Koristite kondenzatore za mjerenje temperature: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Do ovog projekta je došlo zato što sam kupio komplet kondenzatora s uglavnom X7R (dobre kvalitete) kondenzatore, ali neke od većih vrijednosti 100nF i više bile su jeftiniji i manje stabilan Y5V dielektrik, koji pokazuju veliku promjenu temperature i radnog napona. Obično ne bih koristio Y5V u proizvodu koji dizajniram, pa sam pokušao pronaći alternativnu primjenu umjesto da im dopustim da zauvijek sjede na polici.

Htio sam vidjeti može li se promjena temperature iskoristiti za izradu korisnog i vrlo jeftinog senzora, a kao što ćete vidjeti na sljedećih nekoliko stranica to je bilo prilično jednostavno, sa samo još jednom potrebnom komponentom.

Korak 1: Teorija

Prvo pomaže da se sazna malo o tome kako su konstruirani kondenzatori, te o dostupnim tipovima. Keramički kondenzatori sastoje se od nekoliko metalnih limova ili „ploča“odvojenih izolatorom, poznatim kao dielektrik. Karakteristike ovog materijala (debljina, vrsta keramike, broj slojeva) daju kondenzatoru njegova svojstva kao što su radni napon, kapacitet, temperaturni koeficijent (promjena kapaciteta s temperaturom) i raspon radne temperature. Dostupno je dosta dielektrika, ali najpopularniji su prikazani na grafikonu.

NP0 (koji se naziva i C0G) - oni su najbolji, gotovo bez promjene temperature, ali su dostupni samo za niske vrijednosti kapacitivnosti u rasponu picoFarad i niskih nanoFarad.

X7R - oni su razumni, sa malim postotkom promjene u radnom rasponu.

Y5V - kao što vidite ovo su najstrmije krive na grafikonu, sa vrhom oko 10C. Ovo donekle ograničava korisnost efekta, jer ako senzor ima mogućnost da ikada padne ispod 10 stepeni, neće biti moguće odrediti sa koje je strane vrha.

Ostali dielektrici prikazani na grafikonu su međukoraci između tri gore opisana najpopularnija.

Pa kako to možemo izmjeriti? Mikrokontroler ima logički nivo na kojem se njegovi ulazi smatraju visokim. Ako kondenzator punimo preko otpornika (za kontrolu vremena punjenja), vrijeme za postizanje visokog nivoa bit će proporcionalno vrijednosti kapacitivnosti.

Korak 2: Prikupite materijale

Trebat će vam:

• Y5V kondenzatori, koristio sam veličinu 100nF 0805.
• Mali komadići ploče za izradu prototipa za postavljanje kondenzatora.
• Heatshrink za izolaciju senzora. Alternativno, možete ih umočiti u epoksid ili upotrijebiti izolacijsku traku.
• Mrežni kabel koji se može skinuti kako bi se dobila 4 upletena para. Upotreba upletenih parova nije obavezna, ali uvijanje pomaže u smanjenju električne buke.
• Mikrokontroler - koristio sam Arduino, ali bilo koji će uspjeti
• Otpornici - koristio sam 68 k, ali to ovisi o veličini vašeg kondenzatora i o tome koliko želite da mjerenje bude precizno.

Alati:

• Lemilica.
• Ploča za izradu prototipa za postavljanje mikrokontrolera/Arduino.
• Toplotni pištolj za hladnjak. Upaljač za cigarete se može koristiti i sa nešto lošijim rezultatima.
• Infracrveni termometar ili termoelement za kalibraciju senzora.
• Pinceta.

Korak 3: Lemite svoje kondenzatore

Ovdje nije potrebno nikakvo objašnjenje - samo ih postavite na ploče koristeći željenu metodu lemljenja i pričvrstite dvije žice.

Korak 4: Izolirajte senzore

Postavite cijev hladnjaka odgovarajuće veličine na senzore pazeći da joj krajevi nisu izloženi i skupite je vrućim zrakom.

Korak 5: Postavite otpornik i spojite senzor

Odabrao sam sljedeći pinout.

PIN3: Izlaz

PIN2: Ulaz

Korak 6: Napišite softver

Osnovna tehnika mjerenja prikazana je gore. Da biste objasnili kako to funkcionira, pomoću naredbe millis () vraća se broj milisekundi od uključivanja Arduina. Ako očitate na početku i na kraju mjerenja i oduzmete početnu vrijednost od kraja, dobivate vrijeme u milisekundama za punjenje kondenzatora.

Nakon mjerenja, vrlo je važno da postavite niski izlazni pin za pražnjenje kondenzatora i pričekate odgovarajuće vrijeme prije nego što ponovite mjerenje tako da se kondenzator potpuno isprazni. U mom slučaju sekunda je bila dovoljna.

Zatim sam izbacio rezultate iz serijskog porta kako bih ih mogao promatrati. U početku sam otkrio da milisekunde nisu dovoljno točne (dajući samo jednu vrijednost), pa sam ih promijenio tako da pomoću naredbe micros () dobijem rezultat u mikrosekundama, što je, kako ste očekivali, oko 1000x prethodne vrijednosti. Ambijentalna vrijednost na oko 5000 značajno je fluktuirala, pa sam radi lakšeg čitanja podijelio s 10.

Korak 7: Izvršite kalibraciju

Uzeo sam očitanja na 27,5 ° C (sobna temperatura - ovdje je vruće za Veliku Britaniju!), A zatim snop senzora stavio u hladnjak i ostavio da se ohladi na približno 10 ° C, provjeravajući infracrvenim termometrom. Uzeo sam drugi set očitanja, zatim ih stavio u pećnicu na postavku odmrzavanja, neprestano ih kontrolirajući termometrom dok nisu bili spremni za snimanje na 50 ° C.

Kao što možete vidjeti iz gornjih grafikona, rezultati su bili prilično linearni i dosljedni na sva 4 senzora.

Korak 8: Drugi krug softvera

Sada sam izmijenio svoj softver pomoću funkcije Arduino map, kako bih gornje i donje prosječno očitanje preslikao s grafikona na 10C i 50C respektivno.

Sve radi po planu, obavio sam nekoliko provjera u temperaturnom rasponu.

Korak 9: Sažetak projekta - prednosti i nedostaci

Dakle, evo ga, senzor temperature za manje od 0,01 funti u komponentama.

Pa, zašto ne biste to htjeli učiniti u svom projektu?

• Kapacitet se mijenja s naponom napajanja, pa morate koristiti regulirano napajanje (ne može se direktno napajati iz baterije), a ako odlučite promijeniti napajanje, morate ponovno kalibrirati senzore.
• Kapacitet nije jedino što se mijenja s temperaturom - uzmite u obzir da se vaš visoki ulazni prag na vašem mikrokontroleru može promijeniti s temperaturom i obično nije definiran s preciznošću u podatkovnoj tablici.
• Iako su moja 4 kondenzatora bila prilično konzistentna, bili su iz iste serije i iste komponente rolne i iskreno nemam pojma koliko bi varijacija serija u seriju bila loša.
• Ako želite mjeriti samo niske temperature (ispod 10C) ili visoke temperature (iznad 10C), samo je ovo u redu, ali relativno beskorisno ako trebate mjeriti oboje.
• Merenje je sporo! Prije ponovnog mjerenja morate potpuno isprazniti kondenzator.

Nadam se da vam je ovaj projekt dao neke ideje i možda vas inspirirao da koristite druge komponente za druge namjene.