PT100 ve Arduino Kullanarak Sıcaklık Ölçümü: 16 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Bu projenin amacı, bir sıcaklık algılama sistemi tasarlamak, inşa etmek ve test etmektir. Sistem, 0 ila 100 °C sıcaklık aralığını ölçmek için tasarlanmıştır. Sıcaklığı ölçmek için bir PT100 kullanıldı ve bu, çevre sıcaklığına bağlı olarak direncini değiştiren bir direnç sıcaklık dedektörüdür (RTD).

Adım 1: Cihaz

1x PT100

1x Ekmek Tahtası

2x 2.15 kohm dirençler

1x 100 ohm direnç

teller

Güç kaynağı

diferansiyel yükseltici

Adım 2: PT100 Hakkında

Projemiz kapsamında 0 derece ile 100 derece Santigrat arasında değişen ortam sıcaklığını ölçmekle görevlendirildik. Aşağıdaki nedenlerden dolayı PT100 kullanmaya karar verdik:

PT100, -200 dereceden maksimum 850 santigrat dereceye kadar sıcaklıkları ölçebilen, ancak genellikle 200 derecenin üzerindeki sıcaklıkları ölçmek için kullanılmayan bir direnç sıcaklık dedektörüdür (RTD). Bu aralık gereksinimlerimize uygundur.

Bu sensör, belirli bir çevre sıcaklığı için bir direnç üretir. Sensörün sıcaklık ve direnci arasındaki ilişki doğrusaldır. Bu, sensörün gerektirdiği minimum kurulumla birlikte, gelecekte başka sıcaklık aralıklarına ihtiyaç duyulursa altarla çalışmayı ve sunağı kolaylaştırır.

PT100'ün ayrıca yavaş tepki süresi vardır ancak doğrudur. Bu özelliklerin amacımız üzerinde fazla bir etkisi yoktur ve bu nedenle hangi sıcaklık sensörünün kullanılacağına karar verirken o kadar etkili olmamıştır.

3. Adım: Wheatstone Köprüsü

Buğdaytaşı Köprüsü, bir ayağı bilinmeyen bileşeni içeren bir köprü devresinin iki ayağını dengeleyerek bilinmeyen bir elektrik direncini ölçmek için kullanılır.

Devrenin birincil yararı, 0V'da başlayan bir dizi çıkış voltajı elde etme yeteneğidir.

Basit bir voltaj bölücü kullanılabilir, ancak mevcut herhangi bir ofsetten kurtulmamıza izin vermez, bu da voltaj çıkışının yükseltilmesini daha az etkili hale getirir.

Bir PT100'deki direnç, 0 ila 100 santigrat derece sıcaklık için 100 ila 138.5055 arasında değişir.

Bir buğdaytaşı köprüsünün formülü aşağıdadır, ekli pdf tablosundan alınan farklı aralıklar için buğdaytaşı köprüsünü yeniden ölçeklendirmek için kullanılabilir.

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

Bizim senaryomuzda:

R2 bizim PT100 direncimiz olacak.

R1, R3'e eşit olacaktır.

0 santigrat derecede 0V çıkış verebilmek için R4'ün 100 ohm'a eşit olması gerekir.

Vout'u 0V'a ve Vin'i 5V'a ayarlamak, R1 ve R2 = 2.2k ohms için direnç elde etme değerlerine izin verir.

Daha sonra 100 santigrat derece = 80mV'de çıkış voltajımızı elde etmek için sensörün direnci için 138.5055 ohm'a düşebiliriz.

Adım 4: Devre Simülasyonu

Devreleri simüle etmek için bir araç olan OrCAD Capture, devremizi simüle etmek ve farklı sıcaklıklarda beklenen Voltaj çıkışlarını bulmak için kullanıldı. Bu daha sonra sistemimizin ne kadar doğru olduğunu karşılaştırmak için kullanılacaktı.

Devre, pt100 direncini 3.85055 ohm'luk adımlarla 100 ohm'dan 138.5055 ohm'a değiştiren bir paramatik tarama ile bir geçici zaman analizi gerçekleştirerek simüle edildi.

Adım 5: Simüle Edilmiş Sonuçlar

Yukarıdaki sonuçlar, devrenin çıkış Gerilimi ile direnç değerlerinin doğrusal ilişkisini göstermektedir.

Sonuçlar daha sonra excel'e girildi ve çizildi. Excel, bu değerlerle ilişkili doğrusal formülü sağlar. Sensörün doğrusallığını ve çıkış voltajı aralığını doğrulama.

Adım 6: Devreyi Oluşturma

Devre, iki 2.2k ohm direnç ve 100 ohm direnç kullanılarak bir araya getirildi.

Dirençler +-%5 toleransa sahiptir. Farklı direnç değerleri köprünün 0 derecede dengesiz olmasına neden olur.

R4'ü mümkün olduğunca 100 ohm'a yakın hale getirmek için nominal direnç miktarları eklemek için 100 ohm'luk dirence seri olarak paralel dirençler eklendi.

Bu, 0V'a son derece yakın olan 0.00021V'luk bir çıkış voltajı üretti.

