Medindo a temperatura usando um PT100 e um Arduino: 16 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

O objetivo deste projeto é projetar, construir e testar um sistema de detecção de temperatura. O sistema foi projetado para medir uma faixa de temperatura de 0 a 100 ° C. Um PT100 foi usado para medir a temperatura, e é um detector de temperatura de resistência (RTD) que muda sua resistência dependendo da temperatura ambiente.

Etapa 1: aparelho

1x PT100

1x breadboard

2 resistores de 2,15 kohms

1 resistor de 100 ohms

Fios

Fonte de energia

Amplificador diferencial

Etapa 2: Sobre o PT100

Como parte de nosso projeto, temos a tarefa de medir a temperatura ambiente variando de 0 graus a 100 graus Celsius. Decidimos usar o PT100 pelos seguintes motivos:

O PT100 é um detector de temperatura por resistência (RTD), que pode medir temperaturas de -200 graus a um máximo de 850 graus Celsius, mas não é normalmente usado para medir temperaturas acima de 200 graus. Esta gama está em conformidade com os nossos requisitos.

Este sensor produz uma resistência para uma determinada temperatura ambiente. A relação entre temperatura e resistência do sensor é linear. Isso, junto com a configuração mínima que o sensor exige, facilita o trabalho e o altar caso outras faixas de temperatura sejam necessárias no futuro.

O PT100 também tem um tempo de resposta lento, mas é preciso. Essas características não têm muito impacto em nosso objetivo e, portanto, não foram tão influentes ao decidir qual sensor de temperatura usar.

Etapa 3: Ponte Wheatstone

A ponte de wheatstone é usada para medir uma resistência elétrica desconhecida, equilibrando duas pernas de um circuito de ponte, uma das quais inclui o componente desconhecido.

O principal benefício do circuito é sua capacidade de obter uma faixa de voltagem de saída que começa em 0V.

Um divisor de tensão simples poderia ser usado, mas não nos permitiria eliminar qualquer deslocamento presente, o que tornaria a amplificação da saída de tensão menos eficaz.

A resistência em um PT100 varia de 100 a 138,5055 para uma temperatura de 0 a 100 graus Celsius.

A fórmula para uma ponte de wheatstone está abaixo, ela pode ser usada para redimensionar a ponte de wheatstone para diferentes intervalos obtidos na tabela PDF anexada.

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

Em nosso cenário:

R2 será nossa resistência PT100.

R1 será igual a R3.

R4 precisa ser igual a 100 ohms para produzir 0 V a 0 graus Celsius.

Definir Vout em 0 V e Vin em 5 V nos permite obter valores de resistência para R1 e R2 = 2,2k ohms.

Podemos então sub em 138,5055 ohms para a resistência do sensor para obter nossa tensão de saída a 100 graus Celsius = 80mV

Etapa 4: Simulando o circuito

Uma ferramenta para simular circuitos, o OrCAD Capture foi usado para simular nosso circuito e encontrar as saídas de tensão esperadas em diferentes temperaturas. Isso seria usado mais tarde para comparar a precisão do nosso sistema.

O circuito foi simulado realizando uma análise de tempo transiente com uma varredura paramática que variou a resistência do pt100 de 100 ohms a 138,5055 ohms em etapas de 3,85055 ohms.

Etapa 5: resultados simulados

Os resultados acima mostram a relação linear da tensão de saída do circuito e os valores de resistência.

Os resultados foram inseridos no Excel e plotados. O Excel fornece a fórmula linear associada a esses valores. Confirmando a linearidade e a faixa de tensão de saída do sensor.

Etapa 6: Criação do circuito

O circuito foi montado usando dois resistores de 2,2k ohm e um resistor de 100 ohm.

Os resistores têm tolerância de + -5%. Os diferentes valores de resistência fazem com que a ponte fique desequilibrada em 0 graus.

Resistores paralelos foram adicionados em série ao resistor de 100 ohms para adicionar quantidades nominais de resistência para obter R4 o mais próximo possível de 100 ohms.

Isso produziu uma tensão de saída de 0,00021V que é extremamente próxima de 0V.

