PT100 और Arduino का उपयोग करके तापमान मापना: 16 कदम

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:20

इस परियोजना का उद्देश्य तापमान संवेदन प्रणाली का डिजाइन, निर्माण और परीक्षण करना है। सिस्टम को 0 से 100 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज को मापने के लिए डिज़ाइन किया गया था। तापमान को मापने के लिए एक PT100 का उपयोग किया गया था, और यह एक प्रतिरोध तापमान डिटेक्टर (RTD) है जो अपने आसपास के तापमान के आधार पर इसके प्रतिरोध को बदलता है।

चरण 1: उपकरण

1x पीटी100

1x ब्रेडबोर्ड

2x 2.15 kohms प्रतिरोधक

1x 100 ओम रोकनेवाला

तारों

बिजली की आपूर्ति

डिफरेंशियल एम्पलीफायर

चरण 2: PT100 के बारे में

हमारी परियोजना के हिस्से के रूप में हमें परिवेश के तापमान को 0 डिग्री से 100 डिग्री सेल्सियस तक मापने का काम सौंपा गया है। हमने निम्नलिखित कारणों से PT100 का उपयोग करने का निर्णय लिया:

PT100 एक प्रतिरोध तापमान डिटेक्टर (RTD) है, जो तापमान को -200 डिग्री से अधिकतम 850 डिग्री सेल्सियस तक माप सकता है, लेकिन आमतौर पर इसका उपयोग 200 डिग्री से अधिक तापमान को मापने के लिए नहीं किया जाता है। यह सीमा हमारी आवश्यकताओं का अनुपालन करती है।

यह सेंसर किसी दिए गए आसपास के तापमान के लिए प्रतिरोध पैदा करता है। तापमान और सेंसर के प्रतिरोध के बीच संबंध रैखिक है। यह, सेंसर के लिए आवश्यक न्यूनतम सेटअप के साथ, भविष्य में अन्य तापमान श्रेणियों की आवश्यकता होने पर वेदी के साथ काम करना और वेदी करना आसान बनाता है।

PT100 का प्रतिक्रिया समय भी धीमा है लेकिन यह सटीक है। इन विशेषताओं का हमारे लक्ष्य पर अधिक प्रभाव नहीं पड़ता है और इस प्रकार यह तय करते समय उतना प्रभावशाली नहीं था कि किस तापमान संवेदक का उपयोग करना है।

चरण 3: व्हीटस्टोन ब्रिज

व्हीटस्टोन ब्रिज का उपयोग पुल सर्किट के दो पैरों को संतुलित करके एक अज्ञात विद्युत प्रतिरोध को मापने के लिए किया जाता है, जिसके एक पैर में अज्ञात घटक शामिल होता है।

सर्किट का प्राथमिक लाभ आउटपुट वोल्टेज की एक सीमा प्राप्त करने की क्षमता है जो 0V से शुरू होता है।

एक साधारण वोल्टेज विभक्त का उपयोग किया जा सकता है लेकिन हमें किसी भी ऑफसेट से छुटकारा पाने की अनुमति नहीं देगा, जो वोल्टेज आउटपुट को कम प्रभावी ढंग से बढ़ाना होगा।

0 से 100 डिग्री सेल्सियस के तापमान के लिए PT100 में प्रतिरोध 100 से 138.5055 तक भिन्न होता है।

व्हीटस्टोन ब्रिज का फॉर्मूला नीचे दिया गया है, इसका उपयोग व्हीटस्टोन ब्रिज को पीडीएफ टेबल से प्राप्त विभिन्न श्रेणियों के लिए फिर से स्केल करने के लिए किया जा सकता है।

वाउट=विन(R2/(R1+R2) - R4/(R3+R4))

हमारे परिदृश्य में:

