Na meranie teploty použite kondenzátory: 9 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Tento projekt vznikol, pretože som si kúpil súpravu kondenzátorov hlavne s kondenzátormi X7R (dobrej kvality), ale niektoré z vyšších hodnôt 100nF a vyššie boli lacnejšie a menej stabilné dielektrikum Y5V, ktoré vykazujú obrovskú zmenu teploty a prevádzkového napätia. Normálne by som Y5V nepoužíval v produkte, ktorý navrhujem, a tak som sa pokúsil nájsť pre nich alternatívne využitie, než ich nechať navždy sedieť na poličke.

Chcel som zistiť, či je možné zmenu teploty využiť na výrobu užitočného a veľmi lacného snímača, a ako uvidíte na nasledujúcich stranách, bolo to celkom jednoduché, pričom bol potrebný iba jeden ďalší komponent.

Krok 1: Teória

Najprv pomôže vedieť trochu o tom, ako sú kondenzátory konštruované a aké sú dostupné typy. Keramické kondenzátory pozostávajú z niekoľkých plechov alebo „dosiek“oddelených izolátorom, známym ako dielektrikum. Charakteristiky tohto materiálu (hrúbka, druh keramiky, počet vrstiev) poskytujú kondenzátoru jeho vlastnosti, ako napríklad prevádzkové napätie, kapacita, teplotný koeficient (zmena kapacity s teplotou) a rozsah prevádzkových teplôt. Existuje niekoľko dielektrikov, ale najobľúbenejšie sú zobrazené na grafe.

NP0 (tiež nazývaný C0G) - tieto sú najlepšie, prakticky bez zmeny teploty, ale spravidla sú k dispozícii iba pre nízke hodnoty kapacity v rozsahu picoFarad a nízke nanoFarad.

X7R - sú rozumné, s iba malou percentuálnou zmenou v prevádzkovom rozsahu.

Y5V - ako vidíte, toto sú najstrmšie krivky na grafe, s vrcholom okolo 10 ° C. To trochu obmedzuje užitočnosť efektu, pretože ak má senzor možnosť niekedy klesnúť pod 10 stupňov, nebude možné určiť, ktorá strana vrcholu je.

Ostatné dielektriká zobrazené na grafe sú medzikrokmi medzi troma najpopulárnejšími opísanými vyššie.

Ako to teda môžeme zmerať? Mikrokontrolér má logickú úroveň, na ktorej sú jeho vstupy považované za vysoké. Ak nabíjame kondenzátor cez odpor (na ovládanie doby nabíjania), čas na dosiahnutie vysokej úrovne bude úmerný hodnote kapacity.

Krok 2: Zhromaždite svoje materiály

Budete potrebovať:

• Kondenzátory Y5V, použil som veľkosť 100nF 0805.
• Malé kúsky prototypovacej dosky na montáž kondenzátorov.
• Heatshrink na izoláciu senzorov. Alternatívne ich môžete namočiť do epoxidu alebo použiť izolačnú pásku.
• Sieťový kábel, ktorý je možné odstrániť, poskytne 4 krútené páry. Používanie krútených párov nie je povinné, ale krútenie pomáha znižovať elektrický šum.
• Mikrokontrolér - Použil som Arduino, ale bude to fungovať
• Rezistory - použil som 68 tis., Ale to závisí od veľkosti vášho kondenzátora a od presnosti merania.

Náradie:

• Spájkovačka.
• Prototypová doska na montáž mikrokontroléra/Arduino.
• Tepelná pištoľ pre chladič. Zapaľovač cigariet je možné použiť aj s mierne horšími výsledkami.
• Infračervený teplomer alebo termočlánok na kalibráciu senzorov.
• Pinzeta

Krok 3: Spájkujte kondenzátory

Tu nie je potrebné žiadne vysvetlenie - jednoducho ich namontujte na dosky pomocou vami zvolenej metódy spájkovania a pripevnite dva drôty.

