PT100 температурасын Arduino көмегімен өлшеу: 6 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-31 10:22

PT100 - қоршаған ортаның температурасына байланысты қарсылықты өзгертетін қарсылық температурасының детекторы (RTD), ол баяу динамикалық және салыстырмалы түрде кең ауқымды өндірістік процестерде кеңінен қолданылады. Ол баяу динамикалық процестер үшін қолданылады, себебі RTD -тің жауап беру уақыты баяу (мен бұл туралы кейінірек айтатын боламын), бірақ дәл және уақыт бойынша төмен дрейфке ие. Мен сізге осы нұсқаулықта көрсететін нәрсе өнеркәсіптік стандартқа сәйкес келмейді, бірақ ол сізге көптеген әуесқойлар білетін LM35 -тен гөрі температураны өлшеудің балама әдісімен танысады және тізбек теориясын көрсетеді. басқа датчиктерге қолдануға болады.

1 -қадам: компоненттер

1x PT100 (екі сымды)

1x Arduino (кез келген модель)

3x 741 операциялық күшейткіштер (LM741 немесе UA741)

1х 80 Ом резистор

2х 3,9км резисторлар

2х 3,3км резисторлар

2х 8,2км резисторлар

2х 47км резисторлар

1х 5км потенциометр

1х екі терминалды қуат көзі немесе 8х 1,5В АА батареялары

Мен екі сымды PT100 қолданамын, үш және төрт сымды PT100 әр түрлі схемаға ие болады. Олардың көпшілігіндегі резистор мәндері дәл жоғарыда көрсетілгендей болмауы керек, бірақ егер резисторлар жұбы болса, яғни 3,9Км болса, егер сіз оларды 5k -ке ауыстырсаңыз, екеуін де 5к -ке ауыстыру қажет болады. бірдей болу керек. Біз схеманы алған кезде мен әр түрлі мәндерді таңдаудың әсерін айтамын. Жұмыс күшейткіштері үшін (оп күшейткіштер) сіз басқа оптикалық күшейткіштерді қолдана аласыз, бірақ бұл мен қолданған.

2 -қадам: Уитстон көпірі

Мен тізбектің бірінші бөлігі туралы айтпас бұрын мен PT100 кедергісінен температураны алу формуласы туралы айтуым керек, қарсылық формуласы келесідей:

мұндағы Rx - PT100 кедергісі, R0 - PT100 кедергісі 0 градус, α - температураға төзімділік коэффициенті және Т - температура.

R0 - 100 Ом, себебі бұл PT100, егер ол PT1000 болса, R0 1000 Ом болады. α - мәліметтер парағынан алынған 0,00385 Ом/градус. Сондай -ақ дәлірек формуланы табуға болады, бірақ жоғарыда аталған формула бұл жобаға сәйкес келеді. Егер формуланы ауыстырсақ, берілген қарсылық үшін температураны есептей аламыз:

Мысалы, температура диапазоны -51.85 -тен 130 градусқа дейін болатын нәрсені өлшегіміз келеді және біз PT100 -ді 1 -суретте көрсетілген схемаға орналастырдық. бірінші суретте) кернеу диапазонын есептей аламыз. T = -51.85 (80 Ом) диапазонының төменгі жағы

және 130 градуста (150 Ом):

Бұл 0.1187 В диапазонын және тұрақты токтың 0,142 ығысуын береді, өйткені біздің температурамыз ешқашан -51.85 градустан төмен түспейтінін білеміз, бұл кернеуді күшейткен кезде біз қамқорлық ететін диапазондағы сезімталдықты төмендетеді (80 -ден 130 Ом). Тұрақты токтың ығысуынан құтылу және сезімталдығымызды арттыру үшін екінші суретте көрсетілген Уитстоун көпірін қолдануға болады.