R1, 2, 1638 ohm ve R3, 2, 1572 ohm'dur. R1 ve R3'ü tam olarak eşit hale getirmek için daha fazla direnç bağlanabilir ve mükemmel dengeli bir köprü elde edilebilir.

olası hatalar:

Farklı sıcaklık değerlerini test etmek için kullanılan değişken direnç kutusu hatalı olabilir

7. Adım: Ölçülen Sonuçlar

Ölçülen sonuçlar aşağıda görülebilir.

Sıcaklıktaki değişiklik, R2'nin direncini PT100 veri sayfasında bulunabilecek farklı dirençlere ayarlamak için değişken bir direnç kutusu kullanılarak ölçülmüştür.

Burada bulunan formül, sıcaklık çıktısını belirlemek için kodun bir parçası olarak kullanılacaktır.

Adım 8: Çok Daha Büyük Sıcaklık Aralıkları İçin

Çok yüksek sıcaklıkların kaydedilmesi gerekiyorsa devreye bir K Tipi termokupl eklenebilir. K tipi termokupl, -270 ila 1370 santigrat derece sıcaklık aralığını ölçebilir.

Termokupllar termoelektrik etkiye göre çalışır, Sıcaklıktaki bir fark potansiyel bir fark (Voltaj) üretir.

Termokupllar iki sıcaklık farkına göre çalıştığı için referans bağlantı noktasındaki sıcaklığın bilinmesi gerekir.

Kullanabileceğimiz termokupllarla iki ölçüm yöntemi vardır:

Referans bağlantı noktasına bir PT100 sensörü yerleştirilebilir ve referans voltajını ölçebilir

Termokuplun referans bağlantısı, sabit 0 santigrat derece olan ancak bu proje için pratik olmayan bir Buz banyosuna yerleştirilebilir

9. Adım: Genel Bakış: Diferansiyel Amplifikatör Aşaması

Diferansiyel amplifikatör, yapının ayrılmaz bir parçasıdır. Diferansiyel yükselteç, esasen ters çevirmeyen ve ters çevirmeyen bir yükselticiyi tek bir devrede birleştirir. Elbette herhangi bir yapıda olduğu gibi, kendi sınırlamaları ile birlikte gelir, ancak sonraki birkaç adımda gösterileceği gibi, kesinlikle doğru 5V çıktısını elde etmeye yardımcı olur.

Adım 10: Diferansiyel Amplifikatör Hakkında

Diferansiyel yükselteç, işlemsel bir yükselteçtir. Bu devre tasarımında Wheatstone köprüsünden mV cinsinden voltaj çıkışını V'ye yükseltmek için önemli bir rol oynar ve daha sonra Arduino tarafından bir voltaj girişi olarak okunur. Bu amplifikatör iki voltaj girişi alır ve iki sinyal arasındaki farkı yükseltir. Buna diferansiyel voltaj girişi denir. Diferansiyel voltaj girişi daha sonra amplifikatör tarafından yükseltilir ve amplifikatörün çıkışında gözlemlenebilir. Amplifikatör girişleri, önceki bölümde Wheatstone köprüsünün voltaj bölücülerinden elde edilir.

11. Adım: Yararlar ve Sınırlamalar

Diferansiyel amplifikatör, kendi artıları ve eksileri ile birlikte gelir. Böyle bir amplifikatör kullanmanın ana yararı, yapım kolaylığı içindir. Bu kolay yapılanmanın bir sonucu olarak, devrede karşılaşılan sorunların giderilmesini daha kolay ve verimli hale getirir.

Böyle bir devre kullanmanın eksileri, amplifikatörün kazancını ayarlamak için, kazanç belirleme dirençlerinin (geri besleme direnci ve toprağa bağlı direnç) ikisinin de devre dışı bırakılması gerekmesidir, bu da zaman alıcı olabilir. İkincisi, op-amp, giriş ofset voltajının etkisini azaltmak için ideal olmayan nispeten düşük bir CMRR'ye (ortak mod reddetme oranı) sahiptir. Bu nedenle, bizimki gibi bir konfigürasyonda, ofset voltajının etkilerini azaltmak için yüksek bir CMRR'ye sahip olmak esastır.

Adım 12: İstenen Çıkış Kazancının Seçilmesi

Op-amp, devreye bağlı 4 direnç içerir. Gerilim girişlerinde 2 uyumlu direnç, diğeri toprağa bağlı ve bir geri besleme direnci. Bu iki direnç, op-amp'in giriş empedansı olarak hizmet eder. Tipik olarak, 10-100 kilohm aralığında bir direnç yeterli olmalıdır, ancak bu dirençler ayarlandıktan sonra, kazanç, istenen çıkış kazancının girişlerden birinde geri besleme direncinin giriş direncine oranına eşit olmasına izin verilerek belirlenebilir. (Rf/Rin).

