Използвайте кондензатори за измерване на температурата: 9 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

Този проект възникна, защото купих кондензаторен комплект с основно X7R (добро качество) кондензатори, но някои от по -високите стойности 100nF и по -високи бяха по -евтините и по -малко стабилни Y5V диелектрици, които показват огромна промяна в температурата и работното напрежение. Обикновено не бих използвал Y5V в продукт, който проектирам, затова се опитах да намеря алтернативни приложения за тях, вместо да ги оставям да стоят на рафта завинаги.

Исках да видя дали промяната на температурата може да бъде използвана, за да се направи полезен и много евтин сензор, и както ще видите през следващите няколко страници, това беше доста просто, като се изискваше само още един компонент.

Стъпка 1: Теория

Първо помага да се знае малко за това как са конструирани кондензаторите и наличните типове. Керамичните кондензатори се състоят от няколко метални листа или „плочи“, разделени от изолатор, известен като диелектрик. Характеристиките на този материал (дебелина, вид керамика, брой слоеве) дават свойствата на кондензатора като работно напрежение, капацитет, температурен коефициент (промяна на капацитета с температурата) и работен температурен диапазон. Налични са доста диелектрици, но най -популярните са показани на графиката.

NP0 (наричан още C0G) - това са най -добрите, практически без промяна в температурата, но те са склонни да бъдат достъпни само за ниски стойности на капацитет в диапазона picoFarad и ниски nanoFarad.

X7R - те са разумни, само с малка процентна промяна в работния диапазон.

Y5V - както можете да видите, това са най -стръмните криви на графиката, с пик около 10C. Това донякъде ограничава полезността на ефекта, защото ако сензорът има възможност някога да падне под 10 градуса, ще бъде невъзможно да се определи коя страна на върха е.

Другите диелектрици, показани на графиката, са междинни стъпки между трите най -популярни, описани по -горе.

И така, как можем да измерим това? Микроконтролерът има логическо ниво, при което неговите входове се считат за високи. Ако зареждаме кондензатора чрез резистор (за да контролираме времето за зареждане), времето за достигане на високо ниво ще бъде пропорционално на стойността на капацитета.

Стъпка 2: Съберете вашите материали

Ще имаш нужда:

• Y5V кондензатори, използвах размер 100nF 0805.
• Малки парчета прототипна платка за монтиране на кондензатори.
• Топлозащита за изолиране на сензорите. Като алтернатива можете да ги потопите в епоксидна смола или да използвате изолационна лента.
• Мрежов кабел, който може да бъде свален, за да се получат 4 усукани двойки. Използването на усукани двойки не е задължително, но усукването помага за намаляване на електрическия шум.
• Микроконтролер - Използвах Arduino, но всеки ще го направи
• Резистори - Използвах 68k, но това зависи от размера на вашия кондензатор и от това колко точно искате да бъде измерването.

Инструменти:

• Поялник.
• Прототипна платка за монтиране на микроконтролера/Arduino.
• Топлинен пистолет за радиатора. Запалка може да се използва и с малко по -лоши резултати.
• Инфрачервен термометър или термодвойка, за калибриране на сензорите.
• Пинсети.

Стъпка 3: Запоявайте вашите кондензатори

Тук не са необходими обяснения - просто ги поставете на дъските си, като използвате предпочитания от вас метод за запояване, и прикрепете двата проводника.

Стъпка 4: Изолирайте сензорите

Поставете радиаторна тръба с подходящ размер върху сензорите, като се уверите, че няма открити краища, и я свийте с горещ въздух.

Стъпка 5: Монтирайте резистора и свържете сензора

Избрах следния извод.

PIN3: Изход

PIN2: Вход

Стъпка 6: Напишете софтуер

Основната техника на измерване е показана по -горе. За да обясните как работи, командата millis () връща броя милисекунди след включването на Arduino. Ако вземете показания в началото и края на измерването и извадите началната стойност от края, получавате времето в милисекунди за зареждане на кондензатора.

След измерването е много важно да поставите изходния щифт ниско, за да разредите кондензатора, и да изчакате подходящо време, преди да повторите измерването, така че кондензаторът да се разреди напълно. В моя случай секунда беше достатъчна.

След това изхвърлих резултатите от серийния порт, за да мога да ги наблюдавам. Първоначално открих, че милисекундите не са достатъчно точни (давайки само единична стойност на цифрата), затова го промених, за да използвам командата micros (), за да получа резултата в микросекунди, което, както бихте очаквали, беше около 1000 пъти предишната стойност. Стойността на околната среда при около 5000 се колебае значително, така че за по -лесно четене разделих на 10.

Стъпка 7: Извършете калибриране

Взех показания при 27.5C (стайна температура - горещо тук за Великобритания!), След това поставих снопа сензор в хладилника и ги оставих да се охладят до приблизително 10C, като проверих с инфрачервения термометър. Взех втори набор от показания, след което ги поставих във фурната при настройка на размразяване, като непрекъснато наблюдавах с термометър, докато станат готови да записват при 50C.

Както можете да видите от графиките по -горе, резултатите бяха доста линейни и последователни във всичките 4 сензора.

Стъпка 8: Софтуерен кръг 2

Сега промених софтуера си, използвайки функцията на картата Arduino, за да пренасоча горните и долните средни показания от графиките съответно на 10C и 50C.

Всичко работи по план, направих няколко проверки в температурния диапазон.

Стъпка 9: Резюме на проекта - плюсове и минуси

Ето го, температурен сензор за по -малко от 0,01 паунда в компоненти.

И така, защо не искате да направите това във вашия проект?

• Капацитетът варира с захранващото напрежение, така че трябва да използвате регулирано захранване (не може директно да се захранва от батерия) и ако решите да смените захранването, трябва да калибрирате сензорите отново.
• Капацитетът не е единственото нещо, което се променя с температурата - имайте предвид, че вашият висок праг на вход на вашия микроконтролер може да се промени с температурата и обикновено не се дефинира в листа с данни с никаква точност.
• Докато всичките ми 4 кондензатора бяха доста последователни, те бяха от една и съща партида и една и съща макара за компонент и честно казано нямам представа колко лоша би била вариацията между партиди.
• Ако искате да измервате само ниски температури (под 10C) или високи температури (над 10C), само това е ОК, но сравнително безполезно, ако трябва да измервате и двете.
• Измерването е бавно! Трябва да разредите напълно кондензатора, преди да можете да измервате отново.

Надявам се, че този проект ви е дал някои идеи и може би ще ви вдъхнови да използвате други компоненти за цели, различни от предвидените.