Екінші кернеу бөлгіштің шығысы (Vb-) кейін кернеу бөлгіштің бірінші шығысынан (Vb+) дифференциалды күшейткіш көмегімен алынады. Көпірдің шығу формуласы кернеудің екі бөлгішінен тұрады:

PT100 кернеуі 80 Ом және суреттегі басқа мәндерді қолдана отырып:

және Pt100 үшін 150 Ом:

Wheatstone көмегімен біз тұрақты токтың ығысуынан арыламыз және күшейтуден кейін сезімталдығын арттырамыз. Wheatstone көпірінің қалай жұмыс істейтінін білгеннен кейін, біз неге 80 Ом мен 3.3 КОм қолданатынымыз туралы айтуға болады. 80 Ом жоғарыдағы формуладан түсіндірілген, бұл мәнді таңдаңыз (біз оны Рофф ығысу резисторы деп атаймыз) сіздің температураңыздың төменгі диапазоны немесе одан да жақсы, сіздің диапазоныңыздың түбінен сәл төмен, егер ол үшін пайдаланылса. температураны реттеуге арналған басқару жүйелері немесе сол сияқты температураның температура диапазонынан қаншалықты төмен түсетінін білгіңіз келеді. Егер -51.85C сіздің диапазоныңыздың төменгі жағы болса, Рофф үшін 74,975 ом (-65 градус С) пайдаланыңыз.

Мен токты шектеу және шығудың сызықтығын арттыру үшін екі себеп бойынша R1 және R3 үшін 3.3k таңдадым. PT100 температураға байланысты қарсылықты өзгертетіндіктен, ол арқылы тым көп ток өтуі өзін-өзі қыздыруға байланысты қате көрсеткіштерді береді, сондықтан мен максималды токты 5-10мА таңдадым. PT100 80 Ом болғанда ток 1,775 мА болады, сондықтан максималды диапазоннан төмен. Сіз сезімталдықты жоғарылату үшін қарсылықты төмендетесіз, бірақ бұл сызықтыққа теріс әсер етуі мүмкін, өйткені біз сызықтың теңдеуін кейінірек қолданатын боламыз (y = mx+c), егер сызықтық емес шығыс болса, қателіктер жіберіледі. Үшінші суретте әр түрлі жоғарғы резисторлардың көмегімен көпір шығысының графигі бар, тұтас сызық - нақты шығыс, ал нүктелі сызық - сызықтық жуықтау. Сіз қою көк графиктен көре аласыз (R1 & R3 = 200 Ом) кернеудің ең үлкен диапазонын береді, бірақ шығыс ең аз сызықты. Ашық көк (R1 & R3 = 3.3км) кернеудің ең кіші диапазонын береді, бірақ нүктелі және тұтас сызық бір -бірімен қабаттасып, оның сызықтығы өте жақсы екенін көрсетеді.

Бұл мәндерді сіздің қосымшаңызға сәйкес өзгертуге болады, егер сіз кернеуді өзгертсеңіз, ток тым жоғары болмайтынына көз жеткізіңіз.

3 -қадам: күшейту

Соңғы қадамда біз кернеудің екі бөлгішінің шығыс диапазоны 0 -ден 0.1187 -ге дейін екенін анықтадық, бірақ біз бұл кернеулерді қалай алып тастау туралы айтқан жоқпыз. Мұны істеу үшін бізге бір кірісті екіншісінен алып тастайтын және оны күшейткіштің күшейтуімен күшейтетін дифференциалды күшейткіш қажет болады. Дифференциалды күшейткіштің тізбегі бірінші суретте көрсетілген. Сіз Vb+ -ды инвертті кіріске бересіз, ал Vb- инвертті емес кірісте және шығыс Vb+- Vb- болады, яғни күшейту жоқ, бірақ суретте көрсетілген резисторларды қосу арқылы біз 5,731 пайда қосамыз.. Табыс келесі жолмен беріледі:

Ra - R5 және R7, ал Rb - R6 және R8, кернеудің шығуы:

