Χρησιμοποιήστε πυκνωτές για τη μέτρηση της θερμοκρασίας: 9 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Αυτό το έργο προέκυψε επειδή αγόρασα έναν πυκνωτή με πυκνωτές κυρίως X7R (καλής ποιότητας), αλλά μερικές από τις υψηλότερες τιμές 100nF και άνω ήταν το φθηνότερο και λιγότερο σταθερό διηλεκτρικό Y5V, το οποίο παρουσιάζει μια τεράστια αλλαγή στη θερμοκρασία και την τάση λειτουργίας. Συνήθως δεν θα χρησιμοποιούσα το Y5V σε ένα προϊόν που σχεδιάζω, οπότε προσπάθησα να βρω εναλλακτικές χρήσεις αντί να τα αφήσω να κάθονται στο ράφι για πάντα.

Wantedθελα να δω αν η αλλαγή θερμοκρασίας θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για να γίνει ένας χρήσιμος και πολύ χαμηλού κόστους αισθητήρας, και όπως θα δείτε στις επόμενες σελίδες ήταν αρκετά απλό, με μόνο ένα άλλο στοιχείο που απαιτείται.

Βήμα 1: Θεωρία

Αρχικά βοηθάει να γνωρίζουμε λίγο για το πώς κατασκευάζονται οι πυκνωτές και για τους διαθέσιμους τύπους. Οι κεραμικοί πυκνωτές αποτελούνται από έναν αριθμό μεταλλικών φύλλων ή «πλακών» που χωρίζονται από ένα μονωτικό, γνωστό ως διηλεκτρικό. Τα χαρακτηριστικά αυτού του υλικού (πάχος, τύπος κεραμικού, αριθμός στρωμάτων) δίνουν στον πυκνωτή τις ιδιότητες του, όπως τάση λειτουργίας, χωρητικότητα, συντελεστή θερμοκρασίας (αλλαγή χωρητικότητας με θερμοκρασία) και εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας. Υπάρχουν αρκετά διηλεκτρικά διαθέσιμα, αλλά τα πιο δημοφιλή φαίνονται στο γράφημα.

NP0 (ονομάζεται επίσης C0G) - αυτά είναι τα καλύτερα, χωρίς ουσιαστικά καμία αλλαγή θερμοκρασίας, ωστόσο τείνουν να είναι διαθέσιμα μόνο για χαμηλές τιμές χωρητικότητας στο εύρος picoFarad και χαμηλού nanoFarad.

X7R - αυτά είναι λογικά, με μόνο ένα μικρό ποσοστό αλλαγής στο εύρος λειτουργίας.

Y5V - όπως μπορείτε να δείτε, αυτές είναι η πιο απότομη καμπύλη στο γράφημα, με κορυφή γύρω στους 10C. Αυτό περιορίζει τη χρησιμότητα του εφέ κάπως, διότι εάν ο αισθητήρας έχει τη δυνατότητα να πέσει ποτέ κάτω από τους 10 βαθμούς, θα είναι αδύνατο να προσδιοριστεί ποια πλευρά της κορυφής είναι.

Τα άλλα διηλεκτρικά που εμφανίζονται στο γράφημα είναι ενδιάμεσα βήματα μεταξύ των τριών πιο δημοφιλών που περιγράφονται παραπάνω.

Πώς μπορούμε λοιπόν να το μετρήσουμε αυτό; Ένας μικροελεγκτής έχει ένα λογικό επίπεδο στο οποίο οι εισόδους του θεωρούνται υψηλές. Εάν φορτίσουμε τον πυκνωτή μέσω αντίστασης (για τον έλεγχο του χρόνου φόρτισης), ο χρόνος για να φτάσουμε στο υψηλό επίπεδο θα είναι ανάλογος με την τιμή της χωρητικότητας.