R2 हमारा PT100 प्रतिरोध होगा।

R1 R3 के बराबर होगा।

0 डिग्री सेल्सियस पर 0V आउटपुट करने के लिए R4 को 100 ओम के बराबर होना चाहिए।

Vout को 0V पर और Vin को 5V पर सेट करने से हमें R1 और R2 = 2.2k ओम के लिए प्रतिरोध प्राप्त करने की अनुमति मिलती है।

फिर हम 100 डिग्री सेल्सियस = 80mV पर हमारे आउटपुट वोल्टेज को प्राप्त करने के लिए सेंसर के प्रतिरोध के लिए 138.5055 ओम में उप कर सकते हैं

चरण 4: सर्किट का अनुकरण

सर्किट को अनुकरण करने के लिए एक उपकरण, ओआरसीएडी कैप्चर का उपयोग हमारे सर्किट को अनुकरण करने और विभिन्न तापमानों पर अपेक्षित वोल्टेज आउटपुट खोजने के लिए किया गया था। इसका उपयोग बाद में तुलना करने के लिए किया जाएगा कि हमारा सिस्टम कितना सटीक था।

सर्किट को एक पैरामैटिक स्वीप के साथ एक क्षणिक समय विश्लेषण करके सिम्युलेटेड किया गया था जो 3.85055 ओम के चरणों में पीटी 100 प्रतिरोध को 100 ओम से 138.5055 ओम तक भिन्न करता है।

चरण 5: नकली परिणाम

उपरोक्त परिणाम सर्किट के आउटपुट वोल्टेज और प्रतिरोध मूल्यों के रैखिक संबंध को दर्शाते हैं।

परिणाम तब एक्सेल में इनपुट किए गए और प्लॉट किए गए। एक्सेल इन मानों से जुड़े रैखिक सूत्र प्रदान करता है। सेंसर की रैखिकता और आउटपुट वोल्टेज रेंज की पुष्टि करना।

चरण 6: सर्किट बनाना

सर्किट को दो 2.2k ओम रेसिस्टर्स और एक 100 ओम रेसिस्टर का उपयोग करके एक साथ रखा गया था।

प्रतिरोधों की सहनशीलता + -5% है। विभिन्न प्रतिरोध मान पुल के 0 डिग्री पर असंतुलित होने का कारण बनते हैं।

R4 को यथासंभव 100 ओम के करीब प्राप्त करने के लिए प्रतिरोध की नाममात्र मात्रा जोड़ने के लिए समानांतर प्रतिरोधों को श्रृंखला में 100 ओम अवरोधक में जोड़ा गया था।

इसने 0.00021V का आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न किया जो कि 0V के बेहद करीब है।

R1 2, 1638 ओम और R3 2, 1572 ओम है। R1 और R3 को बिल्कुल समान बनाने के लिए अधिक प्रतिरोधक को जोड़ा जा सकता है, जिससे पूरी तरह से संतुलित ब्रिज मिलता है।

संभावित त्रुटियां:

विभिन्न तापमान मानों का परीक्षण करने के लिए उपयोग किया जाने वाला चर रोकनेवाला बॉक्स गलत हो सकता है।

चरण 7: मापा परिणाम

मापा परिणाम नीचे देखा जा सकता है।

पीटी 100 डेटाशीट में पाए जा सकने वाले विभिन्न प्रतिरोधों के लिए आर 2 के प्रतिरोध को सेट करने के लिए तापमान में परिवर्तन को एक परिवर्तनीय प्रतिरोधी बॉक्स का उपयोग करके मापा गया था।

तापमान उत्पादन निर्धारित करने के लिए यहां पाया गया सूत्र कोड के हिस्से के रूप में उपयोग किया जाएगा।

चरण 8: बहुत बड़े तापमान रेंज के लिए

यदि बहुत अधिक तापमान दर्ज करने की आवश्यकता हो तो एक प्रकार के थर्मोकपल को सर्किट में पेश किया जा सकता है। प्रकार K थर्मोकपल -270 से 1370 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज को माप सकता है।

