Использование конденсаторов для измерения температуры: 9 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Этот проект появился благодаря тому, что я купил комплект конденсаторов, в основном состоящий из конденсаторов X7R (хорошего качества), но некоторые из более высоких значений 100 нФ и выше были более дешевым и менее стабильным диэлектриком Y5V, который демонстрирует значительное изменение температуры и рабочего напряжения. Обычно я бы не использовал Y5V в разрабатываемом мной продукте, поэтому я попытался найти им альтернативное применение, вместо того, чтобы оставлять их на полке вечно.

Я хотел посмотреть, можно ли использовать изменение температуры для создания полезного и очень недорогого датчика, и, как вы увидите на следующих нескольких страницах, это было довольно просто, и требовался только один другой компонент.

Шаг 1: теория

Во-первых, это поможет немного узнать о том, как устроены конденсаторы и какие типы они доступны. Керамические конденсаторы состоят из нескольких металлических листов или «пластин», разделенных изолятором, известным как диэлектрик. Характеристики этого материала (толщина, тип керамики, количество слоев) определяют такие свойства конденсатора, как рабочее напряжение, емкость, температурный коэффициент (изменение емкости в зависимости от температуры) и диапазон рабочих температур. Доступно довольно много диэлектриков, но самые популярные показаны на графике.

NP0 (также называемый C0G) - это лучшие, практически без изменения температуры, однако они, как правило, доступны только для низких значений емкости в диапазоне пикофарад и низких нанофарад.

X7R - это разумно, только с небольшим процентным изменением рабочего диапазона.

Y5V - как вы можете видеть, это самая крутая кривая на графике с пиком около 10 ° C. Это несколько ограничивает полезность эффекта, потому что, если датчик имеет возможность когда-либо опускаться ниже 10 градусов, будет невозможно определить, с какой стороны он находится.

Остальные диэлектрики, показанные на графике, являются промежуточными ступенями между тремя наиболее популярными из описанных выше.

Итак, как мы можем это измерить? Микроконтроллер имеет логический уровень, на котором его входы считаются высокими. Если мы заряжаем конденсатор через резистор (чтобы контролировать время заряда), время достижения высокого уровня будет пропорционально значению емкости.

Шаг 2. Соберите материалы

Тебе понадобится:

• Конденсаторы Y5V, я использовал размер 0805 100 нФ.
• Небольшие части макетной платы для установки конденсаторов.
• Термоусадка для изоляции датчиков. В качестве альтернативы вы можете окунуть их в эпоксидную смолу или использовать изоляционную ленту.
• Сетевой кабель, который можно разрезать до 4 витых пар. Не обязательно использовать витые пары, но скручивание помогает снизить электрические помехи.
• Микроконтроллер - я использовал Arduino, но подойдет любой
• Резисторы - я использовал 68 кОм, но это зависит от размера вашего конденсатора и от того, насколько точными должны быть измерения.

Инструменты:

• Паяльник.
• Макетная плата для монтажа микроконтроллера / Arduino.
• Тепловая пушка для термоусадки. Можно также использовать зажигалку с несколько худшими результатами.
• Инфракрасный термометр или термопара для калибровки датчиков.
• Пинцет.

Шаг 3: припаяйте конденсаторы

Никаких объяснений здесь не требуется - просто установите их на свои платы, используя предпочитаемый вами метод пайки, и прикрепите два провода.

Шаг 4: изолируйте датчики

Наденьте термоусадочную трубку подходящего размера на датчики, следя за тем, чтобы концы не были обнажены, и усадите ее горячим воздухом.

Шаг 5: установите резистор и подключите датчик

Я выбрал следующую распиновку.

PIN3: выход

PIN2: ввод

Шаг 6: напишите программное обеспечение

Основная методика измерения показана выше. Чтобы объяснить, как это работает, использование команды millis () возвращает количество миллисекунд с момента включения Arduino. Если вы снимите показания в начале и в конце измерения и вычтите начальное значение из конца, вы получите время в миллисекундах для зарядки конденсатора.

После измерения очень важно установить на выходном контакте низкий уровень, чтобы разрядить конденсатор, и подождать соответствующее время перед повторением измерения, чтобы конденсатор полностью разрядился. В моем случае секунды хватило.

Затем я выбросил результаты из последовательного порта, чтобы я мог их наблюдать. Первоначально я обнаружил, что миллисекунды были недостаточно точными (давали только однозначное значение), поэтому я изменил его, чтобы использовать команду micros () для получения результата в микросекундах, что, как и следовало ожидать, было примерно в 1000 раз больше предыдущего значения. Окружающее значение около 5000 значительно колебалось, поэтому для облегчения чтения я разделил на 10.

Шаг 7: Выполните калибровку

Я снял показания при 27,5 ° C (комнатная температура - здесь жарко для Великобритании!), Затем поместил блок датчиков в холодильник и дал им остыть примерно до 10 ° C, проверяя с помощью инфракрасного термометра. Я снял второй набор показаний, затем поместил их в духовку на настройку размораживания, постоянно контролируя термометром, пока они не будут готовы к записи при 50 ° C.

Как видно из графиков выше, результаты были довольно линейными и одинаковыми для всех 4 датчиков.

Шаг 8: Раунд 2 программного обеспечения

Теперь я модифицировал свое программное обеспечение, используя функцию карты Arduino, чтобы переназначить верхнее и нижнее средние показания графиков на 10 ° C и 50 ° C соответственно.

Все работает по плану, провел несколько проверок по температурному диапазону.

Шаг 9: Резюме проекта - плюсы и минусы

Итак, у вас есть датчик температуры, стоимость компонентов которого составляет менее 0,01 фунта стерлингов.

Итак, почему бы вам не сделать это в своем проекте?

• Емкость колеблется в зависимости от напряжения питания, поэтому необходимо использовать регулируемый источник питания (не может напрямую питаться от батареи), и если вы решите изменить источник питания, вы должны снова откалибровать датчики.
• Емкость - это не единственное, что изменяется с температурой - учтите, что ваш входной высокий порог на вашем микроконтроллере может изменяться с температурой, и он обычно не определяется в таблице данных с какой-либо точностью.
• Хотя все мои 4 конденсатора были довольно последовательными, они были из одной партии и одной катушки с компонентами, и я, честно говоря, понятия не имею, насколько плохи будут вариации от партии к партии.
• Если вы хотите измерять только низкие температуры (ниже 10 ° C) или высокие температуры (выше 10 ° C), это нормально, но относительно бесполезно, если вам нужно измерить и то, и другое.
• Измерение идет медленно! Перед повторным измерением необходимо полностью разрядить конденсатор.

Я надеюсь, что этот проект дал вам некоторые идеи и, возможно, вдохновит вас на использование других компонентов для целей, отличных от их предназначения.