Бұл күшейткішті көпірдің шығысына қосудың екі мәселесі бар, жүктеу әсері мен кірісті өзгерту. Күшейткіштің күшін өзгерту сізге кем дегенде екі резисторды өзгертуді талап етеді, өйткені екі жұп резистор бірдей болуы керек, сондықтан екі кастрюльдің мәні бірдей болуы тітіркендіргіш болар еді, сондықтан біз аспаптық күшейткіш деп аталатын нәрсені қолданамыз. ол туралы мен төменде айтамын. Жүктеу эффектісі - бұл PT100 кернеуінің төмендеуіне әсер ететін күшейткіштің кіріс резисторлары, біз PT100 кернеуінің өзгермегенін қалаймыз және бұл үшін PT100 параллель кедергісі үшін кіріс резисторлары үшін өте үлкен резисторларды таңдай аламыз. және кіріс резисторы PT100 қарсыласуына өте жақын, бірақ бұл шу мен кернеудің шығысымен байланысты мәселелерді тудыруы мүмкін, мен кірмеймін. Kohms диапазонында орташа диапазонды таңдаңыз, бірақ мен айтқандай, кішігірім резисторлардың болуы жаман, сондықтан біз схеманы сәл өзгертеміз.

Екінші суретте бізде тізбектердің екі жартысын (көпір мен күшейту) ажырататын буферлік күшейткіш жұмыс істейтін құралдық күшейткішке қосылған көпірдің шығысы бар, сонымен қатар бір потенциометрді өзгерту арқылы кірісті күшейтуге мүмкіндік береді (Рейн). Құралдың күшейткішінің пайдасы мынамен анықталады:

мұнда Rc - кастрөлдің үстіндегі және астындағы екі 3,9к резистор.

Rgain төмендету арқылы күшейту күшейеді. Содан кейін Va және Vb нүктесінде (күшейтілген Vb+ және Vb-) бұл бұрынғыдай дифференциалды күшейткіш, ал тізбектің жалпы пайдасы-бұл көбейтілген табыстар.

Өзіңіздің пайдаңызды таңдау үшін сіз Роффпен бұрын жасағандай әрекет еткіңіз келеді, егер ол асып кетсе, сіздің диапазоныңыздағы максималды температурадан жоғары қарсылықты таңдау керек. Біз 5В қосымша қосылымы бар Arduino қолданатындықтан, контурдың максималды шығысы сіз таңдаған максималды температурада 5В болуы керек. 150 Омды максималды қарсылық ретінде анықтайық, ал күшейтілмеген көпірдің кернеуі 0.1187 В болды, бізге кернеу-42.185 (5/0.1187)

Біз Ra, Rb және Rc -ді 8.2k, 47k және 3.9k ретінде сақтайық делік, бізге Rgain кастрөлінің мәнін табу керек:

Сондықтан біз қолданатын температура диапазонынан толық 5 вольтты алу үшін Rgain мәнін 1.226k дейін өзгертіңіз. Дифференциалды күшейткіштен шығатын кернеу мына формула бойынша беріледі:

4 -қадам: тізбекті қосу

Бұл тізбектің соңғы қадамы, сіз оп-ампер тізбектерінде Vcc+ және Vcc- байқадыңыз, себебі олар дұрыс жұмыс істеу үшін оң және теріс кернеуді қажет етеді, сіз бір рельсті оппер-ампер ала аласыз, бірақ мен шештім Мен бұл амфты қолданамын, себебі мен осында жаттым. Сондықтан біз +6V және -6V жеткіземіз, мұны істеудің үш әдісі бар. Біріншісі бірінші суретте көрсетілген, онда бізде бір қуат көзінен екі қуат көзі немесе екі шығыс терминалы болуы керек, екеуі де 6В кернеуі бар, екіншісінің терісіне қосылған бір оң шығысы бар. Жоғарғы жеткізілімдегі 6В біздің +6В болады, төменгі қоректендірудің оң жағы -GND, ал төменгі -6В теріс. ЕКІ ЖАБДЫҚТЫҢ ГДНДЕРІ БӨЛІНСЕ НЕМЕСЕ ҚУАТТЫ КӨЗДЕРІҢІЗДІ ЗАҢДАЙТЫН БОЛСА, ОСЫЛЫҚТЫ ОСЫЛАЙ ҚОСЫҢЫЗ. Барлық коммерциялық қуат көздері GND -ді ажырататын еді, бірақ егер сіз тексергіңіз келсе, мультиметрдегі үзіліссіздікті тексеруді қолданыңыз, егер ол шырылдаса, бұл қондырманы қолданбаңыз және келесісін қолданыңыз. Мен өз қолымнан жасалған сақтандырғышты осылай істедім.

