Gunakan Kapasitor untuk Mengukur Suhu: 9 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:11

Projek ini berlaku kerana saya membeli kit kapasitor dengan kapasitor terutamanya X7R (berkualiti baik), tetapi beberapa nilai yang lebih tinggi 100nF ke atas adalah dielektrik Y5V yang lebih murah dan kurang stabil, yang menunjukkan perubahan besar pada suhu dan voltan operasi. Saya biasanya tidak menggunakan Y5V dalam produk yang saya reka, jadi saya berusaha mencari alternatif untuk mereka daripada membiarkannya duduk di rak selamanya.

Saya ingin melihat apakah perubahan suhu dapat dimanfaatkan untuk membuat sensor kos yang berguna dan sangat rendah, dan seperti yang akan anda lihat pada beberapa halaman berikutnya, ia cukup mudah, dengan hanya memerlukan satu komponen lain.

Langkah 1: Teori

Pertama, dapat mengetahui sedikit tentang bagaimana kapasitor dibina, dan jenis yang ada. Kapasitor seramik terdiri daripada sebilangan kepingan logam, atau 'plat' yang dipisahkan oleh penebat, yang dikenali sebagai dielektrik. Ciri-ciri bahan ini (ketebalan, jenis seramik, bilangan lapisan) memberikan sifat kapasitor seperti voltan operasi, kapasitansi, pekali suhu (perubahan kapasitansi dengan suhu) dan julat suhu operasi. Terdapat beberapa dielektrik yang tersedia, tetapi yang paling popular ditunjukkan pada grafik.

NP0 (juga disebut C0G) - ini adalah yang terbaik, dengan hampir tidak ada perubahan pada suhu tetapi ia cenderung hanya tersedia untuk nilai kapasitansi rendah dalam julat picoFarad dan nanoFarad rendah.

X7R - ini wajar, dengan hanya perubahan peratusan kecil pada julat operasi.

Y5V - seperti yang anda lihat, ini adalah lengkung paling curam pada grafik, dengan puncak sekitar 10C. Ini sedikit membatasi kegunaan kesannya, kerana jika sensor mempunyai kemungkinan untuk berada di bawah 10 darjah, mustahil untuk menentukan sisi puncaknya.

Dielektrik lain yang ditunjukkan pada grafik adalah langkah pertengahan antara tiga yang paling popular yang dijelaskan di atas.

Jadi bagaimana kita dapat mengukurnya? Pengawal mikro mempunyai tahap logik di mana inputnya dianggap tinggi. Sekiranya kita mengecas kapasitor melalui perintang (untuk mengawal masa pengecasan), waktu untuk mencapai tahap tinggi akan sebanding dengan nilai kapasitans.

Langkah 2: Kumpulkan Bahan Anda

Anda perlu:

• Kapasitor Y5V, saya menggunakan saiz 100nF 0805.
• Potongan kecil papan prototaip untuk memasang kapasitor.
• Heatshrink untuk melindungi sensor. Sebagai alternatif anda boleh mencelupkannya dalam epoksi, atau menggunakan pita penebat.
• Kabel rangkaian yang dapat dilucutkan untuk menghasilkan 4 pasangan berpintal. Tidak wajib menggunakan pasangan berpintal, tetapi memutar membantu mengurangkan bunyi elektrik.
• Mikrokontroler - Saya menggunakan Arduino tetapi apa-apa yang akan berlaku
• Perintang - Saya menggunakan 68k tetapi ini bergantung pada ukuran kapasitor anda dan seberapa tepat anda mahu ukurannya.

Alat:

• Besi pematerian.
• Papan prototaip untuk memasang mikrokontroler / Arduino.
• Pistol panas untuk sinki panas. Pemetik api juga boleh digunakan dengan hasil yang sedikit lebih buruk.
• Termometer inframerah atau termokopel, untuk menentukur sensor.
• Pinset.

Langkah 3: Selesaikan Kapasitor Anda

Tidak perlu penjelasan di sini - pasangkannya ke papan anda menggunakan kaedah pematerian pilihan anda, dan pasangkan kedua wayar.

