Mesurer la température à l'aide d'un PT100 et d'un Arduino : 16 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

L'objectif de ce projet est de concevoir, construire et tester un système de détection de température. Le système a été conçu pour mesurer une plage de température de 0 à 100 °C. Un PT100 a été utilisé pour mesurer la température, et c'est un détecteur de température à résistance (RTD) qui change sa résistance en fonction de sa température ambiante.

Étape 1: Appareillage

1x PT100

1x planche à pain

2x résistances de 2,15 kohms

1x résistance de 100 ohms

Fils

Source de courant

Amplificateur différentiel

Étape 2: À propos du PT100

Dans le cadre de notre projet, nous sommes chargés de mesurer la température ambiante allant de 0 degrés à 100 degrés Celsius. Nous avons décidé d'utiliser le PT100 pour les raisons suivantes:

Le PT100 est un détecteur de température à résistance (RTD), qui peut mesurer des températures de -200 degrés à un maximum de 850 degrés Celsius, mais n'est généralement pas utilisé pour mesurer des températures supérieures à 200 degrés. Cette gamme est conforme à nos exigences.

Ce capteur produit une résistance pour une température ambiante donnée. La relation entre la température et la résistance du capteur est linéaire. Ceci, ainsi que la configuration minimale requise par le capteur, facilite le travail et l'autel si d'autres plages de température sont nécessaires à l'avenir.

Le PT100 a également un temps de réponse lent mais est précis. Ces caractéristiques n'ont pas beaucoup d'impact sur notre objectif et n'ont donc pas eu autant d'influence sur le choix du capteur de température à utiliser.

Étape 3: Pont de Wheatstone

Le pont de Wheatstone est utilisé pour mesurer une résistance électrique inconnue en équilibrant deux branches d'un circuit en pont, dont une branche comprend le composant inconnu.

Le principal avantage du circuit est sa capacité à obtenir une plage de tension de sortie qui commence à 0V.

Un simple diviseur de tension pourrait être utilisé mais ne permettrait pas de supprimer tout décalage présent, ce qui rendrait l'amplification de la tension de sortie moins efficace.

La résistance dans un PT100 varie de 100 à 138,5055 pour une température de 0 à 100 degrés Celsius.

La formule d'un pont de Wheatstone est ci-dessous, elle peut être utilisée pour redimensionner le pont de Wheatstone pour différentes plages obtenues à partir du tableau pdf ci-joint.

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

Dans notre scénario:

R2 sera notre résistance PT100.

R1 sera égal à R3.

R4 doit être égal à 100 ohms pour produire 0V à 0 degré Celsius.

Le réglage de Vout à 0V et Vin à 5V nous permet d'obtenir des valeurs de résistance pour R1 et R2 = 2,2k ohms.

On peut alors sous dans 138.5055 ohms pour la résistance du capteur pour obtenir notre tension de sortie à 100 degrés Celsius =80mV

Étape 4: Simulation du circuit

Outil de simulation de circuits, OrCAD Capture a été utilisé pour simuler notre circuit et trouver les sorties de tension attendues à différentes températures. Cela serait utilisé plus tard pour comparer la précision de notre système.

Le circuit a été simulé en effectuant une analyse du temps transitoire avec un balayage paramatique qui faisait varier la résistance pt100 de 100 ohms à 138,5055 ohms par pas de 3,85055 ohms.

Étape 5: Résultats simulés

Les résultats ci-dessus montrent la relation linéaire entre la tension de sortie du circuit et les valeurs de résistance.

Les résultats ont ensuite été entrés dans Excel et tracés. Excel fournit la formule linéaire associée à ces valeurs. Confirmation de la linéarité et de la plage de tension de sortie du capteur.

Étape 6: Création du circuit

Le circuit a été mis en place en utilisant deux résistances de 2,2 k ohms et une résistance de 100 ohms.

Les résistances ont une tolérance de +-5%. Les différentes valeurs de résistance provoquent un déséquilibre du pont à 0 degré.

Des résistances parallèles ont été ajoutées en série à la résistance de 100 ohms pour ajouter des quantités nominales de résistance pour obtenir R4 aussi proche que possible de 100 ohms.

Cela a produit une tension de sortie de 0,00021V qui est extrêmement proche de 0V.