Βήμα 2: Συγκεντρώστε τα υλικά σας

Θα χρειαστείτε:

• Πυκνωτές Y5V, χρησιμοποίησα μέγεθος 100nF 0805.
• Μικρά κομμάτια σανίδων πρωτοτύπων για την τοποθέτηση των πυκνωτών.
• Θερμοσυρρικνωθείτε για να μονώσετε τους αισθητήρες. Εναλλακτικά, μπορείτε να τα βυθίσετε σε εποξειδική ή να χρησιμοποιήσετε μονωτική ταινία.
• Καλώδιο δικτύου το οποίο μπορεί να αφαιρεθεί για να δώσει 4 στριμμένα ζεύγη. Δεν είναι υποχρεωτικό να χρησιμοποιείτε στριμμένα ζεύγη, αλλά το στρίψιμο βοηθά στη μείωση του ηλεκτρικού θορύβου.
• Μικροελεγκτής - Χρησιμοποίησα Arduino, αλλά οποιοσδήποτε θα κάνει
• Αντιστάσεις - Χρησιμοποίησα 68k αλλά αυτό εξαρτάται από το μέγεθος του πυκνωτή σας και πόσο ακριβής θέλετε να είναι η μέτρηση.

Εργαλεία:

• Συγκολλητικό σίδερο.
• Πίνακας πρωτοτύπων για την τοποθέτηση του μικροελεγκτή/Arduino.
• Θερμικό όπλο για τη θερμοσυρρίκνωση. Ένας αναπτήρας τσιγάρου μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί με ελαφρώς φτωχότερα αποτελέσματα.
• Υπέρυθρο θερμόμετρο ή θερμοστοιχείο, για τη βαθμονόμηση των αισθητήρων.
• Τσιμπιδακι ΦΡΥΔΙΩΝ.

Βήμα 3: Συγκολλήστε τους πυκνωτές σας

Δεν απαιτείται εξήγηση εδώ - απλά τοποθετήστε τα στις σανίδες σας χρησιμοποιώντας την προτιμώμενη μέθοδο συγκόλλησης και συνδέστε τα δύο καλώδια.

Βήμα 4: Μονώστε τους αισθητήρες

Τοποθετήστε σωλήνα θερμοσυρρίκνωσης κατάλληλου μεγέθους πάνω από τους αισθητήρες εξασφαλίζοντας ότι δεν εκτίθενται άκρα και συρρικνώστε τον χρησιμοποιώντας ζεστό αέρα.

Βήμα 5: Τοποθετήστε την αντίσταση και συνδέστε τον αισθητήρα

Επέλεξα το ακόλουθο pinout.

PIN3: Έξοδος

PIN2: Είσοδος

Βήμα 6: Γράψτε λογισμικό

Η βασική τεχνική μέτρησης φαίνεται παραπάνω. Για να εξηγήσετε πώς λειτουργεί, χρησιμοποιώντας την εντολή millis () επιστρέφει τον αριθμό των χιλιοστών του δευτερολέπτου από την ενεργοποίηση του Arduino. Εάν λάβετε μια ένδειξη στην αρχή και στο τέλος της μέτρησης και αφαιρέσετε την αρχική τιμή από το τέλος, λαμβάνετε το χρόνο σε χιλιοστά του δευτερολέπτου για να φορτιστεί ο πυκνωτής.

Μετά τη μέτρηση, είναι πολύ σημαντικό να θέσετε τον πείρο εξόδου χαμηλά για να αποφορτιστεί ο πυκνωτής και να περιμένετε ένα κατάλληλο χρονικό διάστημα πριν επαναλάβετε τη μέτρηση, ώστε ο πυκνωτής να αποφορτιστεί πλήρως. Στην περίπτωσή μου ένα δεύτερο ήταν αρκετό.

