Użyj kondensatorów do pomiaru temperatury: 9 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Ten projekt powstał, ponieważ kupiłem zestaw kondensatorów głównie z kondensatorami X7R (dobrej jakości), ale niektóre z wyższych wartości 100nF i powyżej były tańszym i mniej stabilnym dielektrykiem Y5V, które wykazują ogromne zmiany temperatury i napięcia roboczego. Normalnie nie użyłbym Y5V w produkcie, który projektuję, więc starałem się znaleźć dla nich alternatywne zastosowania, zamiast pozostawiać je na półce w nieskończoność.

Chciałem sprawdzić, czy zmiana temperatury może zostać wykorzystana do stworzenia użytecznego i bardzo taniego czujnika, a jak zobaczycie na następnych kilku stronach, było to dość proste, wymagało tylko jednego innego komponentu.

Krok 1: Teoria

Po pierwsze, warto dowiedzieć się trochę o budowie kondensatorów i dostępnych typach. Kondensatory ceramiczne składają się z wielu blach lub „płytek” oddzielonych izolatorem, zwanym dielektrykiem. Charakterystyki tego materiału (grubość, rodzaj ceramiki, ilość warstw) dają kondensatorowi jego właściwości takie jak napięcie pracy, pojemność, współczynnik temperaturowy (zmiana pojemności wraz z temperaturą) oraz zakres temperatur pracy. Dostępnych jest sporo dielektryków, ale najbardziej popularne są pokazane na wykresie.

NP0 (zwane również C0G) - są najlepsze, praktycznie bez zmian temperatury, jednak są dostępne tylko dla niskich wartości pojemności w zakresie picoFarad i niskich nanoFarad.

X7R - są rozsądne, z niewielką zmianą procentową w zakresie roboczym.

Y5V - jak widać są to najbardziej stroma krzywa na wykresie, ze szczytem w okolicach 10C. Ogranicza to nieco użyteczność tego efektu, ponieważ jeśli czujnik ma możliwość zejścia poniżej 10 stopni, nie da się określić, po której stronie piku jest.

Pozostałe dielektryki pokazane na wykresie są pośrednimi krokami pomiędzy trzema najpopularniejszymi opisanymi powyżej.

Jak więc możemy to zmierzyć? Mikrokontroler ma poziom logiczny, na którym jego wejścia są uważane za wysokie. Jeśli ładujemy kondensator przez rezystor (w celu kontrolowania czasu ładowania), czas osiągnięcia wysokiego poziomu będzie proporcjonalny do wartości pojemności.

Krok 2: Zbierz swoje materiały

Będziesz potrzebować:

• Kondensatory Y5V, użyłem rozmiaru 100nF 0805.
• Małe kawałki płytki prototypowej do montażu kondensatorów.
• Termokurczliwa izolacja czujników. Alternatywnie możesz zanurzyć je w żywicy epoksydowej lub użyć taśmy izolacyjnej.
• Kabel sieciowy, który można rozebrać do 4 skręconych par. Używanie skrętek nie jest obowiązkowe, ale skręcenie pomaga zredukować szum elektryczny.
• Mikrokontroler - użyłem Arduino, ale każdy się nada
• Rezystory - użyłem 68k, ale to zależy od rozmiaru twojego kondensatora i tego, jak dokładny ma być pomiar.

Narzędzia:

• Lutownica.
• Płytka prototypowa do montażu mikrokontrolera/Arduino.
• Opalarka do koszulki termokurczliwej. Zapalniczki można używać również z nieco gorszymi wynikami.
• Termometr na podczerwień lub termopara do kalibracji czujników.
• Pinceta.

Krok 3: Przylutuj swoje kondensatory

Nie trzeba tutaj wyjaśniać - po prostu dopasuj je do swoich płyt za pomocą preferowanej metody lutowania i podłącz dwa przewody.

Krok 4: Zaizoluj czujniki

Załóż rurkę termokurczliwą o odpowiednim rozmiarze na czujniki, upewniając się, że żadne końce nie są odsłonięte, i obkurcz ją za pomocą gorącego powietrza.