Toprağa bağlı direnç ve geri besleme direnci eşleştirilir. Bunlar kazanç belirleyici dirençlerdir. Yüksek bir giriş empedansına sahip olarak, devre üzerindeki yükün etkilerini en aza indirir, yani kontrol edilmezse yıkıcı etkilere sahip olabilecek yüksek miktarda akımın cihazdan geçmesini önler.

Adım 13: ARDUINO MİKRODENETLEYİCİ

Arduino, dijital ve analog G/Ç bağlantı noktalarına sahip programlanabilir bir mikro denetleyicidir. Mikrodenetleyici, bir analog giriş pimi aracılığıyla amplifikatörden gelen voltajı okuyacak şekilde programlanmıştır. İlk olarak Arduino, 0-5 V devre çıkış aralığından voltajı okuyacak ve 0-1023 DU'ya çevirecek ve değeri yazdıracaktır. Daha sonra analog değer 5 ile çarpılıp 1023'e bölünerek voltaj değeri elde edilir. Bu değer, 0-100 C arasındaki sıcaklık aralığı için tam ölçeği vermek üzere 20 ile çarpılacaktır.

Ofset ve hassasiyet değerlerini elde etmek için, A0 üzerindeki giriş pininden okumalar PT100 için farklı değerlerle alınmış ve lineer denklemi elde etmek için grafik çizilmiştir.

Kullanılan kod:

geçersiz kurulum() { Serial.begin(9600); //bilgisayarla seri bağlantıyı başlat

pinMode (A0, GİRİŞ); //amplifikatörün çıkışı bu pine bağlanacak

}

boşluk döngüsü()

{ kayan nokta kayması = 6.4762;

şamandıra hassasiyeti=1.9971;

int AnalogValue = analogRead(A0); // A0'daki girişi oku

Serial.print("Analog Değer: ");

Serial.println(AnalogValue); //giriş değerini yazdır

gecikme(1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // 0-100 derece aralığını vermek için 5'e mul

Serial.print("Dijital değer: ");

Serial.println(DigitalValue); //analog voltaj değeri

float temp = (AnalogValue - offset)/hassasiyet;

Serial.print("Sıcaklık değeri: ");

Seri.println(temp); // baskı sıcaklığı

gecikme (5000);

}

Adım 14: Sorun Giderme

Op-amp'e 15V ve buğdaytaşı köprüsüne ve arduinoya 5V beslemesi ortak bir zemine sahip olmalıdır. (tüm 0v değerlerinin birbirine bağlanması gerekir.)

Kısa devre olmadığından emin olmak için her dirençten sonra voltajın düştüğünden emin olmak için bir Voltmetre kullanılabilir.

Sonuçlar değişken ve tutarsız ise, kullanılan teller, telin direncini ölçmek için voltmetre kullanılarak test edilebilir, direnç "çevrimdışı" diyorsa, sonsuz direnç olduğu ve telde açık devre olduğu anlamına gelir.

Kablolar 10 ohm'dan az olmalıdır.

Buğdaytaşı köprüsündeki voltaj farkı, sıcaklık aralığının minimum aralığında 0V olmalıdır, eğer köprü dengeli değilse bunun nedeni şunlar olabilir:

dirençlerin toleransı vardır, yani buğdaytaşı köprüsünün dengesiz olmasına neden olabilecek bir hataya sahip olabilirler, devreden çıkarılırsa dirençler bir voltmetre ile kontrol edilebilir. köprüyü dengelemek için seri veya paralel olarak daha küçük dirençler eklenebilir.

Rserisi=r1+r2

1/Rparalel =1/r1 + 1/r2

Adım 15: Yeniden Ölçeklendirme

Sistemi farklı bir sıcaklık için yeniden ölçeklendirme formülü ve yöntemi, buğday taşı köprüsü bölümünde bulunabilir. Bu değerler bulunduktan ve devre kurulduktan sonra:

PT100, bir direnç kutusu ile değiştirilmelidir, Direnç değerleri, ekteki pdf'den elde edilen uygun direnç değerleri kullanılarak yeni sıcaklık aralığından ayarlanmalıdır.

Ölçülen voltaj ve dirençler ve x ekseninde sıcaklık (direnç) ve y üzerinde voltaj ile excel'de çizilmelidir.

Bu çizimden bir formül verilecek, ofset eklenen sabit olacak ve duyarlılık, x ile çarpılan sayı olacaktır.

Bu değerler kodda değiştirilmelidir ve sistemi başarıyla yeniden ölçeklendirdiniz.

Adım 16: Arduino'yu Ayarlama

devre amplifikatörünün çıkışını Arduino'nun A0 giriş pinine bağlayın

Arduino Nano'yu bir PC'deki USB portu üzerinden bağlayın.

kodu Arduino eskiz çalışma alanına yapıştırın.

Kodu derleyin.

Araçlar > Pano > Arduino Nano'yu seçin.

Araçlar > Bağlantı Noktası > COM bağlantı noktası seç'i seçin.

Kodu Arduino'ya yükleyin.

Çıkan dijital değer, op-amp'in voltaj çıkışıdır (0-5V olmalıdır)

Sıcaklık değeri, sistemlerin Santigrat cinsinden sıcaklığı okuduğudur.