Екінші суретте бізде болуы мүмкін екінші қондырғы бар, ол бір кернеудің екіншісінен екі есе көп болуын талап етеді, бірақ егер GND қосылса, қоректенуге зақым келтірмейді. Бізде екі қорек бар: біреуі 12В, екіншісі 6В. 12В біздің +6В ретінде жұмыс істейді, екінші қоректендірудің 6В -ы GND ретінде әрекет етеді және қоректенетін екі нақты GND -6V ретінде әрекет етеді.

Бұл соңғы қондырғы тек бір шығысы бар қуат көздеріне арналған, ол кернеудің жартысын буферлік күшейткіштен өткізу арқылы виртуалды жерді құру үшін 1 -ші кірістің күшейткішін пайдаланады. Содан кейін 12В +6В рөлін атқарады, ал нақты GND терминалы -6В болады.

Егер сіз батареяларды қолданғыңыз келсе, мен бірінші қондыруды ұсынар едім, бірақ батареялардағы мәселе - олар өле бастаған кезде кернеудің төмендеуі, ал көпірден шығатын кернеудің төмендеуі. Сіз, әрине, батареялардан кернеуді оқи аласыз және оларды есептеулерге қосасыз немесе реттегіштер мен басқа батареяларды қолдана аласыз. Ақыр соңында, бұл сізге байланысты.

5 -қадам: Толық схема және код

Толық схема жоғарыда көрсетілген және ол Autodesk -тің жаңа Circuits.io -да жасалған, ол нан тақтасында схемалар құруға, схеманы өңдеуге (2 -суретте көрсетілген), ПХД диаграммаларын және ең жақсы бөлігін схемадан шығаруға мүмкіндік береді. тіпті Arduino бағдарламалауға және оны тақта режимінде қосуға болады, беттің төменгі жағында модельдеу болады және сіз екі кастрөлмен ойнай аласыз. Егер сіз тізбекті қайталағыңыз келсе және өзіңіздің жеке мәндеріңізді енгізгіңіз келсе, схеманы мына жерден таба аласыз. Бірінші кастрөл 70 Ом болып табылады және 80 Ом резисторы бар, ол PT100-ді 80-150 Ом диапазонында имитациялайды, екінші кастрөл-аспаптық күшейткіштің пайдасы. Өкінішке орай, мен код үшін жүктеген кітапхананы қолдандым, сондықтан Arduino төмендегі схемаға кірмейді, бірақ сізге қосылу үшін тек екі қосымша сым бар. Егер сізге LTspice ыңғайлы болса, мен тізбегі бар asc файлын қостым.

D0 дифференциалды күшейткіштің шығысына қосыңыз

Arduino GND схемасын GND -ге қосыңыз (-6V ЕМЕС)

Міне, схема жасалды, енді кодқа. Бұрын мен y = mx+c формуласын қолданатынымызды айтқан болатынбыз, енді м (көлбеу) мен с (ығысу) есептелетін болады. Arduino -да біз кернеуді оқимыз, бірақ температура теңдеуі бізге PT100 қарсылығын білуіміз керек, сондықтан мұны Serial.println (temp) Serial.println (V) ауыстыру және жазбаны жазу керек. кернеу мен екі температурадағы кедергі. Бұл тестті орындау кезінде PT100 -ді бір -екі минутқа жалғыз қалдырыңыз және кез келген жылу көздерінен (күн сәулесі, ноутбук желдеткіші, денеңіз және т.б.) аулақ ұстаңыз.