R1 é 2, 1638 ohms e R3 é 2, 1572 ohms. Mais resistores poderiam ser conectados para fazer R1 e R3 exatamente iguais, dando uma ponte perfeitamente balanceada.

possíveis erros:

a caixa de resistor variável usada para testar diferentes valores de temperatura pode ser imprecisa

Etapa 7: Resultados medidos

Os resultados medidos podem ser vistos abaixo.

A mudança na temperatura foi medida usando uma caixa de resistor variável, para definir a resistência de R2 para diferentes resistências que podem ser encontradas na folha de dados do PT100.

A fórmula encontrada aqui será usada como parte do código para determinar a saída de temperatura.

Etapa 8: para faixas de temperatura muito maiores

Um termopar Tipo K pode ser introduzido no circuito se temperaturas muito altas precisarem ser registradas. O termopar tipo K pode medir uma faixa de temperatura de -270 a 1370 graus Celsius.

Os termopares operam com base no efeito termoelétrico. Uma diferença de temperatura produz uma diferença de potencial (tensão).

Como os termopares operam com base na diferença de duas temperaturas, a temperatura na junção de referência precisa ser conhecida.

Existem dois métodos de medição com termopares que podemos usar:

Um sensor PT100 pode ser colocado na junção de referência e medir a tensão de referência

A junção de referência do termopar poderia ser colocada em um banho de gelo que teria uma temperatura de 0 graus Celsius constante, mas seria impraticável para este projeto

Etapa 9: Visão geral: Estágio de amplificador diferencial

O amplificador diferencial é parte integrante da construção. O amplificador diferencial combina o que é essencialmente um amplificador inversor e não inversor em um único circuito. É claro que, como qualquer construção, ele vem com suas próprias limitações, no entanto, como será mostrado nas próximas etapas, ele definitivamente ajuda na obtenção da saída correta de 5V.

Etapa 10: Sobre o amplificador diferencial

O amplificador diferencial é um amplificador operacional. Ele desempenha um papel fundamental neste projeto de circuito de amplificação da saída de tensão da ponte Wheatstone em mV para V e é então lido como uma entrada de tensão pelo Arduino. Este amplificador usa duas entradas de tensão e amplifica a diferença entre os dois sinais. Isso é chamado de entrada de tensão diferencial. A entrada de tensão diferencial é então amplificada pelo amplificador e pode ser observada na saída do amplificador. As entradas do amplificador são obtidas dos divisores de tensão da ponte de Wheatstone na seção anterior.

Etapa 11: benefícios e limitações

O amplificador diferencial vem com sua própria cota de prós e contras. O principal benefício de usar tal amplificador é a facilidade de construção. Como resultado dessa construção fácil, ele torna mais fácil e eficiente a solução de problemas encontrados com o circuito.

Os contras de usar tal circuito são que, para ajustar o ganho do amplificador, os resistores de determinação de ganho (resistor de feedback e resistor conectado à terra) devem ser desligados, o que pode ser demorado. Em segundo lugar, o op-amp tem um CMRR (taxa de rejeição de modo comum) relativamente baixo que não é ideal para mitigar a influência da tensão de deslocamento de entrada. Portanto, em uma configuração como a nossa, ter um CMRR alto é essencial para mitigar os efeitos da tensão de deslocamento.

Etapa 12: Seleção do ganho de saída desejado

O op-amp possui 4 resistores conectados ao circuito. 2 resistores combinados nas entradas de tensão, outro conectado ao aterramento, bem como um resistor de feedback. Esses dois resistores servem como impedância de entrada do amplificador operacional. Normalmente, um resistor na faixa de 10-100 kilohms deve ser suficiente, no entanto, uma vez que esses resistores foram definidos, o ganho pode ser determinado deixando o ganho de saída desejado igual à razão do resistor de feedback para o resistor de entrada em uma das entradas (Rf / Rin).

O resistor conectado ao aterramento, bem como o resistor de feedback, são combinados. Esses são os resistores de determinação de ganho. Por ter uma alta impedância de entrada, ele minimiza os efeitos do carregamento no circuito, isto é, evita que grandes quantidades de corrente conduzam através do dispositivo, o que pode ter efeitos devastadores se não for controlado.