थर्मोकपल थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव के आधार पर काम करते हैं, तापमान में अंतर एक संभावित अंतर (वोल्टेज) पैदा करता है।

चूंकि थर्मोकपल दो तापमानों के अंतर के आधार पर काम करते हैं, इसलिए संदर्भ जंक्शन पर तापमान को जानना आवश्यक है।

थर्मोकपल के साथ मापने के दो तरीके हैं जिनका हम उपयोग कर सकते हैं:

एक PT100 सेंसर को संदर्भ जंक्शन पर रखा जा सकता है और संदर्भ वोल्टेज को माप सकता है।

थर्मोकपल के रेफरेंस जंक्शन को एक आइस बाथ में रखा जा सकता है जो एक स्थिर 0 डिग्री सेल्सियस होगा लेकिन इस परियोजना के लिए अव्यावहारिक होगा।

चरण 9: अवलोकन: डिफरेंशियल एम्पलीफायर स्टेज

डिफरेंशियल एम्पलीफायर बिल्ड का एक अभिन्न अंग है। डिफरेंशियल एम्पलीफायर एक सर्किट में अनिवार्य रूप से एक गैर-इनवर्टिंग और इनवर्टिंग एम्पलीफायर को जोड़ती है। बेशक किसी भी बिल्ड की तरह इसकी अपनी सीमाएं हैं, हालांकि जैसा कि अगले कुछ चरणों में दिखाया जाएगा, यह निश्चित रूप से 5V का सही आउटपुट प्राप्त करने में सहायता करता है।

चरण 10: डिफरेंशियल एम्पलीफायर के बारे में

डिफरेंशियल एम्पलीफायर एक ऑपरेशनल एम्पलीफायर है। यह व्हीटस्टोन ब्रिज से वोल्टेज आउटपुट को mV से V तक बढ़ाने के इस सर्किट डिजाइन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है और फिर इसे Arduino द्वारा वोल्टेज इनपुट के रूप में पढ़ा जाता है। यह एम्पलीफायर दो वोल्टेज इनपुट लेता है और दो संकेतों के बीच के अंतर को बढ़ाता है। इसे डिफरेंशियल वोल्टेज इनपुट कहा जाता है। अंतर वोल्टेज इनपुट तब एम्पलीफायर द्वारा बढ़ाया जाता है और एम्पलीफायर के आउटपुट पर देखा जा सकता है। एम्पलीफायर इनपुट पिछले खंड में व्हीटस्टोन ब्रिज के वोल्टेज डिवाइडर से प्राप्त किए जाते हैं।

चरण 11: लाभ और सीमाएं

डिफरेंशियल एम्पलीफायर पेशेवरों और विपक्षों के अपने हिस्से के साथ आता है। ऐसे एम्पलीफायर का उपयोग करने का मुख्य लाभ निर्माण में आसानी है। इस आसान निर्माण के परिणामस्वरूप, यह सर्किट के साथ आने वाली समस्या निवारण समस्याओं को आसान और अधिक कुशल बनाता है।

इस तरह के सर्किट का उपयोग करने का नुकसान यह है कि एम्पलीफायर के लाभ को समायोजित करने के लिए, प्रतिरोधों (फीडबैक रेसिस्टर और ग्राउंड कनेक्टेड रेसिस्टर) को निर्धारित करने वाले दोनों को स्विच आउट किया जाना चाहिए, जो कि समय लेने वाला हो सकता है। दूसरे op-amp में अपेक्षाकृत कम CMRR (कॉमन-मोड रिजेक्शन रेशियो) होता है जो इनपुट ऑफसेट वोल्टेज के प्रभाव को कम करने के लिए आदर्श नहीं है। इस प्रकार हमारे जैसे कॉन्फ़िगरेशन में, ऑफ़सेट वोल्टेज के प्रभाव को कम करने के लिए उच्च CMRR होना आवश्यक है।

