perfettamente bilanciato.

possibili errori:

La scatola di resistori variabili utilizzata per testare i diversi valori di temperatura potrebbe essere imprecisa

Passaggio 7: risultati misurati

I risultati misurati possono essere visualizzati di seguito.

La variazione di temperatura è stata misurata utilizzando una scatola di resistori variabili, per impostare la resistenza di R2 su diverse resistenze che possono essere trovate nella scheda tecnica PT100.

La formula trovata qui verrà utilizzata come parte del codice per determinare l'uscita della temperatura.

Passaggio 8: per intervalli di temperatura molto più ampi

Una termocoppia di tipo K potrebbe essere introdotta nel circuito se è necessario registrare temperature molto elevate. La termocoppia di tipo K può misurare un intervallo di temperatura da -270 a 1370 gradi Celsius.

Le termocoppie funzionano in base all'effetto termoelettrico, una differenza di temperatura produce una differenza di potenziale (tensione).

Poiché le termocoppie funzionano in base alla differenza di due temperature, è necessario conoscere la temperatura alla giunzione di riferimento.

Ci sono due metodi di misurazione con le termocoppie che potremmo usare:

Un sensore PT100 potrebbe essere posizionato sulla giunzione di riferimento e misurare la tensione di riferimento

La giunzione di riferimento della termocoppia potrebbe essere collocata in un bagno di ghiaccio che sarebbe a 0 gradi Celsius costante, ma sarebbe poco pratico per questo progetto

Passaggio 9: panoramica: stadio dell'amplificatore differenziale

L'amplificatore differenziale è parte integrante della costruzione. L'amplificatore differenziale combina ciò che è essenzialmente un amplificatore non invertente e invertente in un unico circuito. Ovviamente, come con qualsiasi build, ha i suoi limiti, tuttavia, come verrà mostrato nei prossimi passaggi, aiuta sicuramente a ottenere l'uscita corretta di 5V.

Passaggio 10: informazioni sull'amplificatore differenziale

L'amplificatore differenziale è un amplificatore operazionale. Svolge un ruolo chiave in questo progetto di circuito di amplificare l'uscita di tensione dal ponte di Wheatstone in mV a V e viene quindi letta come ingresso di tensione da Arduino. Questo amplificatore prende due ingressi di tensione e amplifica la differenza tra i due segnali. Questo è chiamato ingresso di tensione differenziale. L'ingresso di tensione differenziale viene quindi amplificato dall'amplificatore e può essere osservato all'uscita dell'amplificatore. Gli ingressi dell'amplificatore sono ricavati dai divisori di tensione del ponte di Wheatstone nella sezione precedente.

Passaggio 11: vantaggi e limitazioni

L'amplificatore differenziale ha la sua parte di pro e contro. Il vantaggio principale dell'utilizzo di un tale amplificatore è la facilità di costruzione. Come risultato di questa facile costruzione, rende più semplice ed efficiente la risoluzione dei problemi riscontrati con il circuito.

Gli svantaggi dell'utilizzo di un tale circuito sono che per regolare il guadagno dell'amplificatore, i resistori che determinano il guadagno (resistore di feedback e resistore collegato a terra) devono essere entrambi disattivati, il che può richiedere molto tempo. In secondo luogo, l'amplificatore operazionale ha un CMRR (rapporto di reiezione di modo comune) relativamente basso che non è l'ideale per mitigare l'influenza della tensione di offset in ingresso. Quindi in una configurazione come la nostra, avere un alto CMRR è essenziale per mitigare gli effetti della tensione di offset.

Passaggio 12: selezione del guadagno di uscita desiderato

L'amplificatore operazionale dispone di 4 resistori collegati al circuito. 2 resistori abbinati agli ingressi di tensione, un altro collegato a massa e un resistore di retroazione. Questi due resistori fungono da impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale. Tipicamente, un resistore nell'intervallo di 10-100 kilohm dovrebbe essere sufficiente, tuttavia una volta che questi resistori sono stati impostati, il guadagno può essere determinato lasciando che il guadagno di uscita desiderato sia uguale al rapporto tra il resistore di retroazione e il resistore di ingresso su uno degli ingressi (Rf/Rin).

Il resistore collegato a terra, così come il resistore di retroazione, sono abbinati. Questi sono i resistori che determinano il guadagno. Avendo un'elevata impedenza di ingresso, riduce al minimo gli effetti del carico sul circuito, ovvero impedendo il passaggio di elevate quantità di corrente attraverso il dispositivo che possono avere effetti devastanti se non controllati.