Біз қабылдауға болатын бірінші нүкте - бөлме температурасы, егер сізде схема қосылған және жұмыс істеп тұрса, Arduino оқыған кернеуді (Vt1) сериялық мониторға жазыңыз және PT100 -ді тез ажыратып, оның қарсылығын (Rt1) жазыңыз. ажырату кезінде зондты ұстаңыз, себебі бұл қарсылықты өзгертеді. Екінші температура үшін зондты мұзды суға немесе ыстық суға салып қоюға болады (ыстық суды қолдануда абай болыңыз) және Vt2 мен Rt2 таппастан бұрын істегенімізді қайталай аламыз. Зондты сұйықтыққа салғаннан кейін, қарсылық орныққанша бір -екі минут күтіңіз. Егер сізді PT100 уақыттық реакциясы қызықтырса, сериялық монитордың кернеуін әр 2 секунд сайын жазып тұрыңыз, біз осыдан график шығара аламыз, мен оны кейін түсіндіремін. Екі кернеу мен қарсылықты қолдана отырып, көлбеуді келесідей есептей аламыз:

Rt1 және Rt2 екі температурадағы қарсылықтар болып табылады және Vt1 және Vt2 кернеулерінде де дәл солай. Еңістіктен және сіз жазған екі нүкте жиынтығының бірінен біз ығысуды есептей аламыз:

C сіздің нақты Роффқа жақын болуы керек, менің модельдеуім бойынша мен мына мәндерді есептедім:

Осы қарсылықтан біз бастапқы формуланы қолдана отырып, өз температурамызды таба аламыз:

Міне, бұл Arduino коды төменде, егер сізде қандай да бір проблемалар болса, түсініктеме қалдырыңыз, мен көмектесуге тырысамын.

Мен жасаған схеманың суреттері жоқ, мен оны бұрын жасадым, енді PT100 жоқ, қайта өңдеуге және тексеруге болмайды, бірақ сіз оның жұмыс істейтініне сенуіңіз керек. Мен тапқан нұсқаулықтардағы PT100 туралы көп нәрсе жоқ, сондықтан мен оны ible етіп жасадым.

Келесі қадамда мен PT100 уақыт реакциясы туралы айтатын боламын, ал егер сені математика қызықтырмаса, температураның өзгеруін өлшегенде, PT100 көрсеткішін оқымас бұрын бір минуттай тұруға рұқсат ет.

Егер мен жасаған басқа жобаларды көргіңіз келсе, менің сайтқа кіріңіз

Блог: Roboroblog

YouTube арнасы: Roboro

Немесе менің басқа нұсқаулықтарымды қараңыз: мұнда

Егер HTML төмендегі кодпен араласса, онда код қосылады

* Бұл код PT100 көмегімен температураны есептейді

* Жазған Roboro * Github: <a href = «https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href =» https://github.com/RonanB96/Read-Temp- From-PT100-… <a href = «https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… >>>>>>>>> * Circuit: <a href=" href="https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href=" https://github.com/ronanb96/read-temp-from-pt100-…="">>>>>>>>>> * Blog: <a href=" href="https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href=" https://github.com/ronanb96/read-temp-from-pt100-…="">>>>>>>>>> * Instrustable Post: <a href=" href="https://github.com/RonanB96/Read-Temp-From-PT100-… <a href=" https://github.com/ronanb96/read-temp-from-pt100-…="">>>>>>>>>> * */ //You'll need to download this timer library from here //https://www.doctormonk.com/search?q=timer #include "Timer.h" // Define Variables float V; float temp; float Rx; // Variables to convert voltage to resistance float C = 79.489; float slope = 14.187; // Variables to convert resistance to temp float R0 = 100.0; float alpha = 0.00385; int Vin = A0; // Vin is Analog Pin A0 Timer t; // Define Timer object

void setup() {

Serial.begin(9600); // Set Baudrate at 9600 pinMode(Vin, INPUT); // Make Vin Input t.every(100, takeReading); // Take Reading Every 100ms } void loop() { t.update(); // Update Timer } void takeReading(){ // Bits to Voltage V = (analogRead(Vin)/1023.0)*5.0; // (bits/2^n-1)*Vmax // Voltage to resistance Rx = V*slope+C; //y=mx+c // Resistance to Temperature temp= (Rx/R0-1.0)/alpha; // from Rx = R0(1+alpha*X) // Uncommect to convet celsius to fehrenheit // temp = temp*1.8+32; Serial.println(temp); }

