Mengukur Suhu Menggunakan PT100 dan Arduino: 16 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Tujuan dari proyek ini adalah untuk merancang, membangun dan menguji sistem penginderaan suhu. Sistem ini dirancang untuk mengukur rentang suhu 0 hingga 100 °C. PT100 digunakan untuk mengukur suhu, dan ini adalah detektor suhu resistansi (RTD) yang mengubah resistansinya tergantung pada suhu di sekitarnya.

Langkah 1: Aparat

1x PT100

1x papan tempat memotong roti

2x 2,15 kohm resistor

1x 100 ohm resistor

kabel

Sumber Daya listrik

Penguat diferensial

Langkah 2: Tentang PT100

Sebagai bagian dari proyek kami, kami ditugaskan untuk mengukur suhu lingkungan mulai dari 0 derajat hingga 100 derajat Celcius. Kami memutuskan untuk menggunakan PT100 karena alasan berikut:

PT100 adalah detektor suhu resistansi (RTD), yang dapat mengukur suhu dari -200 derajat hingga maksimum 850 derajat Celcius, tetapi biasanya tidak digunakan untuk mengukur suhu di atas 200 derajat. Kisaran ini sesuai dengan persyaratan kami.

Sensor ini menghasilkan resistansi untuk suhu sekitar tertentu. Hubungan antara suhu dan resistansi sensor adalah linier. Ini, bersama dengan pengaturan minimal yang dibutuhkan sensor, membuatnya mudah untuk bekerja dengan dan mezbah jika rentang suhu lain diperlukan di masa mendatang.

PT100 juga memiliki waktu respons yang lambat tetapi akurat. Karakteristik ini tidak memiliki banyak dampak pada tujuan kami dan dengan demikian tidak begitu berpengaruh saat memutuskan sensor suhu mana yang akan digunakan.

Langkah 3: Jembatan Wheatstone

Jembatan Wheatstone digunakan untuk mengukur hambatan listrik yang tidak diketahui dengan menyeimbangkan dua kaki dari rangkaian jembatan, satu kaki di antaranya termasuk komponen yang tidak diketahui.

Manfaat utama dari rangkaian ini adalah kemampuannya untuk mendapatkan rentang tegangan keluaran yang dimulai pada 0V.

Sebuah pembagi tegangan sederhana dapat digunakan tetapi tidak akan memungkinkan kita untuk menghilangkan setiap hadiah offset, yang akan membuat penguatan output tegangan kurang efektif.

Resistansi di PT100 bervariasi dari 100 hingga 138,5055 untuk suhu 0 hingga 100 derajat Celcius.

Rumus untuk jembatan Wheatstone di bawah ini, dapat digunakan untuk menskala ulang jembatan Wheatstone untuk rentang yang berbeda yang didapat dari tabel pdf terlampir.

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

Dalam skenario kami:

R2 akan menjadi resistansi PT100 kami.

R1 akan sama dengan R3.

R4 harus sama dengan 100 ohm untuk menghasilkan 0V pada 0 derajat Celcius.

Mengatur Vout ke 0V dan Vin ke 5V memungkinkan kita untuk mendapatkan nilai resistansi untuk R1 dan R2 = 2.2k ohm.

Kami kemudian dapat memasukkan 138.5055 ohm untuk resistansi sensor untuk mendapatkan tegangan output kami pada 100 derajat Celcius = 80mV

Langkah 4: Simulasi Sirkuit

Alat untuk mensimulasikan sirkuit, OrCAD Capture digunakan untuk mensimulasikan sirkuit kami dan menemukan output Tegangan yang diharapkan pada suhu yang berbeda. Ini akan digunakan nanti untuk membandingkan seberapa akurat sistem kami.

Rangkaian disimulasikan dengan melakukan analisis waktu transien dengan sapuan paramatik yang memvariasikan resistansi pt100 dari 100 ohm hingga 138,5055 ohm dalam langkah 3,85055 ohm.

Langkah 5: Hasil Simulasi

Hasil di atas menunjukkan hubungan linier dari Tegangan keluaran rangkaian dan nilai resistansi.

Hasilnya kemudian diinput ke excel dan diplot. Excel menyediakan rumus linier yang terkait dengan nilai-nilai ini. Mengkonfirmasi linearitas dan rentang tegangan keluaran sensor.

Langkah 6: Membuat Sirkuit

Rangkaian itu disatukan menggunakan dua resistor 2.2k ohm dan resistor 100 ohm.

Resistor memiliki toleransi +-5%. Nilai resistansi yang berbeda menyebabkan jembatan menjadi tidak seimbang pada 0 derajat.

Resistor paralel ditambahkan secara seri ke resistor 100 ohm untuk menambahkan jumlah resistansi nominal untuk mendapatkan R4 sedekat mungkin dengan 100 ohm.