Step 13: MICROCONTROLLORE ARDUINO

Arduino è un microcontrollore programmabile dotato di porte I/O digitali e analogiche. Il microcontrollore è stato programmato per leggere la tensione dall'amplificatore tramite un pin di ingresso analogico. Innanzitutto, Arduino leggerà la tensione dall'intervallo di uscita del circuito 0-5 V e la convertirà in 0-1023 DU e stamperà il valore. Successivamente, il valore analogico verrà moltiplicato per 5 e diviso per 1023 per ottenere il valore della tensione. Questo valore verrà moltiplicato per 20 per fornire la scala esatta per l'intervallo di temperatura 0-100 C.

Per ottenere i valori di offset e sensibilità, le letture dal pin di input su A0 sono state prese con valori diversi per il PT100 e il grafico è stato tracciato per ottenere l'equazione lineare.

Il codice che è stato utilizzato:

void setup() { Serial.begin(9600); //avvia la connessione seriale con il computer

pinMode (A0, INGRESSO); //l'uscita dall'amplificatore sarà collegata a questo pin

}

ciclo vuoto()

{ offset flottante = 6,4762;

sensibilità del galleggiante=1,9971;

int ValoreAnalogico = analogRead(A0); //Leggi l'input su A0

Serial.print("Valore analogico: ");

Serial.println(AnalogValue); //stampa il valore di input

ritardo(1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul per 5 per dare l'intervallo 0-100 gradi

Serial.print("Valore digitale: ");

Serial.println(DigitalValue); //valore di tensione analogico

float temp = (AnalogValue - offset)/sensibilità;

Serial.print("Valore temperatura: ");

Serial.println(temp); //temperatura di stampa

ritardo (5000);

}

Passaggio 14: risoluzione dei problemi

L'alimentazione a 15 V all'amplificatore operazionale e i 5 V al ponte di Wheatstone e all'arduino devono avere una massa comune. (tutti i valori 0v devono essere collegati insieme.)

È possibile utilizzare un voltmetro per assicurarsi che la tensione scenda dopo ogni resistore per garantire che non vi siano cortocircuiti.

Se i risultati sono variabili e incoerenti i fili utilizzati possono essere testati utilizzando il voltmetro per misurare la resistenza del filo, se la resistenza dice "offline" significa che c'è una resistenza infinita e il filo ha un circuito aperto.

I cavi dovrebbero essere inferiori a 10 ohm.

La differenza di tensione attraverso il ponte di Wheatstone dovrebbe essere 0V al minimo dell'intervallo di temperatura, se il ponte non è bilanciato potrebbe essere perché:

i resistori hanno una tolleranza, il che significa che potrebbero avere un errore che potrebbe causare lo sbilanciamento del ponte di Wheatstone, le resistenze possono essere verificate con un voltmetro se viene rimosso dal circuito. resistori più piccoli potrebbero essere aggiunti in serie o in parallelo per bilanciare il ponte.

Rserie=r1+r2

1/Rparallelo =1/r1 + 1/r2

Passaggio 15: ridimensionamento

La formula e il metodo per ridimensionare il sistema per una temperatura diversa si trovano nella sezione del ponte di Wheatstone. Una volta trovati questi valori e impostato il circuito:

Il PT100 deve essere sostituito con una scatola di resistori, I valori di resistenza devono essere regolati dal nuovo intervallo di temperatura utilizzando i valori di resistenza appropriati ottenuti dal pdf allegato.

La tensione e le resistenze misurate e devono essere tracciate in excel con la temperatura (resistenza) sull'asse x e la tensione su y.

Verrà data una formula da questo grafico, l'offset sarà la costante aggiunta e la sensibilità sarà il numero moltiplicato per x.

Questi valori dovrebbero essere modificati nel codice e il sistema è stato ridimensionato correttamente.

Passaggio 16: configurazione di Arduino

collegare l'uscita dell'amplificatore del circuito al pin di ingresso A0 dell'Arduino

Collega Arduino Nano tramite la porta USB di un PC.

incolla il codice nell'area di lavoro dello schizzo di Arduino.

Compila il codice.

Seleziona Strumenti > Scheda > Seleziona Arduino Nano.

Selezionare Strumenti > Porta > Seleziona porta COM.

Carica il codice su Arduino.

Il valore digitale emesso è l'uscita di tensione dell'amplificatore operazionale (dovrebbe essere 0-5V)

Il valore della temperatura è la temperatura letta dai sistemi in gradi Celsius.