Sıcaklık Ölçme

Problemin Tanımı

Ortamdaki sıcaklık bilgisinin doğru olarak ölçümü
Performans
Maliyet
  Optik Sensör
  Isıl Çift
  Sayısal Sensörler
  RTD
  NTC, PTC
Direnç değerinin değişiminin sistem tarafından algılaması
Küçük bir aralıktaki değişimi voltaj spektrumunun bütününe yaymak

ADC - Analog Digital Converter (Analog Sayısal Çevirici)

Giriş genlik bilgisini belli aralıklarda örnekleyerek, bir referans genliği ile arasındaki oranı eş zamanlı olarak sayısal bir formda çıkışa aktaran yapı
ADC kuantalama ve kodlama işlemleri ile sonuç çıkarımını gerçekleştirir
ADC mimarisi iki temel ihtiyaca göre tasarlanır
Hız
Hassasiyet

RTD

RTD sıcaklık değişimlerini lineer bir direnç değişimi cevabına çeviren sensörlerdir.
RTD mesafeden çok fazla etkilenmez
Sıcaklık cevabı hızlıdır
NTC ve PTC den pahalıdır
Optik ve Sayısal sensörlerden ucuzdur
Isıl çiftler ölçüm sistemi için daha pahalı bir donanıma ihtiyaç duyarlar
Isıl çiftlerin optimize edilmeleri ve kontrol yazılımları daha karmaşıktır

OPAMP

OPAMP endüstriyel uygulamalarda sıkça kullanılır
Matematiksel işlemler için oldukça elverişli bir yapısı vardır
Türev, İntegral
Fark, Toplam, Çarpma, Bölme.....
Matematiksel olarak ifade özgürlüğü sistem modellemeyi mümkün kılmaktadır
Düşük güç tüketimli hızlı cevap üreten yapılardır
Eşzamanlı değişimleri takip etmek ve cevap üretmek için uygundur
Sayısal ve analog sistemlerde rahatlıkla kullanılırlar
Kuvvetlendirici ve saturasyon modunda kullanılabilirler

WIEN KÖPRÜ DEVRESİ

Wien Köprüsü kol akımlarının değeri ile genlik cevabı üreten bir yapıdır.
Fark kuvvetlendirici devrelere giriş değeri üretmek için son derece uygundur
Wien köprüsü 4 direnç toplamından ibarettir
Değişim bir koldan takip edilir
Değişimin izlendiği sensör ile diğer dirençlerin aynı elektriksel ortamda, değişken gürültü ve çevresel faktörler ile değerlendirilmesini sağlar.
Wien köprü devresi bir çok uygulamada kullanılan temel yapılardandır.

ÖLÇÜM DEVRESİ

Ölçüm devresinde OPAMP ile Wien Köprü devresi birleştirilmiştir. Köprü devresinden alınan genlik bilgisi fark kuvvetlendiricinin girişine uygulanır.

Vout = - Kazanç x [(Vin-) – (Vin+)]
Kazanç = Rf / Ri = 100K / 22K = 4.55
Vout = - 4.55 x [(Vin-) – (Vin+)]
(Vin-) = Vcc x R1 / (R1+R2)
(Vin-) = 5V x 820 / (820+820) =2.5V
(Vin+) = Vcc x R3 / (Rsensör+R3)
(Vin+) = 5V x 820 / (Rsensör+820)
Vout = - 4.55 x [(2.5) – (Vin+)]
Vout = 4.55 x (Vin+) – 11.375
Vout = 4.55 x (5V x 820 / (Rsensör+820)) – 11.375

Sıcaklık Rsensör Vout 
(C) 	(ohm)	(Volt)
-20	820 	0 
-10 	775 	0.30
 0  	740 	0.58
 10 	705 	0.86
 20 	670 	1.15
 30 	635 	1.45
 40 	600 	1.76
 50 	565 	2.09
 60 	530 	2.44
 70 	495 	2.81
 80 	460 	3.20
 90 	425 	3.60
100 	390 	4.04
110 	355 	4.50
120 	320 	4.99

Köprü devresindeki değişimin miktarı –20 ile 120 derece arasında RTD direnç değişimine göre hesaplanacak olursa eğer

(Vin+) = 5V x 820 / (Rsensör+820)
-20 C için: (Vin+) = 5V x 820 / (820+820) = 2.5V
120 C için: (Vin+) = 5V x 820 / (320+820) = 3.6V

Köprü değişimi;

-20 C için: (Vin-) – (Vin+) = 2.5V – 2.5V = 0V
120 C için: (Vin-) – (Vin+) = 2.5V – 3.6V = 1.1V

Görüldüğü gibi full scala ADC çıkış sağlamak için 1.1V voltaj değişimi kullanılmıştır.

ADC modülü cevabı aşağıdaki gibi olacaktır. Çıkış değeri 0 ile 1024 arasında Vreferans voltajı ile Vgiriş voltajının oranı nispetinde olacaktır.

Çıkış / Vgiriş = 10 bit / Vreferans
Çıkış / Vgiriş = 1024 / Vreferans
Çıkış = (1024 / Vreferans) x Vgiriş

MİKRODENETLEYİCİ İLE SICAKLIK ÖLÇÜMÜ

Mikrodenetleyici işlem birimleri, hafıza elemanları gibi çevresel donanımlara sahip bir kontrol elemanıdır.

ADC bazı mikrodentleyicilerin içerisinde olan bir yapıdır.

Mikrodenetleyici çevresel işlem birimlerinden aldıkları verileri, istenilen algoritmayı kullanarak, istenilen matematiksel formda yorumlamaya yarar

ADC çıkışları işlemci registerleri ile irtibatlandırılmış durumdadır. Bu register istenildiğinde okunarak verilerin işlenmesi sağlanır

ALGORTİMA

Mikrodentleyicinin ADC den aldığı veriyi ne şekilde değerlendirip, verilere cevap olarak hangi çıkışları üreteceği bir algoritma ile şekillendirilir ve bu gömülü yazılım haline getirilir.

Donanımlarda esneklik yazılım ile sağlanır.

Sistemde kullanılan dirençler belli bir hata toleransı ile üretilirler ve bu toleranslar ölçüm devresinde hatalı sonuçların meydana gelmesine sebep olurlar. Oluşan hataların tolare edilmesi gerekir. Hataların tolare edilmesi için optimum değerlerin, doğru olarak kullanıldığı gerçek ölçülerle üretilmiş bir devre yapılır. Bu devre referans olarak alınır. Referans devreden alınan sonuçlar, deneme devresine girilir.

Mikrodenetleyicideki yazılım tolerans farkını değerlendirir ve bunu sonuca yansıtır.

Algoritma

ADC modülünü aktif eder
ADC cevabını okur
ADC cevabını sıcaklık formülüne girer
Hata toleransı menüsü ile gerçek cevaplar üretir
Giriş verilerine uygun istenilen çıkış değerlerini üretir

Lineer RTD sensörü ile sıcaklık bilgisinin hesaplanması

Vout = 4.55 x (5V x 820 / (Rsensör+820)) – 11.375
Rsensör = 820 x (4.55 x 5 – (Vout – 11.375)) / (Vout + 11.375)
Rsensör = 820 x (11.375–Vout) / (Vout + 11.375)

If Rsensör >= 740
Sıcaklık ( C) = (740 – Rsensör)/3.5

If Rsensör < 740
Sıcaklık ( C) = -1 x (820 – Rsensör)/3.5