K měření teploty použijte kondenzátory: 9 kroků

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

Tento projekt vznikl, protože jsem si koupil kondenzátorovou soupravu převážně s kondenzátory X7R (dobré kvality), ale některé z vyšších hodnot 100nF a výše byly levnější a méně stabilní dielektrikum Y5V, které vykazují masivní změnu teploty a provozního napětí. Normálně bych Y5V nepoužíval v produktu, který navrhuji, a tak jsem se pokusil najít pro ně alternativní využití, než abych je nechal sedět navždy na poličce.

Chtěl jsem zjistit, zda lze změnu teploty využít k vytvoření užitečného a velmi levného senzoru, a jak uvidíte na následujících několika stránkách, bylo to docela jednoduché, vyžadovala se pouze jedna další součást.

Krok 1: Teorie

Nejprve pomůže vědět trochu o tom, jak jsou konstruovány kondenzátory, a o dostupných typech. Keramické kondenzátory se skládají z několika plechů nebo „desek“oddělených izolátorem, známým jako dielektrikum. Charakteristiky tohoto materiálu (tloušťka, typ keramiky, počet vrstev) udávají kondenzátoru jeho vlastnosti, jako je provozní napětí, kapacita, teplotní koeficient (změna kapacity s teplotou) a rozsah provozních teplot. K dispozici je poměrně málo dielektrik, ale nejoblíbenější jsou uvedeny v grafu.

NP0 (také nazývaný C0G) - jsou nejlepší, prakticky bez změny teploty, ale obvykle jsou k dispozici pouze pro hodnoty nízké kapacity v rozsahu picoFarad a low nanoFarad.

X7R - jsou rozumné, s pouze malou procentuální změnou v provozním rozsahu.

Y5V - jak vidíte, toto jsou nejstrmější křivky na grafu s vrcholem kolem 10 ° C. To poněkud omezuje užitečnost efektu, protože pokud má senzor možnost někdy klesnout pod 10 stupňů, nebude možné určit, o kterou stranu vrcholu jde.

Ostatní dielektrika uvedená v grafu jsou mezikroky mezi třemi nejpopulárnějšími popsanými výše.

Jak to tedy můžeme změřit? Mikrokontrolér má logickou úroveň, na které jsou jeho vstupy považovány za vysoké. Nabijeme -li kondenzátor přes odpor (pro řízení doby nabíjení), bude doba dosažení vysoké úrovně úměrná hodnotě kapacity.

Krok 2: Shromážděte své materiály

Budete potřebovat:

• Kondenzátory Y5V, použil jsem velikost 100nF 0805.
• Malé kousky prototypové desky pro montáž kondenzátorů.
• Heatshrink k izolaci senzorů. Alternativně je můžete ponořit do epoxidu nebo použít izolační pásku.
• Síťový kabel, který lze odizolovat, aby poskytl 4 kroucené páry. Není nutné používat kroucené páry, ale zkroucení pomáhá snížit elektrický šum.
• Mikrokontrolér - použil jsem Arduino, ale bude to stačit
• Rezistory - použil jsem 68k, ale to závisí na velikosti vašeho kondenzátoru a na přesnosti měření.

Nástroje:

• Páječka.
• Prototypovací deska pro montáž mikrokontroléru/Arduina.
• Tepelná pistole pro chladič. Zapalovač cigaret lze použít i s mírně horšími výsledky.
• Infračervený teploměr nebo termočlánek pro kalibraci senzorů.
• Pinzeta.

Krok 3: Pájejte kondenzátory

Zde není třeba žádné vysvětlení - stačí je namontovat na desky pomocí vámi zvoleného způsobu pájení a připojit dva vodiče.

Krok 4: Izolujte senzory

Nasaďte na senzory vhodně dimenzovanou trubku smršťovacího smršťování a zajistěte, aby nebyly odhaleny žádné konce, a zmenšete ji horkým vzduchem.

Krok 5: Namontujte odpor a připojte snímač

Vybral jsem následující pinout.

PIN3: Výstup

PIN2: Vstup

Krok 6: Napište software

Základní technika měření je uvedena výše. Abychom vysvětlili, jak to funguje, pomocí příkazu millis () se vrátí počet milisekund od zapnutí Arduina. Pokud odečtete hodnotu na začátku a na konci měření a odečtete počáteční hodnotu od konce, získáte čas v milisekundách, než se kondenzátor nabije.

Po měření je velmi důležité, abyste nastavili výstupní kolík nízko, aby se vybil kondenzátor, a před opakováním měření počkejte přiměřenou dobu, aby se kondenzátor zcela vybil. V mém případě stačila vteřina.

Výsledky jsem pak vychrlil ze sériového portu, abych je mohl pozorovat. Zpočátku jsem zjistil, že milisekundy nebyly dostatečně přesné (poskytovaly pouze jednu hodnotu obrázku), a tak jsem to změnil tak, že pomocí příkazu micros () získal výsledek v mikrosekundách, což, jak byste očekávali, bylo přibližně 1000x předchozí hodnota. Okolní hodnota kolem 5 000 výrazně kolísala, takže pro snazší čtení jsem dělil 10.

Krok 7: Proveďte kalibraci

Odebral jsem naměřené hodnoty při 27,5 ° C (pokojová teplota - u Velké Británie horké!), Pak jsem umístil svazek senzorů do lednice a nechal je vychladnout přibližně na 10 ° C a zkontroloval pomocí infračerveného teploměru. Vzal jsem druhou sadu naměřených hodnot, poté je vložil do trouby na nastavení odtávání a průběžně sledoval teploměrem, dokud nebyli připraveni zaznamenávat při 50 ° C.

Jak vidíte z výše uvedených grafů, výsledky byly celkem lineární a konzistentní ve všech 4 senzorech.

Krok 8: 2. kolo softwaru

Nyní jsem upravil svůj software pomocí funkce mapy Arduino, abych přemapoval horní a dolní průměrné hodnoty z grafů na 10 ° C a 50 ° C.

Všechno funguje podle plánu, provedl jsem několik kontrol v celém teplotním rozsahu.

Krok 9: Shrnutí projektu - klady a zápory

Takže tady to máte, teplotní senzor za méně než 0,01 GBP v součástech.

Proč byste to tedy ve svém projektu nechtěli udělat?

• Kapacita kolísá s napájecím napětím, proto musíte použít regulovaný zdroj (nelze napájet přímo z baterie) a pokud se rozhodnete změnit napájení, musíte senzory znovu kalibrovat.
• Kapacitní odpor není jedinou věcí, která se mění s teplotou - vezměte v úvahu, že váš vysoký vstupní práh na vašem mikrokontroléru se může měnit s teplotou a v datovém listu není obvykle definována s žádnou přesností.
• I když moje 4 kondenzátory byly všechny docela konzistentní, byly ze stejné dávky a ze stejného navijáku komponent a já upřímně netuším, jak špatná by byla variabilita dávky na dávku.
• Pokud chcete měřit pouze nízké teploty (pod 10 C) nebo vysoké teploty (nad 10 C), je to v pořádku, ale relativně zbytečné, pokud potřebujete měřit obojí.
• Měření je pomalé! Než budete moci znovu měřit, musíte kondenzátor zcela vybít.

Doufám, že vám tento projekt dal nějaké nápady a možná vás inspiruje k použití jiných komponent pro jiné účely, než pro které byly určeny.