Messen der Temperatur mit einem PT100 und einem Arduino - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Ziel dieses Projekts ist es, ein Temperatursensorsystem zu entwerfen, zu bauen und zu testen. Das System wurde entwickelt, um einen Temperaturbereich von 0 bis 100 °C zu messen. Zur Temperaturmessung wurde ein PT100 verwendet, ein Widerstandstemperaturfühler (RTD), der seinen Widerstand abhängig von seiner Umgebungstemperatur ändert.

Schritt 1: Gerät

1x PT100

1x Steckbrett

2x 2,15 kOhm Widerstände

1x 100 Ohm Widerstand

Drähte

Energieversorgung

Differenzverstärker

Schritt 2: Über den PT100

Im Rahmen unseres Projektes haben wir die Aufgabe, die Umgebungstemperatur im Bereich von 0 Grad bis 100 Grad Celsius zu messen. Wir haben uns aus folgenden Gründen für den PT100 entschieden:

Der PT100 ist ein Widerstandstemperaturdetektor (RTD), der Temperaturen von -200 Grad bis maximal 850 Grad Celsius messen kann, aber normalerweise nicht verwendet wird, um Temperaturen über 200 Grad zu messen. Dieses Sortiment entspricht unseren Anforderungen.

Dieser Sensor erzeugt einen Widerstand für eine gegebene Umgebungstemperatur. Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand des Sensors ist linear. Dies, zusammen mit dem minimalen Setup, das der Sensor erfordert, macht es einfach, damit zu arbeiten und zu altern, wenn in Zukunft andere Temperaturbereiche benötigt werden.

Der PT100 hat auch eine langsame Reaktionszeit, ist aber genau. Diese Eigenschaften haben keinen großen Einfluss auf unser Ziel und waren daher nicht so einflussreich bei der Entscheidung, welchen Temperatursensor wir verwenden sollten.

Schritt 3: Wheatstone-Brücke

Die Wheatstone-Brücke wird verwendet, um einen unbekannten elektrischen Widerstand zu messen, indem zwei Zweige einer Brückenschaltung ausgeglichen werden, von denen ein Zweig die unbekannte Komponente enthält.

Der Hauptvorteil der Schaltung ist ihre Fähigkeit, einen Ausgangsspannungsbereich zu erhalten, der bei 0 V beginnt.

Ein einfacher Spannungsteiler könnte verwendet werden, würde es uns jedoch nicht ermöglichen, einen vorhandenen Offset zu beseitigen, was die Verstärkung des Spannungsausgangs weniger effektiv machen würde.

Der Widerstand in einem PT100 variiert von 100 bis 138,5055 für eine Temperatur von 0 bis 100 Grad Celsius.

Die Formel für eine Wheatstone-Brücke ist unten. Sie kann verwendet werden, um die Wheatstone-Brücke für verschiedene Bereiche neu zu skalieren, die aus der beigefügten PDF-Tabelle erhalten werden.

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

In unserem Szenario:

R2 wird unser PT100-Widerstand sein.

R1 ist gleich R3.

R4 muss gleich 100 Ohm sein, um 0 V bei 0 Grad Celsius auszugeben.

Das Einstellen von Vout auf 0 V und Vin auf 5 V ermöglicht es uns, Widerstandswerte für R1 und R2 = 2,2 kOhm zu erhalten.

Wir können dann 138,5055 Ohm für den Widerstand des Sensors eingeben, um unsere Ausgangsspannung bei 100 Grad Celsius = 80 mV. zu erhalten

Schritt 4: Simulation der Schaltung

OrCAD Capture ist ein Werkzeug zum Simulieren von Schaltungen und wurde verwendet, um unsere Schaltung zu simulieren und die erwarteten Spannungsausgaben bei verschiedenen Temperaturen zu finden. Dies würde später verwendet werden, um zu vergleichen, wie genau unser System war.