Etapa 13: MICROCONTROLADOR ARDUINO

O Arduino é um microcontrolador programável com portas de E / S digitais e analógicas. O microcontrolador foi programado para ler a tensão do amplificador por meio de um pino de entrada analógica. Primeiro, o Arduino lerá a tensão da faixa de saída do circuito de 0-5 V e a converterá em 0-1023 DU e imprimirá o valor. Em seguida, o valor analógico será multiplicado por 5 e dividido por 1023 para obter o valor da tensão. Este valor será multiplicado por 20 para dar a escala exata para a faixa de temperatura de 0-100 C.

Para obter os valores de deslocamento e sensibilidade, as leituras do pino de entrada em A0 foram feitas com valores diferentes para o PT100 e o gráfico foi traçado para obter a equação linear.

O código que foi usado:

void setup () {Serial.begin (9600); // inicia a conexão serial com o computador

pinMode (A0, INPUT); // a saída do amplificador será conectada a este pino

}

void loop ()

{deslocamento de flutuação = 6,4762;

sensibilidade de flutuação = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Leia a entrada em A0

Serial.print ("Valor analógico:");

Serial.println (AnalogValue); // imprime o valor de entrada

atraso (1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul por 5 para dar o intervalo de 0-100 graus

Serial.print ("Valor digital:");

Serial.println (DigitalValue); // valor de tensão analógica

float temp = (AnalogValue - offset) / sensibilidade;

Serial.print ("Valor da temperatura:");

Serial.println (temp); // imprimir temp

atraso (5000);

}

Etapa 14: Solução de problemas

A alimentação de 15 V para o amplificador operacional e a de 5 V para a ponte de wheatstone e arduino devem ter um terreno comum. (todos os valores 0v precisam ser conectados juntos.)

Um voltímetro pode ser usado para garantir que a tensão caia após cada resistor para ajudar a garantir que não haja curto-circuitos.

Se os resultados forem variáveis e inconsistentes, os fios usados podem ser testados usando o voltímetro para medir a resistência do fio; se a resistência estiver "offline", significa que há resistência infinita e o fio tem um circuito aberto.

Os fios devem ter menos de 10 ohms.

A diferença de tensão na ponte de wheatstone deve ser 0 V na faixa mínima da faixa de temperatura, se a ponte não estiver balanceada pode ser porque:

os resistores têm uma tolerância, o que significa que podem ter um erro que pode fazer com que a ponte de wheatstone fique desequilibrada, as resistências podem ser verificadas com um voltímetro se ele for removido do circuito. resistores menores podem ser adicionados em série ou em paralelo para equilibrar a ponte.

Série R = r1 + r2

1 / Rparalelo = 1 / r1 + 1 / r2

Etapa 15: redimensionamento

A fórmula e o método para redimensionar o sistema para uma temperatura diferente podem ser encontrados na seção da ponte de wheatstone. Assim que esses valores forem encontrados e o circuito estiver configurado:

O PT100 deve ser substituído por uma caixa de resistor. Os valores de resistência devem ser ajustados a partir da nova faixa de temperatura usando os valores de resistência apropriados obtidos no pdf em anexo.

A tensão e as resistências medidas devem ser plotadas em excel com a temperatura (resistência) no eixo xe a tensão no y.

Uma fórmula será fornecida a partir deste gráfico, o deslocamento será a constante adicionada e a sensibilidade será o número multiplicado por x.

Esses valores devem ser alterados no código e você redimensionou o sistema com êxito.

Etapa 16: Configurando o Arduino

conecte a saída do amplificador de circuito ao pino de entrada A0 do Arduino

Conecte o Arduino Nano por meio da porta USB de um PC.

cole o código na área de trabalho de esboço do Arduino.

Compile o código.

Selecione Ferramentas> Placa> Selecionar Arduino Nano.

Selecione Ferramentas> Porta> Selecionar porta COM.

Faça upload do código para o Arduino.

O valor digital emitido é a saída de tensão do amplificador operacional (deve ser 0-5 V)

O valor da temperatura é a temperatura lida pelo sistema em Celsius.