Medición de temperatura con un PT100 y un Arduino: 16 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

El objetivo de este proyecto es diseñar, construir y probar un sistema de detección de temperatura. El sistema fue diseñado para medir un rango de temperatura de 0 a 100 ° C. Se usó un PT100 para medir la temperatura, y es un detector de temperatura de resistencia (RTD) que cambia su resistencia dependiendo de la temperatura circundante.

Paso 1: Aparato

1x PT100

1x tablero

2x resistencias de 2,15 kohms

1x resistencia de 100 ohmios

Alambres

Fuente de alimentación

Amplificador diferencial

Paso 2: Acerca del PT100

Como parte de nuestro proyecto, tenemos la tarea de medir la temperatura ambiente en un rango de 0 grados a 100 grados Celsius. Decidimos utilizar el PT100 por las siguientes razones:

El PT100 es un detector de temperatura de resistencia (RTD), que puede medir temperaturas desde -200 grados hasta un máximo de 850 grados Celsius, pero no se suele utilizar para medir temperaturas superiores a 200 grados. Esta gama cumple con nuestros requisitos.

Este sensor produce una resistencia para una temperatura ambiente determinada. La relación entre temperatura y resistencia del sensor es lineal. Esto, junto con la configuración mínima que requiere el sensor, facilita el trabajo y el altar si se necesitan otros rangos de temperatura en el futuro.

El PT100 también tiene un tiempo de respuesta lento pero es preciso. Estas características no tienen mucho impacto en nuestro objetivo y, por lo tanto, no influyeron tanto a la hora de decidir qué sensor de temperatura utilizar.

Paso 3: Puente de Wheatstone

El puente de Wheatstone se utiliza para medir una resistencia eléctrica desconocida equilibrando dos tramos de un circuito de puente, uno de los cuales incluye el componente desconocido.

El principal beneficio del circuito es su capacidad para obtener un rango de voltaje de salida que comienza en 0V.

Se podría usar un divisor de voltaje simple, pero no nos permitiría eliminar cualquier compensación presente, lo que haría que la amplificación de la salida de voltaje sea menos efectiva.

La resistencia en un PT100 varía de 100 a 138.5055 para una temperatura de 0 a 100 grados Celsius.

La fórmula para un puente de Wheatstone se encuentra a continuación, se puede utilizar para cambiar la escala del puente de Wheatstone para diferentes rangos obtenidos de la tabla PDF adjunta.

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

En nuestro escenario:

R2 será nuestra resistencia PT100.

R1 será igual a R3.

R4 debe ser igual a 100 ohmios para generar 0 V a 0 grados Celsius.

Configurar Vout a 0V y Vin a 5V nos permite obtener valores de resistencia para R1 y R2 = 2.2k ohms.

Luego podemos suben 138.5055 ohmios para la resistencia del sensor para obtener nuestro voltaje de salida a 100 grados Celsius = 80 mV

Paso 4: Simulación del circuito

Una herramienta para simular circuitos, OrCAD Capture se utilizó para simular nuestro circuito y encontrar salidas de voltaje esperadas a diferentes temperaturas. Esto se usaría más adelante para comparar la precisión de nuestro sistema.

El circuito se simuló realizando un análisis de tiempo transitorio con un barrido paramático que varió la resistencia pt100 de 100 ohmios a 138.5055 ohmios en pasos de 3.85055 ohmios.

Paso 5: Resultados simulados

Los resultados anteriores muestran la relación lineal del voltaje de salida del circuito y los valores de resistencia.

Luego, los resultados se ingresaron en Excel y se trazaron. Excel proporciona la fórmula lineal asociada con estos valores. Confirmando la linealidad y el rango de voltaje de salida del sensor.

Paso 6: creación del circuito

El circuito se armó usando dos resistencias de 2.2k ohmios y una resistencia de 100 ohmios.

Las resistencias tienen una tolerancia de + -5%. Los diferentes valores de resistencia hacen que el puente se desequilibre a 0 grados.

Se agregaron resistencias paralelas en serie a la resistencia de 100 ohmios para agregar cantidades nominales de resistencia para que R4 se acerque lo más posible a 100 ohmios.

Esto produjo un voltaje de salida de 0,00021 V que está extremadamente cerca de 0 V.