Στη συνέχεια έριξα τα αποτελέσματα έξω από τη σειριακή θύρα, ώστε να μπορώ να τα παρατηρήσω. Αρχικά διαπίστωσα ότι τα χιλιοστά του δευτερολέπτου δεν ήταν αρκετά ακριβή (δίνοντας μόνο μία τιμή), οπότε το άλλαξα για να χρησιμοποιήσω την εντολή micros () για να αποκτήσω το αποτέλεσμα σε μικροδευτερόλεπτα, το οποίο όπως θα περίμενες ήταν περίπου 1000 φορές την προηγούμενη τιμή. Η τιμή περιβάλλοντος γύρω στις 5000 αυξομειώθηκε σημαντικά, οπότε για να είναι ευκολότερη η ανάγνωση διαιρούσα με 10.

Βήμα 7: Εκτελέστε βαθμονόμηση

Πήρα μετρήσεις στους 27.5 C (θερμοκρασία δωματίου - ζεστό εδώ για το Ηνωμένο Βασίλειο!), Στη συνέχεια, τοποθέτησα τη δέσμη αισθητήρων στο ψυγείο και τους άφησα να κρυώσουν στους περίπου 10 C, ελέγχοντας με το θερμόμετρο υπέρυθρης ακτινοβολίας. Πήρα ένα δεύτερο σετ μετρήσεων, έπειτα τα έβαλα στο φούρνο στη ρύθμιση απόψυξης, παρακολουθώντας συνεχώς με θερμόμετρο μέχρι να είναι έτοιμα για εγγραφή στους 50C.

Όπως μπορείτε να δείτε από τα παραπάνω γραφήματα, τα αποτελέσματα ήταν αρκετά γραμμικά και συνεπή και στους 4 αισθητήρες.

Βήμα 8: Λογισμικό Γύρος 2

Τροποποίησα τώρα το λογισμικό μου χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση Arduino map, για να επανασχεδιάσω τις ανώτερες και χαμηλότερες μέσες τιμές από τα διαγράμματα σε 10C και 50C αντίστοιχα.

Όλα λειτουργούν όπως έχει προγραμματιστεί, έκανα μερικούς ελέγχους σε όλο το εύρος θερμοκρασιών.

Βήμα 9: Περίληψη έργου - Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Ορίστε, λοιπόν, ένας αισθητήρας θερμοκρασίας για λιγότερα από £ 0,01 σε εξαρτήματα.

Λοιπόν, γιατί δεν θα θέλατε να το κάνετε αυτό στο έργο σας;

• Η χωρητικότητα κυμαίνεται με την τάση τροφοδοσίας, οπότε πρέπει να χρησιμοποιήσετε μια ρυθμιζόμενη παροχή (δεν μπορεί να τροφοδοτηθεί απευθείας από μια μπαταρία) και εάν αποφασίσετε να αλλάξετε την παροχή, πρέπει να βαθμονομήσετε ξανά τους αισθητήρες.
• Η χωρητικότητα δεν είναι το μόνο πράγμα που αλλάζει με τη θερμοκρασία - λάβετε υπόψη ότι το υψηλό όριο εισόδου στον μικροελεγκτή σας μπορεί να αλλάξει με τη θερμοκρασία και συνήθως δεν ορίζεται στο φύλλο δεδομένων με οποιαδήποτε ακρίβεια.
• Ενώ οι 4 πυκνωτές μου ήταν όλοι αρκετά συνεπείς, ήταν από την ίδια παρτίδα και τον ίδιο κύλινδρο συστατικών και ειλικρινά δεν έχω ιδέα πόσο κακή θα ήταν η παραλλαγή παρτίδας σε παρτίδα.
• Εάν θέλετε να μετρήσετε μόνο χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω από 10C) ή υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 10C) μόνο αυτό είναι εντάξει, αλλά σχετικά άχρηστο εάν πρέπει να μετρήσετε και τις δύο.
• Η μέτρηση αργεί! Πρέπει να αποφορτίσετε πλήρως τον πυκνωτή προτού μπορέσετε να μετρήσετε ξανά.

Ελπίζω ότι αυτό το έργο σας έδωσε κάποιες ιδέες και ίσως σας εμπνεύσει να χρησιμοποιήσετε άλλα εξαρτήματα για σκοπούς διαφορετικούς από αυτούς που προορίζονταν.