Ini menghasilkan tegangan output 0,00021V yang sangat dekat dengan 0V.

R1 adalah 2, 1638 ohm dan R3 adalah 2, 1572 ohm. Lebih banyak resistor dapat dihubungkan untuk membuat R1 dan R3 persis sama, memberikan jembatan yang seimbang sempurna.

kemungkinan kesalahan:

kotak resistor variabel yang digunakan untuk menguji nilai suhu yang berbeda bisa jadi tidak akurat

Langkah 7: Hasil Terukur

Hasil pengukuran dapat dilihat di bawah ini.

Perubahan suhu diukur menggunakan kotak resistor variabel, untuk mengatur resistansi R2 ke resistansi berbeda yang dapat ditemukan di lembar data PT100.

Rumus yang ditemukan di sini akan digunakan sebagai bagian dari kode untuk menentukan keluaran suhu.

Langkah 8: Untuk Rentang Suhu yang Jauh Lebih Besar

Termokopel Tipe K dapat dimasukkan ke sirkuit jika suhu yang sangat tinggi perlu dicatat. Termokopel tipe K dapat mengukur rentang suhu -270 hingga 1370 derajat Celcius.

Termokopel beroperasi berdasarkan efek termoelektrik, Perbedaan suhu menghasilkan perbedaan potensial (Tegangan).

Karena Termokopel beroperasi berdasarkan perbedaan dua suhu, suhu di persimpangan referensi perlu diketahui.

Ada dua metode pengukuran dengan termokopel yang bisa kita gunakan:

Sensor PT100 dapat ditempatkan di persimpangan referensi dan mengukur tegangan referensi

Sambungan referensi termokopel dapat ditempatkan dalam penangas es yang akan menjadi konstan 0 derajat Celcius tetapi tidak praktis untuk proyek ini

Langkah 9: Ikhtisar: Tahap Penguat Diferensial

Penguat diferensial merupakan bagian integral dari build. Penguat diferensial menggabungkan apa yang pada dasarnya adalah penguat non-pembalik dan pembalik menjadi satu rangkaian. Tentu saja seperti halnya dengan build apa pun, ia memiliki keterbatasannya sendiri, tetapi seperti yang akan ditunjukkan pada beberapa langkah berikutnya, itu pasti membantu dalam mendapatkan output 5V yang benar.

Langkah 10: Tentang Penguat Diferensial

Penguat diferensial adalah penguat operasional. Ini memainkan peran kunci dalam desain sirkuit ini untuk memperkuat output tegangan dari jembatan Wheatstone dalam mV ke V dan kemudian dibaca sebagai input tegangan oleh Arduino. Penguat ini mengambil dua input tegangan dan memperkuat perbedaan antara dua sinyal. Ini disebut input tegangan diferensial. Input tegangan diferensial kemudian diperkuat oleh amplifier dan dapat diamati pada output amplifier. Masukan penguat diperoleh dari pembagi tegangan jembatan Wheatstone pada bagian sebelumnya.

Langkah 11: Manfaat dan Keterbatasan

Penguat diferensial hadir dengan kelebihan dan kekurangannya sendiri. Manfaat utama menggunakan penguat semacam itu adalah untuk kemudahan konstruksi. Sebagai hasil dari konstruksi yang mudah ini, pemecahan masalah yang dihadapi dengan sirkuit menjadi lebih mudah dan lebih efisien.

Kontra menggunakan rangkaian seperti itu adalah bahwa untuk menyesuaikan penguatan penguat, resistor penentu penguatan (resistor umpan balik dan resistor yang terhubung ke ground) keduanya harus dimatikan, yang dapat memakan waktu lama. Kedua, op-amp memiliki CMRR (rasio penolakan mode umum) yang relatif rendah yang tidak ideal untuk mengurangi pengaruh tegangan offset input. Jadi dalam konfigurasi seperti kita, memiliki CMRR tinggi sangat penting dalam mengurangi efek tegangan offset.

Langkah 12: Memilih Penguatan Output yang Diinginkan

Op-amp memiliki 4 resistor yang terhubung ke sirkuit. 2 resistor yang cocok pada input tegangan, yang lain terhubung ke ground serta resistor umpan balik. Kedua resistor ini berfungsi sebagai impedansi input op-amp. Biasanya, resistor dalam kisaran 10-100 kilohm sudah cukup, namun begitu resistor ini telah ditetapkan, penguatan dapat ditentukan dengan membiarkan penguatan keluaran yang diinginkan sama dengan rasio resistor umpan balik dengan resistor input di salah satu input. (Rf/Rin).

Resistor yang terhubung ke ground, serta resistor umpan balik, dicocokkan. Ini adalah resistor penentu keuntungan. Dengan memiliki impedansi input yang tinggi, ini meminimalkan efek pembebanan pada rangkaian, yaitu mencegah arus dalam jumlah besar melewati perangkat yang dapat memiliki efek merusak jika tidak dikendalikan.