Die Schaltung wurde simuliert, indem eine transiente Zeitanalyse mit einem paramatischen Sweep durchgeführt wurde, der den pt100-Widerstand von 100 Ohm auf 138,5055 Ohm in Schritten von 3,85055 Ohm variierte.

Schritt 5: Simulierte Ergebnisse

Die obigen Ergebnisse zeigen die lineare Beziehung zwischen der Ausgangsspannung der Schaltung und den Widerstandswerten.

Die Ergebnisse wurden dann in Excel eingegeben und grafisch dargestellt. Excel stellt die diesen Werten zugeordnete lineare Formel bereit. Bestätigung der Linearität und des Ausgangsspannungsbereichs des Sensors.

Schritt 6: Erstellen der Schaltung

Die Schaltung wurde mit zwei 2,2 kOhm-Widerständen und einem 100-Ohm-Widerstand zusammengestellt.

Die Widerstände haben eine Toleranz von +-5%. Die unterschiedlichen Widerstandswerte führen dazu, dass die Brücke bei 0 Grad unsymmetrisch ist.

Parallelwiderstände wurden in Reihe zum 100-Ohm-Widerstand hinzugefügt, um nominale Widerstandswerte hinzuzufügen, um R4 so nahe wie möglich an 100 Ohm zu bringen.

Dies erzeugte eine Ausgangsspannung von 0,00021 V, die sehr nahe bei 0 V liegt.

R1 ist 2,1638 Ohm und R3 ist 2,1572 Ohm. Es könnte mehr Widerstand angeschlossen werden, um R1 und R3 genau gleich zu machen, was eine perfekt symmetrische Brücke ergibt.

mögliche Fehler:

Die variable Widerstandsbox, die zum Testen verschiedener Temperaturwerte verwendet wird, könnte ungenau sein

Schritt 7: Gemessene Ergebnisse

Die gemessenen Ergebnisse sind unten zu sehen.

Die Temperaturänderung wurde mit einer variablen Widerstandsbox gemessen, um den Widerstand von R2 auf verschiedene Widerstände einzustellen, die im PT100-Datenblatt zu finden sind.

Die hier gefundene Formel wird als Teil des Codes verwendet, um die Temperaturausgabe zu bestimmen.

Schritt 8: Für viel größere Temperaturbereiche

Wenn sehr hohe Temperaturen aufgezeichnet werden müssen, kann ein Thermoelement vom Typ K in den Stromkreis eingefügt werden. Das Thermoelement Typ K kann einen Temperaturbereich von -270 bis 1370 Grad Celsius messen.

Thermoelemente arbeiten nach dem thermoelektrischen Effekt. Ein Temperaturunterschied erzeugt eine Potentialdifferenz (Spannung).

Da Thermoelemente auf der Differenz zweier Temperaturen arbeiten, muss die Temperatur an der Vergleichsstelle bekannt sein.

Es gibt zwei Methoden zur Messung mit Thermoelementen, die wir verwenden könnten:

Ein PT100-Sensor könnte an der Vergleichsstelle platziert werden und die Referenzspannung messen

Die Vergleichsstelle des Thermoelements könnte in einem Eisbad platziert werden, das konstant 0 Grad Celsius hat, aber für dieses Projekt unpraktisch wäre

Schritt 9: Übersicht: Differenzverstärkerstufe

Der Differenzverstärker ist ein integraler Bestandteil des Builds. Der Differenzverstärker kombiniert einen im Wesentlichen nicht invertierenden und invertierenden Verstärker in einer einzigen Schaltung. Natürlich hat es, wie bei jedem Build, seine eigenen Einschränkungen, aber wie in den nächsten Schritten gezeigt wird, hilft es definitiv, die korrekte Ausgabe von 5 V zu erhalten.