R1 est de 2, 1638 ohms et R3 est de 2, 1572 ohms. Plus de résistance pourrait être connectée pour rendre R1 et R3 exactement égaux, donnant un pont parfaitement équilibré.

erreurs possibles:

Le boîtier de résistance variable utilisé pour tester différentes valeurs de températures pourrait être inexact

Étape 7: Résultats mesurés

Les résultats mesurés sont visibles ci-dessous.

Le changement de température a été mesuré à l'aide d'un boîtier de résistance variable, pour régler la résistance de R2 sur différentes résistances qui peuvent être trouvées dans la fiche technique du PT100.

La formule trouvée ici sera utilisée dans le cadre du code pour déterminer la sortie de température.

Étape 8: Pour des plages de température beaucoup plus larges

Un thermocouple de type K pourrait être introduit dans le circuit si des températures très élevées doivent être enregistrées. Le thermocouple de type K peut mesurer une plage de température de -270 à 1370 degrés Celsius.

Les thermocouples fonctionnent sur la base de l'effet thermoélectrique, une différence de température produit une différence de potentiel (tension).

Comme les thermocouples fonctionnent sur la base de la différence de deux températures, la température à la jonction de référence doit être connue.

Il existe deux méthodes de mesure avec des thermocouples que nous pourrions utiliser:

Un capteur PT100 pourrait être placé à la jonction de référence et mesurer la tension de référence

La jonction de référence du thermocouple pourrait être placée dans un bain de glace qui serait à 0 degré Celsius constant mais ne serait pas pratique pour ce projet

Étape 9: Présentation: étage de l'amplificateur différentiel

L'amplificateur différentiel fait partie intégrante de la construction. L'amplificateur différentiel combine ce qui est essentiellement un amplificateur non inverseur et inverseur en un seul circuit. Bien sûr, comme avec n'importe quelle version, il a ses propres limites, mais comme cela sera montré au cours des prochaines étapes, il aide certainement à obtenir la sortie correcte de 5V.

Étape 10: À propos de l'amplificateur différentiel

L'amplificateur différentiel est un amplificateur opérationnel. Il joue un rôle clé dans cette conception de circuit en amplifiant la tension de sortie du pont de Wheatstone en mV à V et est ensuite lu comme une tension d'entrée par l'Arduino. Cet amplificateur prend deux entrées de tension et amplifie la différence entre les deux signaux. C'est ce qu'on appelle l'entrée de tension différentielle. L'entrée de tension différentielle est alors amplifiée par l'amplificateur et peut être observée à la sortie de l'amplificateur. Les entrées de l'amplificateur sont obtenues à partir des diviseurs de tension du pont de Wheatstone dans la section précédente.

Étape 11: Avantages et limites

L'amplificateur différentiel a son lot d'avantages et d'inconvénients. Le principal avantage de l'utilisation d'un tel amplificateur est sa facilité de construction. En raison de cette construction facile, cela rend les problèmes de dépannage rencontrés avec le circuit plus faciles et plus efficaces.

Les inconvénients de l'utilisation d'un tel circuit sont que pour ajuster le gain de l'amplificateur, les résistances déterminant le gain (résistance de retour et résistance connectée à la terre) doivent toutes deux être désactivées, ce qui peut prendre beaucoup de temps. Deuxièmement, l'amplificateur opérationnel a un CMRR (rapport de réjection en mode commun) relativement faible, ce qui n'est pas idéal pour atténuer l'influence de la tension de décalage d'entrée. Ainsi, dans une configuration comme la nôtre, avoir un CMRR élevé est essentiel pour atténuer les effets de la tension de décalage.

Étape 12: Sélection du gain de sortie souhaité

L'ampli-op dispose de 4 résistances connectées au circuit. 2 résistances appariées aux entrées de tension, une autre reliée à la masse ainsi qu'une résistance de retour. Ces deux résistances servent d'impédance d'entrée de l'amplificateur opérationnel. En règle générale, une résistance de l'ordre de 10 à 100 kilohms devrait suffire, mais une fois ces résistances réglées, le gain peut être déterminé en laissant le gain de sortie souhaité égal au rapport de la résistance de rétroaction à la résistance d'entrée sur l'une des entrées. (Rf/Rin).

La résistance connectée à la terre, ainsi que la résistance de rétroaction, sont adaptées. Ce sont les résistances déterminant le gain. En ayant une impédance d'entrée élevée, il minimise les effets de la charge sur le circuit, c'est-à-dire en empêchant de grandes quantités de courant de traverser l'appareil, ce qui peut avoir des effets dévastateurs s'il n'est pas contrôlé.