चरण 12: वांछित आउटपुट लाभ का चयन

op-amp में सर्किट से जुड़े 4 प्रतिरोधक होते हैं। वोल्टेज इनपुट पर 2 मिलान प्रतिरोधक, दूसरा जमीन से जुड़ा हुआ है और साथ ही फीडबैक प्रतिरोधी भी है। ये दो प्रतिरोधक op-amp के इनपुट प्रतिबाधा के रूप में कार्य करते हैं। आम तौर पर, 10-100 किलोहम की सीमा में एक प्रतिरोधी पर्याप्त होना चाहिए, हालांकि एक बार इन प्रतिरोधी सेट हो जाने के बाद, वांछित आउटपुट लाभ इनपुट में से एक पर इनपुट प्रतिरोधी के इनपुट प्रतिरोधी के अनुपात के बराबर वांछित आउटपुट लाभ देकर निर्धारित किया जा सकता है। (आरएफ / रिन)।

ग्राउंड कनेक्टेड रेसिस्टर, साथ ही फीडबैक रेसिस्टर का मिलान किया जाता है। ये लाभ निर्धारित करने वाले प्रतिरोधक हैं। एक उच्च इनपुट प्रतिबाधा होने से, यह सर्किट पर लोडिंग के प्रभाव को कम करता है यानी डिवाइस के माध्यम से उच्च मात्रा में करंट को ड्राइविंग से रोकता है जो अनियंत्रित होने पर विनाशकारी प्रभाव डाल सकता है।

चरण 13: आर्डिनो माइक्रोकंट्रोलर

Arduino एक प्रोग्राम योग्य माइक्रोकंट्रोलर है जिसमें डिजिटल और एनालॉग I/O पोर्ट हैं। माइक्रोकंट्रोलर को एनालॉग इनपुट पिन के माध्यम से एम्पलीफायर से वोल्टेज को पढ़ने के लिए प्रोग्राम किया गया था। सबसे पहले, Arduino सर्किट आउटपुट रेंज 0-5 V से वोल्टेज को पढ़ेगा और इसे 0-1023 DU में बदल देगा और यह मान प्रिंट करेगा। इसके बाद, वोल्टेज मान प्राप्त करने के लिए एनालॉग मान को 5 से गुणा किया जाएगा और 1023 से विभाजित किया जाएगा। 0-100 C से तापमान रेंज के लिए सटीक पैमाना देने के लिए इस मान को 20 से गुणा किया जाएगा।

ऑफसेट और संवेदनशीलता मान प्राप्त करने के लिए, A0 पर इनपुट पिन से रीडिंग को PT100 के लिए अलग-अलग मानों के साथ लिया गया था और रेखीय समीकरण प्राप्त करने के लिए ग्राफ को प्लॉट किया गया था।

कोड जो इस्तेमाल किया गया था:

शून्य सेटअप () {Serial.begin (९६००); // कंप्यूटर के साथ सीरियल कनेक्शन शुरू करें

पिनमोड (ए0, इनपुट); // एम्पलीफायर से आउटपुट इस पिन से जुड़ा होगा

}

शून्य लूप ()

{फ्लोट ऑफ़सेट = ६.४७६२;

फ्लोट संवेदनशीलता = १.९९७१;

int AnalogValue = AnalogRead (A0); // A0 पर इनपुट पढ़ें

सीरियल.प्रिंट ("एनालॉग वैल्यू:");

Serial.println (एनालॉगवैल्यू); // इनपुट मूल्य प्रिंट करें

देरी (1000);

फ्लोट डिजिटलवैल्यू = (एनालॉगवैल्यू * 5) / (1023); // mul ५ से ०-१०० डिग्री की सीमा देने के लिए

Serial.print ("डिजिटल मान:");

Serial.println (डिजिटलवैल्यू); // एनालॉग वोल्टेज मान

फ्लोट अस्थायी = (एनालॉगवैल्यू - ऑफ़सेट)/संवेदनशीलता;