Schritt 10: Über den Differenzverstärker

Der Differenzverstärker ist ein Operationsverstärker. Es spielt bei diesem Schaltungsdesign eine Schlüsselrolle, indem es den Spannungsausgang der Wheatstone-Brücke in mV auf V verstärkt und dann vom Arduino als Spannungseingang eingelesen wird. Dieser Verstärker nimmt zwei Spannungseingänge und verstärkt die Differenz zwischen den beiden Signalen. Dies wird als Differenzspannungseingang bezeichnet. Der Differenzspannungseingang wird dann vom Verstärker verstärkt und kann am Ausgang des Verstärkers beobachtet werden. Die Verstärkereingänge werden von den Spannungsteilern der Wheatstone-Brücke im vorherigen Abschnitt erhalten.

Schritt 11: Vorteile und Einschränkungen

Der Differenzverstärker hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Der Hauptvorteil der Verwendung eines solchen Verstärkers liegt in der einfachen Konstruktion. Als Ergebnis dieser einfachen Konstruktion wird die Fehlersuche bei der Schaltung einfacher und effizienter.

Die Nachteile einer solchen Schaltung bestehen darin, dass zum Einstellen der Verstärkung des Verstärkers die verstärkungsbestimmenden Widerstände (Rückkopplungswiderstand und Massewiderstand) beide ausgeschaltet werden müssen, was zeitaufwändig sein kann. Zweitens hat der Operationsverstärker ein relativ niedriges CMRR (Common-Mode-Rejection-Verhältnis), was nicht ideal ist, um den Einfluss der Eingangs-Offsetspannung abzuschwächen. Daher ist in einer Konfiguration wie unserer ein hoher CMRR wesentlich, um die Auswirkungen der Offsetspannung abzuschwächen.

Schritt 12: Auswahl der gewünschten Ausgangsverstärkung

Der Operationsverstärker verfügt über 4 Widerstände, die an die Schaltung angeschlossen sind. 2 angepasste Widerstände an den Spannungseingängen, ein weiterer mit Masse verbunden sowie ein Rückkopplungswiderstand. Diese beiden Widerstände dienen als Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers. Normalerweise sollte ein Widerstand im Bereich von 10-100 Kiloohm ausreichen, aber sobald diese Widerstände eingestellt wurden, kann die Verstärkung bestimmt werden, indem die gewünschte Ausgangsverstärkung gleich dem Verhältnis des Rückkopplungswiderstands zum Eingangswiderstand an einem der Eingänge ist (Rf/Rin).

Der mit Masse verbundene Widerstand sowie der Rückkopplungswiderstand sind angepasst. Dies sind die verstärkungsbestimmenden Widerstände. Durch eine hohe Eingangsimpedanz werden die Auswirkungen der Belastung auf die Schaltung minimiert, d. h. verhindert, dass hohe Strommengen durch das Gerät fließen, die unkontrolliert verheerende Auswirkungen haben können.

Schritt 13: ARDUINO MICROCONTROLLER

Der Arduino ist ein programmierbarer Mikrocontroller mit digitalen und analogen I/O-Ports. Der Mikrocontroller wurde so programmiert, dass er die Spannung vom Verstärker über einen analogen Eingangspin liest. Zuerst liest der Arduino die Spannung aus dem Schaltungsausgangsbereich 0-5 V und wandelt sie in 0-1023 DU um und druckt den Wert. Als nächstes wird der Analogwert mit 5 multipliziert und durch 1023 geteilt, um den Spannungswert zu erhalten. Dieser Wert wird mit 20 multipliziert, um die genaue Skala für den Temperaturbereich von 0-100 °C zu erhalten.

Um die Offset- und Empfindlichkeitswerte zu erhalten, wurden die Messwerte vom Eingangspin an A0 mit verschiedenen Werten für den PT100 genommen und der Graph wurde gezeichnet, um die lineare Gleichung zu erhalten.