Étape 13: MICROCONTROLEUR ARDUINO

L'Arduino est un microcontrôleur programmable doté de ports d'E/S numériques et analogiques. Le microcontrôleur a été programmé pour lire la tension de l'amplificateur via une broche d'entrée analogique. Tout d'abord, l'Arduino lira la tension de la plage de sortie du circuit 0-5 V et la convertira en 0-1023 DU et imprimera la valeur. Ensuite, la valeur analogique sera multipliée par 5 et divisée par 1023 pour obtenir la valeur de tension. Cette valeur sera multipliée par 20 pour donner l'échelle exacte pour la plage de température de 0 à 100 C.

Pour obtenir les valeurs de décalage et de sensibilité, les lectures de la broche d'entrée sur A0 ont été prises avec des valeurs différentes pour le PT100 et le graphique a été tracé pour obtenir l'équation linéaire.

Le code qui a été utilisé:

void setup() { Serial.begin(9600); //démarrer la connexion série avec l'ordinateur

pinMode (A0, ENTREE); // la sortie de l'amplificateur sera connectée à cette broche

}

boucle vide()

{ décalage flottant = 6,4762;

sensibilité flottante = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead(A0); //Lire l'entrée sur A0

Serial.print("Valeur analogique: ");

Serial.println(AnalogValue); // affiche la valeur d'entrée

retard(1000);

float DigitalValue = (AnalogValue * 5) / (1023); //mul par 5 pour donner la plage 0-100 degrés

Serial.print("Valeur numérique: ");

Serial.println(DigitalValue); //valeur de tension analogique

float temp = (AnalogValue - décalage)/sensibilité;

Serial.print("Valeur de température: ");

Serial.println(temp); //impression de la température

retard (5000);

}

Étape 14: Dépannage

L'alimentation 15V de l'ampli-op et le 5V du pont de Wheatstone et de l'arduino doivent avoir une masse commune. (toutes les valeurs 0v doivent être connectées ensemble.)

Un voltmètre peut être utilisé pour s'assurer que la tension chute après chaque résistance afin de s'assurer qu'il n'y a pas de court-circuit.

Si les résultats varient et sont incohérents, les fils utilisés peuvent être testés en utilisant le voltmètre pour mesurer la résistance du fil, si la résistance dit "hors ligne", cela signifie qu'il y a une résistance infinie et que le fil a un circuit ouvert.

Les fils doivent être inférieurs à 10 ohms.

La différence de tension à travers le pont de Wheatstone doit être de 0 V à la plage minimale de la plage de température, si le pont n'est pas équilibré, cela peut être dû à:

les résistances ont une tolérance, ce qui signifie qu'elles pourraient avoir une erreur qui peut provoquer un déséquilibre du pont de Wheatstone, les résistances peuvent être vérifiées avec un voltmètre s'il est retiré du circuit. des résistances plus petites pourraient être ajoutées en série ou en parallèle pour équilibrer le pont.

Série R=r1+r2

1/Rparallèle =1/r1 + 1/r2

Étape 15: Redimensionnement

La formule et la méthode pour redimensionner le système pour une température différente peuvent être trouvées dans la section pont de Wheatstone. Une fois ces valeurs trouvées et le circuit configuré:

Le PT100 doit être remplacé par un boîtier de résistance. Les valeurs de résistance doivent être ajustées à partir de la nouvelle plage de température en utilisant les valeurs de résistance appropriées obtenues à partir du pdf ci-joint.

La tension et les résistances mesurées doivent être tracées dans Excel avec la température (résistance) sur l'axe x et la tension sur le y.

Une formule sera donnée à partir de ce tracé, le décalage sera la constante qui est ajoutée et la sensibilité sera le nombre multiplié par x.

Ces valeurs doivent être modifiées sur le code et vous avez réussi à redimensionner le système.

Étape 16: Configuration de l'Arduino

connectez la sortie de l'ampli de circuit à la broche d'entrée A0 de l'Arduino

Connectez l'Arduino Nano via le port USB sur un PC.

collez le code dans l'espace de travail d'esquisse Arduino.

Compilez le code.

Sélectionnez Outils > Carte > Sélectionnez Arduino Nano.

Sélectionnez Outils > Port > Sélectionnez le port COM.

Téléchargez le code sur l'Arduino.

La valeur numérique sortie est la tension de sortie de l'ampli-op (devrait être 0-5V)

La valeur de la température est la température lue par le système en degrés Celsius.