Utilitzeu condensadors per mesurar la temperatura: 9 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Aquest projecte va sorgir perquè vaig comprar un kit de condensadors principalment amb condensadors X7R (de bona qualitat), però alguns dels valors superiors a 100nF i superiors eren el dielèctric Y5V més barat i menys estable, que presenta un canvi massiu de temperatura i tensió de funcionament. Normalment no utilitzaria Y5V en un producte que estic dissenyant, així que vaig intentar trobar-ne usos alternatius en lloc de deixar-los reposar a la prestatgeria per sempre.

Volia veure si es podia aprofitar el canvi de temperatura per fer un sensor útil i de baix cost, i com veureu a les properes pàgines, era bastant senzill, amb només un altre component necessari.

Pas 1: teoria

Primer ajuda a conèixer una mica sobre com es construeixen els condensadors i els tipus disponibles. Els condensadors ceràmics consisteixen en diverses xapes metàl·liques, o ‘plaques’, separades per un aïllant, conegut com a dielèctric. Les característiques d’aquest material (gruix, tipus de ceràmica, nombre de capes) donen al condensador propietats com la tensió de funcionament, la capacitat, el coeficient de temperatura (canvi de capacitat amb la temperatura) i el rang de temperatura de funcionament. Hi ha força dielèctrics disponibles, però els més populars es mostren al gràfic.

NP0 (també anomenat C0G): són els millors, pràcticament sense canvis de temperatura, però solen estar disponibles per a valors de capacitat baixos en el rang de picoFarad i nanoFarad baix.

X7R: són raonables, amb només un petit percentatge de canvis en el rang de funcionament.

Y5V: com podeu veure, són la corba més pronunciada del gràfic, amb un pic al voltant dels 10 ° C. Això limita una mica la utilitat de l'efecte, perquè si el sensor té la possibilitat de baixar mai dels 10 graus, serà impossible determinar de quin costat del pic es tracta.

Els altres dielèctrics que es mostren al gràfic són passos intermedis entre els tres més populars descrits anteriorment.

Llavors, com podem mesurar-ho? Un microcontrolador té un nivell lògic en què les seves entrades es consideren elevades. Si carreguem el condensador mitjançant una resistència (per controlar el temps de càrrega), el temps per assolir el nivell alt serà proporcional al valor de la capacitat.

Pas 2: reuniu els vostres materials

Necessitarà:

• Condensadors Y5V, he utilitzat la mida 100nF 0805.
• Petites peces de prototipat per muntar els condensadors.
• Retràctil per aïllar els sensors. També podeu submergir-los en epoxi o utilitzar cinta aïllant.
• Cable de xarxa que es pot treure per obtenir 4 parells trenats. No és obligatori l’ús de parells torçats, però la torsió ajuda a reduir el soroll elèctric.
• Microcontrolador: he utilitzat un Arduino, però qualsevol ho farà
• Resistències: he utilitzat 68k, però això depèn de la mida del condensador i de la precisió que vulgueu que sigui la mesura.

Eines:

• Soldador.
• Taula de prototipatge per muntar el microcontrolador / Arduino.
• Pistola de calor per a la reducció de calor. També es pot utilitzar un encenedor amb resultats lleugerament pobres.
• Termòmetre d'infrarojos o termoparell, per calibrar els sensors.
• Pinces.

Pas 3: soldeu els condensadors

Aquí no cal cap explicació: només cal que els ajusteu a les vostres taules mitjançant el mètode de soldadura que preferiu i connecteu els dos cables.

Pas 4: aïlleu els sensors

Col·loqueu un tub de termorretracció de mida adequada sobre els sensors assegurant que no hi hagi cap extrem exposat i reduïu-lo amb aire calent.

Pas 5: col·loqueu la resistència i connecteu el sensor

He seleccionat el següent pinout.

PIN3: sortida

PIN2: entrada

Pas 6: escriviu programari

La tècnica bàsica de mesurament es mostra a la part superior. Per explicar el seu funcionament, l’ús de l’ordre millis () retorna el nombre de mil·lisegons des que es va engegar l’Arduino. Si feu una lectura al començament i al final de la mesura i resteu el valor inicial del final, obtindreu el temps en mil·lisegons perquè el condensador es carregui.

Després del mesurament, és molt important establir el pin de sortida baix per descarregar el condensador i esperar un temps adequat abans de repetir la mesura perquè el condensador es descarregui completament. En el meu cas n’hi havia prou amb un segon.

Llavors vaig expulsar els resultats del port sèrie per poder observar-los. Inicialment, vaig trobar que els mil·lisegons no eren prou precisos (donant només un valor de xifra única), així que el vaig canviar per utilitzar l'ordre micros () per obtenir el resultat en microsegons, que, com s'esperava, era aproximadament de 1000 vegades el valor anterior. El valor ambiental al voltant de 5.000 va fluctuar significativament, de manera que per facilitar la lectura, vaig dividir per 10.

Pas 7: realitzeu la calibració

Vaig agafar lectures a 27,5 ° C (temperatura ambient, aquí calenta per al Regne Unit!), Després vaig col·locar el paquet de sensors a la nevera i els vaig deixar refredar fins a aproximadament 10 ° C, comprovant amb el termòmetre d’infrarojos. Vaig agafar un segon conjunt de lectures, i després les vaig posar al forn en el paràmetre de descongelació, vigilant contínuament amb termòmetre fins que estiguessin a punt per gravar a 50 ° C.

Com podeu veure a les gràfiques anteriors, els resultats van ser bastant lineals i consistents en els 4 sensors.

Pas 8: programari 2a ronda

Ara he modificat el meu programari mitjançant la funció de mapa Arduino, per tornar a assignar les lectures mitjanes superior i inferior de les parcel·les a 10C i 50C respectivament.

Tot funciona com estava previst, he realitzat algunes comprovacions en tot el rang de temperatura.

Pas 9: resum del projecte: avantatges i inconvenients

Així ho teniu, un sensor de temperatura per menys de 0,01 GBP en components.

Llavors, per què no voldríeu fer-ho al vostre projecte?

• La capacitat fluctua amb la tensió de subministrament, de manera que heu d’utilitzar un subministrament regulat (no es pot alimentar directament des d’una bateria) i, si decidiu canviar de subministrament, heu de calibrar de nou els sensors.
• La capacitat no és l'únic que canvia amb la temperatura; tingueu en compte que el vostre llindar elevat d'entrada al microcontrolador pot variar amb la temperatura i no sol definir-se al full de dades amb precisió.
• Tot i que els meus 4 condensadors eren força consistents, provenien del mateix lot i del mateix tambor de components i, sincerament, no tinc ni idea de com de dolenta seria la variació de lot a lot.
• Si només voleu mesurar temperatures baixes (per sota de 10 ° C) o altes (per sobre de 10 ° C), només està bé, però és relativament inútil si cal mesurar les dues coses.
• La mesura és lenta. Cal descarregar completament el condensador abans de poder tornar a mesurar.

Espero que aquest projecte us hagi donat algunes idees i potser us inspiri a utilitzar altres components per a finalitats diferents a les que estaven pensades.