Der verwendete Code:

Void setup () { Serial.begin (9600); // die serielle Verbindung mit dem Computer starten

PinMode (A0, EINGANG); // Der Ausgang des Verstärkers wird an diesen Pin angeschlossen

}

Leere Schleife ()

{ Gleitkomma-Offset = 6,4762;

Float-Empfindlichkeit=1,9971;

int AnalogValue = analogRead(A0); // Lesen Sie die Eingabe auf A0

Serial.print ("Analogwert: ");

Serial.println (AnalogValue); // den Eingabewert drucken

Verzögerung (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul um 5, um den Bereich 0-100 Grad zu geben

Serial.print ("Digitalwert: ");

Serial.println (DigitalValue); // analoger Spannungswert

float temp = (AnalogValue - Offset)/Empfindlichkeit;

Serial.print ("Temperaturwert: ");

Serial.println (temp); // Drucktemperatur

Verzögerung (5000);

}

Schritt 14: Fehlerbehebung

Die 15-V-Versorgung des Operationsverstärkers und die 5-V-Versorgung der Wheatstone-Brücke und des Arduino müssen eine gemeinsame Masse haben. (Alle 0v-Werte müssen miteinander verbunden werden.)

Ein Voltmeter kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Spannung nach jedem Widerstand abfällt, um sicherzustellen, dass keine Kurzschlüsse auftreten.

Wenn die Ergebnisse variieren und inkonsistent sind, können die verwendeten Drähte getestet werden, indem der Widerstand des Drahts mit dem Voltmeter gemessen wird. Wenn der Widerstand "offline" anzeigt, bedeutet dies, dass ein unendlicher Widerstand vorhanden ist und der Draht einen offenen Stromkreis hat.

Drähte sollten weniger als 10 Ohm haben.

Die Spannungsdifferenz über der Wheatstone-Brücke sollte im Mindestbereich des Temperaturbereichs 0 V betragen. Wenn die Brücke nicht symmetrisch ist, kann dies folgende Ursachen haben:

Widerstände haben eine Toleranz, was bedeutet, dass sie einen Fehler haben können, der dazu führen kann, dass die Wheatstone-Brücke unsymmetrisch wird. Die Widerstände können mit einem Voltmeter überprüft werden, wenn sie aus dem Stromkreis entfernt werden. kleinere Widerstände könnten in Reihe oder parallel hinzugefügt werden, um die Brücke auszugleichen.

Rserie=r1+r2

1/Rparallel =1/r1 + 1/r2

Schritt 15: Neuskalierung

Die Formel und Methode zur Neuskalierung des Systems für eine andere Temperatur finden Sie im Abschnitt Wheatstone Bridge. Sobald diese Werte gefunden und die Schaltung eingerichtet ist:

Der PT100 sollte durch eine Widerstandsbox ersetzt werden. Die Widerstandswerte sollten aus dem neuen Temperaturbereich mit den entsprechenden Widerstandswerten aus dem beigefügten pdf angepasst werden.

Die gemessenen Spannungen und Widerstände sollten in Excel mit der Temperatur (Widerstand) auf der x-Achse und der Spannung auf der y-Achse aufgetragen werden.

Aus diesem Diagramm wird eine Formel gegeben, der Offset ist die addierte Konstante und die Sensitivität ist die Zahl multipliziert mit x.

Diese Werte sollten im Code geändert werden und Sie haben das System erfolgreich neu skaliert.

Schritt 16: Einrichten des Arduino

Verbinden Sie den Ausgang des Schaltungsverstärkers mit dem A0-Eingangspin des Arduino

Verbinden Sie den Arduino Nano über den USB-Port eines PCs.

Fügen Sie den Code in den Arduino-Skizzen-Arbeitsbereich ein.

Kompilieren Sie den Code.

Wählen Sie Extras > Board > Arduino Nano auswählen.

Wählen Sie Extras > Port > COM-Port auswählen.

Laden Sie den Code auf den Arduino hoch.

Der ausgegebene Digitalwert ist der Spannungsausgang des Operationsverstärkers (sollte 0-5 V betragen)

Der Temperaturwert ist die vom System gelesene Temperatur in Celsius.