Langkah 13: ARDUINO MIKROKONTROLER

Arduino adalah mikrokontroler yang dapat diprogram yang menampilkan port I/O digital dan analog. Mikrokontroler diprogram untuk membaca tegangan dari amplifier melalui pin input analog. Pertama, Arduino akan membaca tegangan dari rangkaian output range 0-5 V dan mengubahnya menjadi 0-1023 DU dan akan mencetak nilainya. Selanjutnya nilai analog akan dikalikan 5 dan dibagi 1023 untuk mendapatkan nilai tegangan. Nilai ini akan dikalikan dengan 20 untuk memberikan skala yang tepat untuk rentang suhu dari 0-100 C.

Untuk mendapatkan nilai offset dan sensitivitas, pembacaan dari pin input pada A0 diambil dengan nilai yang berbeda untuk PT100 dan grafiknya diplot untuk mendapatkan persamaan linier.

Kode yang digunakan:

void setup() { Serial.begin(9600); //mulai koneksi serial dengan komputer

pinMode (A0, INPUT); //output dari amplifier akan dihubungkan ke pin ini

}

lingkaran kosong()

{ float offset = 6,4762;

sensitivitas mengambang = 1,9971;

int AnalogValue = analogRead(A0); //Baca input pada A0

Serial.print("Nilai Analog: ");

Serial.println(Nilai Analog); //cetak nilai input

penundaan (1000);

float Nilai Digital = (Nilai Analog * 5) / (1023); //mul dengan 5 untuk memberikan kisaran 0-100 derajat

Serial.print("Nilai Digitalnya: ");

Serial.println(Nilai Digital); //nilai tegangan analog

float temp = (Nilai Analog - offset)/sensitivitas;

Serial.print("Nilai suhu: ");

Serial.println(temp); //suhu cetak

penundaan(5000);

}

Langkah 14: Pemecahan Masalah

Pasokan 15V ke op-amp dan 5V ke jembatan wheatstone dan arduino harus memiliki kesamaan. (semua nilai 0v harus dihubungkan bersama.)

Sebuah Voltmeter dapat digunakan untuk memastikan bahwa tegangan turun setelah setiap resistor untuk membantu memastikan tidak ada korsleting.

Jika hasilnya bervariasi dan tidak konsisten kabel yang digunakan dapat diuji dengan menggunakan voltmeter untuk mengukur resistansi kabel, jika resistansi mengatakan "offline" berarti ada resistansi tak terbatas dan kabel memiliki rangkaian terbuka.

Kabel harus kurang dari 10 ohm.

Perbedaan tegangan melintasi jembatan wheatstone harus 0V pada kisaran minimum kisaran suhu, jika jembatan tidak seimbang bisa karena:

resistor memiliki toleransi, yang berarti mereka dapat memiliki kesalahan yang dapat menyebabkan jembatan wheatstone menjadi tidak seimbang, resistansi dapat diperiksa dengan voltmeter jika dilepas dari rangkaian. resistor yang lebih kecil dapat ditambahkan secara seri atau paralel untuk menyeimbangkan jembatan.

Deret R=r1+r2

1/Rparalel = 1/r1 + 1/r2

Langkah 15: Penskalaan ulang

Rumus dan metode untuk mengubah skala sistem untuk suhu yang berbeda dapat ditemukan di bagian jembatan wheatstone. Setelah nilai-nilai ini ditemukan dan rangkaian diatur:

PT100 harus diganti dengan kotak resistor, Nilai resistansi harus disesuaikan dari kisaran suhu baru menggunakan nilai resistansi yang sesuai yang diperoleh dari pdf terlampir.

Tegangan dan hambatan yang terukur dan harus diplot dalam excel dengan suhu (resistansi) pada sumbu x dan tegangan pada sumbu y.

Sebuah rumus akan diberikan dari plot ini, offset akan menjadi konstanta yang ditambahkan dan sensitivitas akan menjadi angka dikalikan dengan x.

Nilai-nilai ini harus diubah pada kode dan Anda telah berhasil mengubah skala sistem.

Langkah 16: Menyiapkan Arduino

hubungkan output dari rangkaian amp ke pin input A0 dari Arduino

Hubungkan Arduino Nano melalui port USB di PC.

rekatkan kode ke ruang kerja sketsa Arduino.

Kompilasi kode.

Pilih Alat > Papan > Pilih Arduino Nano.

Pilih Alat > Port > Pilih port COM.

Unggah kode ke Arduino.

Nilai digital yang dikeluarkan adalah tegangan keluaran op-amp (harus 0-5V)

Nilai suhu adalah sistem membaca suhu dalam Celcius.