R1 es 2, 1638 ohmios y R3 es 2, 1572 ohmios. Se podría conectar más resistencia para hacer que R1 y R3 sean exactamente iguales, dando un puente perfectamente equilibrado.

posibles errores:

La caja de resistencia variable utilizada para probar diferentes temperaturas, los valores podrían ser inexactos

Paso 7: Resultados medidos

Los resultados medidos se pueden ver a continuación.

El cambio de temperatura se midió utilizando una caja de resistencia variable, para establecer la resistencia de R2 a diferentes resistencias que se pueden encontrar en la hoja de datos PT100.

La fórmula que se encuentra aquí se utilizará como parte del código para determinar la salida de temperatura.

Paso 8: para rangos de temperatura mucho más grandes

Se podría introducir un termopar tipo K en el circuito si es necesario registrar temperaturas muy altas. El termopar tipo K puede medir un rango de temperatura de -270 a 1370 grados Celsius.

Los termopares funcionan en función del efecto termoeléctrico. Una diferencia de temperatura produce una diferencia de potencial (voltaje).

Como los termopares funcionan en función de la diferencia de dos temperaturas, es necesario conocer la temperatura en la unión de referencia.

Hay dos métodos de medición con termopares que podemos utilizar:

Se podría colocar un sensor PT100 en la unión de referencia y medir el voltaje de referencia

La unión de referencia del termopar podría colocarse en un baño de hielo, que sería una constante de 0 grados Celsius, pero no sería práctico para este proyecto

Paso 9: Descripción general: etapa del amplificador diferencial

El amplificador diferencial es una parte integral de la construcción. El amplificador diferencial combina lo que es esencialmente un amplificador inversor y no inversor en un solo circuito. Por supuesto, como con cualquier construcción, viene con sus propias limitaciones, sin embargo, como se mostrará en los siguientes pasos, definitivamente ayuda a obtener la salida correcta de 5V.

Paso 10: Acerca del amplificador diferencial

El amplificador diferencial es un amplificador operacional. Desempeña un papel clave en este diseño de circuito de amplificar la salida de voltaje del puente de Wheatstone en mV a V y luego se lee como una entrada de voltaje por el Arduino. Este amplificador toma dos entradas de voltaje y amplifica la diferencia entre las dos señales. Esto se llama entrada de voltaje diferencial. La entrada de voltaje diferencial es luego amplificada por el amplificador y se puede observar en la salida del amplificador. Las entradas del amplificador se obtienen de los divisores de voltaje del puente de Wheatstone en la sección anterior.

Paso 11: Beneficios y limitaciones

El amplificador diferencial viene con sus propias ventajas y desventajas. El principal beneficio de usar un amplificador de este tipo es la facilidad de construcción. Como resultado de esta fácil construcción, hace que la resolución de problemas encontrados en el circuito sea más fácil y más eficiente.

Las desventajas de usar un circuito de este tipo son que para ajustar la ganancia del amplificador, las resistencias que determinan la ganancia (resistencia de retroalimentación y resistencia conectada a tierra) deben estar apagadas, lo que puede llevar mucho tiempo. En segundo lugar, el amplificador operacional tiene un CMRR (relación de rechazo de modo común) relativamente bajo que no es ideal para mitigar la influencia del voltaje de compensación de entrada. Por lo tanto, en una configuración como la nuestra, tener un CMRR alto es esencial para mitigar los efectos del voltaje de compensación.

Paso 12: Selección de la ganancia de salida deseada

El amplificador operacional cuenta con 4 resistencias conectadas al circuito. 2 resistencias emparejadas en las entradas de voltaje, otra conectada a tierra y una resistencia de retroalimentación. Estas dos resistencias sirven como impedancia de entrada del amplificador operacional. Por lo general, una resistencia en el rango de 10-100 kiloohmios debería ser suficiente, sin embargo, una vez que se han configurado estas resistencias, la ganancia se puede determinar dejando que la ganancia de salida deseada sea igual a la relación entre la resistencia de retroalimentación y la resistencia de entrada en una de las entradas. (Rf / Rin).

La resistencia conectada a tierra, así como la resistencia de retroalimentación, están emparejadas. Estas son las resistencias que determinan la ganancia. Al tener una alta impedancia de entrada, minimiza los efectos de la carga en el circuito, es decir, evita que grandes cantidades de corriente pasen a través del dispositivo, lo que puede tener efectos devastadores si no se controla.