Langkah 4: Lindungi Sensor

Pasangkan tabung pemanas berukuran tepat di atas sensor memastikan tiada hujung yang terdedah, dan mengecilkannya menggunakan udara panas.

Langkah 5: Pasangkan Perintang Anda dan Sambungkan Sensor

Saya memilih pinout berikut.

PIN3: Keluaran

PIN2: Input

Langkah 6: Tulis Perisian

Teknik pengukuran asas ditunjukkan di atas. Untuk menerangkan cara kerjanya, menggunakan perintah milis () mengembalikan bilangan milisaat sejak Arduino dinaikkan. Sekiranya anda membaca pada permulaan dan akhir pengukuran, dan tolak nilai permulaan dari akhir, anda akan mendapat masa dalam milisaat untuk kapasitor mengecas.

Selepas pengukuran, sangat penting anda menetapkan pin output rendah untuk melepaskan kapasitor, dan tunggu jumlah masa yang sesuai sebelum mengulangi pengukuran sehingga kapasitor habis sepenuhnya. Dalam kes saya satu saat sudah mencukupi.

Saya kemudian memuntahkan hasil dari port bersiri sehingga saya dapat memerhatikannya. Pada mulanya saya dapati bahawa milisaat tidak cukup tepat (hanya memberikan nilai angka tunggal), jadi saya mengubahnya untuk menggunakan perintah mikros () untuk mendapatkan hasilnya dalam mikrodetik, yang seperti yang anda jangkakan adalah sekitar 1000x nilai sebelumnya. Nilai ambien sekitar 5000 berubah-ubah dengan ketara, jadi untuk mempermudah membaca saya dibahagi dengan 10.

Langkah 7: Lakukan Penentukuran

Saya mengambil bacaan pada suhu 27.5C (suhu bilik - panas di sini untuk UK!), Kemudian meletakkan bundel sensor di dalam peti sejuk dan membiarkannya sejuk hingga kira-kira 10C, memeriksa dengan termometer inframerah. Saya mengambil satu set bacaan kedua, kemudian memasukkannya ke dalam ketuhar pada suhu pencairan, terus memantau dengan termometer sehingga mereka siap merakam pada suhu 50C.

Seperti yang anda lihat dari plot di atas, hasilnya agak linear, dan konsisten di semua 4 sensor.

Langkah 8: Pusingan 2 Perisian

Saya kini mengubahsuai perisian saya menggunakan fungsi peta Arduino, untuk memetakan semula bacaan rata-rata atas dan bawah masing-masing dari 10C dan 50C.

Semua berfungsi seperti yang dirancang, saya melakukan beberapa pemeriksaan di julat suhu.

Langkah 9: Ringkasan Projek - Kebaikan dan Kekurangan

Oleh itu, anda memilikinya, sensor suhu kurang dari £ 0.01 dalam komponen.

Jadi, mengapa anda tidak mahu melakukan ini dalam projek anda?

• Kapasiti berubah-ubah dengan voltan bekalan, jadi mesti menggunakan bekalan yang dikawal selia (tidak dapat memberi kuasa secara langsung dari bateri) dan jika anda memutuskan untuk menukar bekalan maka anda mesti menentukur sensor lagi.
• Kapasitansi bukan satu-satunya perkara yang berubah dengan suhu - pertimbangkan bahawa ambang tinggi input anda pada mikrokontroler anda boleh berubah dengan suhu, dan biasanya tidak ditentukan dalam lembar data dengan tepat.
• Walaupun 4 kapasitor saya cukup konsisten, mereka berasal dari batch yang sama dan gulungan komponen yang sama dan sejujurnya saya tidak tahu betapa buruknya variasi batch-to-batch.
• Sekiranya anda hanya mahu mengukur suhu rendah (di bawah 10C) atau suhu tinggi (di atas 10C), ini tidak mengapa, tetapi relatif tidak berguna jika anda perlu mengukur kedua-duanya.
• Pengukuran perlahan! Anda mesti melepaskan kapasitor sepenuhnya sebelum dapat mengukurnya semula.

Saya harap projek ini memberi anda beberapa idea, dan mungkin memberi inspirasi kepada anda untuk menggunakan komponen lain untuk tujuan selain daripada yang dimaksudkan.