Krok 5: Dopasuj rezystor i podłącz czujnik

Wybrałem następujący pinout.

PIN3: Wyjście

PIN2: Wejście

Krok 6: Napisz oprogramowanie

Powyżej przedstawiono podstawową technikę pomiaru. Aby wyjaśnić, jak to działa, użycie polecenia millis() zwraca liczbę milisekund od włączenia Arduino. Jeśli dokonasz odczytu na początku i na końcu pomiaru i odejmiesz wartość początkową od końca, uzyskasz czas ładowania kondensatora w milisekundach.

Po pomiarze bardzo ważne jest, aby ustawić pin wyjściowy w stanie niskim, aby rozładować kondensator, i odczekać odpowiednią ilość czasu przed powtórzeniem pomiaru, aby kondensator był całkowicie rozładowany. W moim przypadku wystarczyła sekunda.

Następnie wyrzuciłem wyniki z portu szeregowego, abym mógł je obserwować. Początkowo stwierdziłem, że milisekundy nie są wystarczająco dokładne (podając tylko jedną wartość cyfrową), więc zmieniłem to, aby użyć polecenia micros(), aby uzyskać wynik w mikrosekundach, który, jak można się spodziewać, był około 1000 razy większy od poprzedniej wartości. Wartość otoczenia na poziomie około 5000 wahała się znacznie, więc aby ułatwić czytanie podzieliłem przez 10.

Krok 7: Wykonaj kalibrację

Zrobiłem odczyty w 27,5C (temperatura pokojowa - gorąca tutaj w Wielkiej Brytanii!), a następnie umieściłem wiązkę czujników w lodówce i pozwoliłem im ostygnąć do około 10C, sprawdzając termometrem na podczerwień. Wziąłem drugi zestaw odczytów, a następnie włożyłem je do piekarnika ustawionego na rozmrażanie, stale monitorując termometrem, aż były gotowe do zapisu w temperaturze 50°C.

Jak widać na powyższych wykresach, wyniki były dość liniowe i spójne we wszystkich 4 czujnikach.

Krok 8: Runda oprogramowania 2

Teraz zmodyfikowałem moje oprogramowanie za pomocą funkcji mapy Arduino, aby ponownie zmapować górne i dolne średnie odczyty z wykresów odpowiednio na 10C i 50C.

Wszystko działa zgodnie z planem, wykonałem kilka kontroli w całym zakresie temperatur.

Krok 9: Podsumowanie projektu – plusy i minusy

Więc masz to, czujnik temperatury za mniej niż 0,01 GBP w komponentach.

Dlaczego więc nie chcesz tego zrobić w swoim projekcie?

• Pojemność zmienia się wraz z napięciem zasilania, dlatego należy użyć zasilacza regulowanego (nie można go zasilać bezpośrednio z akumulatora), a jeśli zdecydujesz się na zmianę zasilania, należy ponownie skalibrować czujniki.
• Pojemność nie jest jedyną rzeczą, która zmienia się wraz z temperaturą - należy wziąć pod uwagę, że wysoki próg wejściowy na mikrokontrolerze może zmieniać się wraz z temperaturą i zwykle nie jest on zdefiniowany w arkuszu danych z żadną precyzją.
• Chociaż moje 4 kondensatory były dość spójne, pochodziły z tej samej partii i tej samej szpuli z komponentami i szczerze mówiąc nie mam pojęcia, jak zła byłaby zmienność między partiami.
• Jeśli chcesz mierzyć tylko niskie temperatury (poniżej 10C) lub wysokie temperatury (powyżej 10C), tylko to jest w porządku, ale stosunkowo bezużyteczne, jeśli musisz mierzyć obie.
• Pomiar jest wolny! Musisz całkowicie rozładować kondensator, zanim będziesz mógł ponownie mierzyć.

Mam nadzieję, że ten projekt dostarczył Ci pomysłów i być może zainspiruje Cię do wykorzystania innych komponentów w celach innych niż te, które zostały zamierzone.