Step 6: Time Response of PT100

Мен PT100 баяу жауап беретінін айттым, бірақ біз кез келген уақытта PT100 оқитын ағымдағы температураның формуласын аламыз. PT100 жауабы - бұл бірінші ретті жауап, оны Лаплас терминімен жазуға болады, яғни беру функциясы:

мұнда tau (τ) - уақыт тұрақтысы, K - жүйенің пайдасы, ал s - Лаплас операторы, оны jω түрінде жазуға болады, мұнда ω - жиілік.

Уақыт тұрақтылығы сізге бірінші ретті жүйені жаңа мәнмен есептеуге қанша уақыт кететінін, ал 5*tau - жаңа тұрақты күйге оралу үшін қанша уақыт қажет екенін көрсетеді. К пайдасы сізге кірістің қаншалықты күшейтілетінін айтады. PT100 -дің пайдасы - бұл қарсылықтың температураның өзгеруіне бөлінуі, бұл мәліметтер кестесінен кездейсоқ екі мәнді таңдаудан мен 0.3856 Ом/С пайда алдым.

Мен зондты сұйыққа салғаннан кейін әр 2 секунд сайын кернеуді тіркеуге болатынын айтпас бұрын, ыстық немесе суық, осыдан жүйенің уақыт тұрақтысын есептеуге болады. Алдымен сіз зондты сұйықтыққа салмас бұрын, оның басталу нүктесі кернеу мен аяқталу нүктесін анықтауыңыз керек. Содан кейін оларды алып тастаңыз, бұл қадамның кернеуінің өзгеруі, сіз жүргізген тест - бұл жүйеге кірудің кенеттен өзгеруі, қадам - температура. Енді сіздің графикте кернеудің 63,2% өзгереді және бұл уақыт тұрақты.

Егер сіз бұл мәнді тасымалдау функциясына қоссаңыз, онда сізде жүйелердің жиілік реакциясын сипаттайтын формула бар, бірақ дәл қазір біз қалағандай емеспіз, біз температураның бір қадамы үшін t уақытындағы нақты температураны қалаймыз, сондықтан біз бара жатырмыз. Лапластың жүйеге қадамының кері түрленуін орындау керек. Қадамы бар бірінші ретті жүйенің тасымалдау функциясы келесідей:

Мұндағы Ks - қадам өлшемі, яғни температураның айырмашылығы. Айталық, зонд 20 градус С -қа қойылады, 30 градусқа суға қойылады және зондтың 8s уақыт тұрақтысы бар, тасымалдау функциясы мен уақыт өрісінің формуласы келесідей:

Δ (t) жай ғана импульсті білдіреді, яғни бұл жағдайда 20 градус С тұрақты ауытқуы, сіз оны есептегенде теңдеулеріңізге 20 ғана жаза аласыз. Бұл бірінші ретті жүйеге қадамның стандартты теңдеуі:

Жоғарыда температура t уақытында есептеледі, бірақ бұл кернеу үшін жұмыс істейді, өйткені олар бір -біріне пропорционалды, сізге тек бастапқы және соңғы мән, уақыт тұрақтысы мен қадам өлшемі қажет. Symbolab деп аталатын веб -сайт сіздің математикаңыздың дұрыстығын тексеру үшін тамаша, ол Лаплас, интеграция, дифференциация және басқа да көптеген нәрселерді жасай алады және сізге барлық қадамдарды береді. Жоғарыда келтірілген кері Лаплас түрлендіруді мына жерден табуға болады.