Krok 4: Izolujte snímače

Nasaďte na snímače vhodne veľkú zmršťovaciu trubicu a uistite sa, že nie sú odhalené žiadne konce, a stiahnite ju horúcim vzduchom.

Krok 5: Namontujte odpor a pripojte snímač

Vybral som nasledujúci pinout.

PIN3: Výstup

PIN2: Vstup

Krok 6: Napíšte softvér

Základná technika merania je uvedená vyššie. Aby sme vysvetlili, ako to funguje, pomocou príkazu millis () sa vráti počet milisekúnd od spustenia Arduina. Ak odčítate údaje na začiatku a na konci merania a od konca odpočítate počiatočnú hodnotu, získate čas v milisekundách na nabitie kondenzátora.

Po meraní je veľmi dôležité, aby ste nastavili výstupný kolík nízko na vybitie kondenzátora a pred opakovaním merania počkajte primeraný čas, aby sa kondenzátor úplne vybil. V mojom prípade stačila sekunda.

Výsledky som potom vyhodil zo sériového portu, aby som ich mohol pozorovať. Pôvodne som zistil, že milisekundy neboli dostatočne presné (pričom poskytovali iba jednu číselnú hodnotu), a tak som to zmenil na použitie príkazu micros () na získanie výsledku v mikrosekundách, ktorý, ako by ste očakávali, bol približne 1000 -násobok predchádzajúcej hodnoty. Okolitá hodnota okolo 5 000 výrazne kolísala, takže kvôli lepšiemu čítaniu som delil 10.

Krok 7: Vykonajte kalibráciu

Odčítal som hodnoty pri 27,5 ° C (izbová teplota - v Británii veľmi horúce!), Potom som umiestnil zväzok senzorov do chladničky a nechal som ich vychladnúť na približne 10 ° C a skontroloval som infračerveným teplomerom. Vykonal som druhú sadu nameraných hodnôt, potom som ich vložil do rúry na rozmrazovanie a nepretržite sledoval teplomer, kým neboli pripravené na záznam pri 50 ° C.

Ako vidíte z grafov vyššie, výsledky boli celkom lineárne a konzistentné pre všetky 4 senzory.

Krok 8: 2. kolo softvéru

Teraz som svoj softvér upravil pomocou mapovej funkcie Arduino, aby som z grafov premapoval horné a dolné priemerné hodnoty na 10 ° C a 50 ° C.

Všetko funguje podľa plánu, vykonal som niekoľko kontrol v celom teplotnom rozsahu.

Krok 9: Zhrnutie projektu - výhody a nevýhody

Takže tu to máte, teplotný senzor za menej ako 0,01 GBP v komponentoch.

Prečo by ste to teda nechceli urobiť vo svojom projekte?

• Kapacita kolíše s napájacím napätím, preto musíte použiť regulovaný zdroj (nemôže napájať priamo batériu) a ak sa rozhodnete zmeniť napájanie, musíte senzory znova kalibrovať.
• Kapacita nie je jediná vec, ktorá sa mení s teplotou - vezmite do úvahy, že váš vysoký vstupný prah na vašom mikrokontroléri sa môže meniť s teplotou a v údajovom liste to zvyčajne nie je definované s akoukoľvek presnosťou.
• Aj keď všetky moje 4 kondenzátory boli dosť konzistentné, boli z tej istej dávky a z rovnakého cievkového komponentu a úprimne nemám predstavu, ako zlé by boli variácie dávka-dávka.
• Ak chcete merať iba nízke teploty (pod 10 ° C) alebo vysoké teploty (nad 10 ° C), je to v poriadku, ale relatívne zbytočné, ak potrebujete merať obe.
• Meranie je pomalé! Pred opätovným meraním musíte kondenzátor úplne vybiť.

Dúfam, že vám tento projekt dal nejaké nápady a možno vás inšpiruje k použitiu iných komponentov na iné účely, než na aké boli určené.