Paso 13: MICROCONTROLADOR ARDUINO

El Arduino es un microcontrolador programable con puertos de E / S digitales y analógicos. El microcontrolador fue programado para leer el voltaje del amplificador a través de un pin de entrada analógica. Primero, el Arduino leerá el voltaje del rango de salida del circuito 0-5 V y lo convertirá a 0-1023 DU e imprimirá el valor. A continuación, el valor analógico se multiplicará por 5 y se dividirá por 1023 para obtener el valor de voltaje. Este valor se multiplicará por 20 para obtener la escala exacta para el rango de temperatura de 0 a 100 C.

Para obtener los valores de compensación y sensibilidad, las lecturas del pin de entrada en A0 se tomaron con diferentes valores para el PT100 y se trazó el gráfico para obtener la ecuación lineal.

El código que se utilizó:

configuración vacía () {Serial.begin (9600); // inicia la conexión serial con la computadora

pinMode (A0, ENTRADA); // la salida del amplificador se conectará a este pin

}

bucle vacío ()

{desplazamiento flotante = 6.4762;

sensibilidad de flotación = 1.9971;

int AnalogValue = analogRead (A0); // Leer la entrada en A0

Serial.print ("Valor analógico:");

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

retraso (1000);

flotante DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); // mul por 5 para dar el rango 0-100 grados

Serial.print ("Valor digital:");

Serial.println (DigitalValue); // valor de voltaje analógico

temperatura de flotación = (AnalogValue - offset) / sensibilidad;

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

Serial.println (temp); // temperatura de impresión

retraso (5000);

}

Paso 14: solución de problemas

El suministro de 15V al amplificador operacional y el de 5V al puente de wheatstone y arduino deben tener un terreno común. (todos los valores de 0v deben estar conectados juntos).

Se puede usar un voltímetro para asegurarse de que el voltaje caiga después de cada resistencia para ayudar a garantizar que no haya cortocircuitos.

Si los resultados varían y son inconsistentes, los cables usados pueden probarse usando el voltímetro para medir la resistencia del cable, si la resistencia dice "fuera de línea" significa que hay una resistencia infinita y el cable tiene un circuito abierto.

Los cables deben tener menos de 10 ohmios.

La diferencia de voltaje a través del puente de Wheatstone debe ser de 0 V en el rango mínimo del rango de temperatura; si el puente no está equilibrado, podría deberse a que:

Las resistencias tienen una tolerancia, lo que significa que podrían tener un error que puede hacer que el puente de Wheatstone se desequilibre, las resistencias se pueden verificar con un voltímetro si se quita del circuito. Se pueden agregar resistencias más pequeñas en serie o en paralelo para equilibrar el puente.

Rseries = r1 + r2

1 / Rparalelo = 1 / r1 + 1 / r2

Paso 15: cambio de escala

La fórmula y el método para cambiar la escala del sistema para una temperatura diferente se pueden encontrar en la sección del puente de Wheatstone. Una vez que se encuentran estos valores y se configura el circuito:

El PT100 debe reemplazarse con una caja de resistencia. Los valores de resistencia deben ajustarse desde el nuevo rango de temperatura utilizando los valores de resistencia apropiados obtenidos del pdf adjunto.

El voltaje medido y las resistencias deben representarse en Excel con la temperatura (resistencia) en el eje xy el voltaje en el y.

Se dará una fórmula a partir de este gráfico, el desplazamiento será la constante que se suma y la sensibilidad será el número multiplicado por x.

Estos valores deben cambiarse en el código y habrá vuelto a escalar correctamente el sistema.

Paso 16: Configuración del Arduino

conecte la salida del amplificador de circuito al pin de entrada A0 del Arduino

Conecte el Arduino Nano a través del puerto USB de una PC.

pegue el código en el espacio de trabajo del boceto de Arduino.

Compila el código.

Seleccione Herramientas> Placa> Seleccionar Arduino Nano.

Seleccione Herramientas> Puerto> Seleccionar puerto COM.

Sube el código al Arduino.

El valor digital emitido es la salida de voltaje del amplificador operacional (debe ser 0-5 V)

El valor de temperatura es la temperatura de lectura del sistema en grados Celsius.