Serial.print ("तापमान मान:");

सीरियल.प्रिंट्लन (अस्थायी); // प्रिंट अस्थायी

देरी (5000);

}

चरण 14: समस्या निवारण

op-amp को 15V की आपूर्ति और व्हीटस्टोन ब्रिज और arduino को 5V की आपूर्ति एक समान होनी चाहिए। (सभी 0v मानों को एक साथ जोड़ने की आवश्यकता है।)

एक वोल्टमीटर का उपयोग यह सुनिश्चित करने के लिए किया जा सकता है कि प्रत्येक रोकनेवाला के बाद वोल्टेज गिरता है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि कोई शॉर्ट सर्किट न हो।

यदि परिणाम अलग-अलग हैं और असंगत हैं तो तार के प्रतिरोध को मापने के लिए वोल्टमीटर का उपयोग करके तारों का परीक्षण किया जा सकता है, यदि प्रतिरोध "ऑफ़लाइन" कहता है तो इसका मतलब है कि अनंत प्रतिरोध है और तार में एक खुला सर्किट है।

तार 10 ओम से कम होना चाहिए।

व्हीटस्टोन ब्रिज के पार वोल्टेज अंतर तापमान सीमा की न्यूनतम सीमा पर 0V होना चाहिए, यदि पुल संतुलित नहीं है तो यह हो सकता है:

प्रतिरोधों में एक सहनशीलता होती है, जिसका अर्थ है कि उनमें एक त्रुटि हो सकती है जिसके कारण व्हीटस्टोन ब्रिज असंतुलित हो सकता है, प्रतिरोधों को सर्किट से हटा दिए जाने पर वोल्टमीटर से जांचा जा सकता है। पुल को संतुलित करने के लिए श्रृंखला में या समानांतर में छोटे प्रतिरोधों को जोड़ा जा सकता है।

रुश्रृंखला=r1+r2

1/समानांतर = 1/r1 + 1/r2

चरण 15: पुनर्विक्रय

व्हीटस्टोन ब्रिज सेक्शन में एक अलग तापमान के लिए सिस्टम को रिस्केल करने का फॉर्मूला और तरीका पाया जा सकता है। एक बार जब ये मान मिल जाते हैं और सर्किट सेट हो जाता है:

PT100 को एक प्रतिरोधक बॉक्स से बदला जाना चाहिए, संलग्न पीडीएफ से प्राप्त उपयुक्त प्रतिरोध मूल्यों का उपयोग करके प्रतिरोध मूल्यों को नई तापमान सीमा से समायोजित किया जाना चाहिए।

मापा वोल्टेज और प्रतिरोध और एक्स अक्ष पर तापमान (प्रतिरोध) और वाई पर वोल्टेज के साथ एक्सेल में प्लॉट किया जाना चाहिए।

इस प्लॉट से एक सूत्र दिया जाएगा, ऑफसेट वह स्थिरांक होगा जो जोड़ा गया है और संवेदनशीलता x से गुणा की गई संख्या होगी।

इन मानों को कोड पर बदला जाना चाहिए और आपने सिस्टम को सफलतापूर्वक पुन: स्केल किया है।

चरण 16: Arduino सेट करना

सर्किट amp के आउटपुट को Arduino के A0 इनपुट पिन से कनेक्ट करें

एक पीसी पर यूएसबी पोर्ट के माध्यम से Arduino नैनो कनेक्ट करें।

कोड को Arduino स्केच कार्यक्षेत्र में पेस्ट करें।

कोड संकलित करें।

टूल्स> बोर्ड> अरुडिनो नैनो चुनें।

टूल्स> पोर्ट> COM पोर्ट चुनें।

कोड को Arduino पर अपलोड करें।

आउटपुट किया गया डिजिटल मान op-amp का वोल्टेज आउटपुट है (0-5V होना चाहिए)

तापमान मान वह सिस्टम है जो सेल्सियस में तापमान पढ़ता है।