Verwenden Sie Kondensatoren, um die Temperatur zu messen - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Dieses Projekt entstand, weil ich ein Kondensator-Kit mit hauptsächlich X7R-Kondensatoren (gute Qualität) gekauft habe, aber einige der höheren Werte von 100 nF und darüber waren das billigere und weniger stabile Y5V-Dielektrikum, das eine massive Änderung über Temperatur und Betriebsspannung aufweist. Normalerweise würde ich Y5V nicht in einem Produkt verwenden, das ich entwerfe, also habe ich versucht, alternative Verwendungen für sie zu finden, anstatt sie für immer im Regal stehen zu lassen.

Ich wollte sehen, ob die Temperaturänderung ausgenutzt werden könnte, um einen nützlichen und sehr kostengünstigen Sensor herzustellen, und wie Sie auf den nächsten Seiten sehen werden, war dies recht einfach, da nur eine weitere Komponente erforderlich war.

Schritt 1: Theorie

Zunächst hilft es, ein wenig über den Aufbau von Kondensatoren und die verfügbaren Typen zu wissen. Keramikkondensatoren bestehen aus einer Reihe von Metallblechen oder „Platten“, die durch einen Isolator, einem sogenannten Dielektrikum, getrennt sind. Die Eigenschaften dieses Materials (Dicke, Keramikart, Anzahl der Schichten) geben dem Kondensator seine Eigenschaften wie Betriebsspannung, Kapazität, Temperaturkoeffizient (Kapazitätsänderung mit der Temperatur) und Betriebstemperaturbereich. Es gibt eine ganze Reihe von Dielektrika, aber die gängigsten sind in der Grafik dargestellt.

NP0 (auch C0G genannt) - dies sind die besten, praktisch ohne Temperaturänderung, aber sie sind tendenziell nur für niedrige Kapazitätswerte im picoFarad- und niedrigen nanoFarad-Bereich verfügbar.

X7R - diese sind vernünftig, mit nur einer kleinen prozentualen Änderung über den Betriebsbereich.

Y5V - wie Sie sehen können, ist dies die steilste Kurve im Diagramm mit einer Spitze um 10 ° C. Dies schränkt die Nützlichkeit des Effekts etwas ein, denn wenn der Sensor die Möglichkeit hat, jemals unter 10 Grad zu fallen, ist es unmöglich zu bestimmen, auf welcher Seite des Peaks er liegt.

Die anderen in der Grafik gezeigten Dielektrika sind Zwischenschritte zwischen den drei gängigsten oben beschriebenen.

Wie können wir das also messen? Ein Mikrocontroller hat einen Logikpegel, bei dem seine Eingänge als hoch angesehen werden. Wenn wir den Kondensator über einen Widerstand aufladen (um die Ladezeit zu steuern), ist die Zeit bis zum Erreichen des High-Pegels proportional zum Kapazitätswert.

Schritt 2: Sammeln Sie Ihre Materialien

Du wirst brauchen:

• Y5V-Kondensatoren, ich habe die Größe 100nF 0805 verwendet.
• Kleine Stücke Prototyping-Platine zur Montage der Kondensatoren.
• Schrumpfschlauch, um die Sensoren zu isolieren. Alternativ können Sie sie in Epoxidharz eintauchen oder Isolierband verwenden.
• Netzwerkkabel, das auf 4 verdrillte Paare abisoliert werden kann. Es ist nicht zwingend erforderlich, verdrillte Paare zu verwenden, aber die Verdrillung hilft, elektrisches Rauschen zu reduzieren.
• Mikrocontroller - ich habe einen Arduino verwendet, aber jeder wird es tun
• Widerstände - Ich habe 68k verwendet, aber dies hängt von der Größe Ihres Kondensators ab und davon, wie genau die Messung sein soll.

Werkzeuge:

• Lötkolben.
• Prototyping-Board zur Montage des Mikrocontrollers/Arduino.
• Heißluftpistole für den Schrumpfschlauch. Ein Zigarettenanzünder kann auch mit etwas schlechteren Ergebnissen verwendet werden.
• Infrarot-Thermometer oder Thermoelement, um die Sensoren zu kalibrieren.
• Pinzette.

Schritt 3: Löten Sie Ihre Kondensatoren

Hier ist keine Erklärung erforderlich - passen Sie sie einfach mit Ihrer bevorzugten Lötmethode an Ihre Platinen an und befestigen Sie die beiden Drähte.

Schritt 4: Isolieren Sie die Sensoren

Bringen Sie einen Schrumpfschlauch geeigneter Größe über den Sensoren an, um sicherzustellen, dass keine Enden freiliegen, und schrumpfen Sie ihn mit Heißluft.

Schritt 5: Montieren Sie Ihren Widerstand und schließen Sie den Sensor an

Ich habe folgende Pinbelegung gewählt.

PIN3: Ausgang

PIN2: Eingabe

Schritt 6: Software schreiben

Die grundlegende Messtechnik ist oben gezeigt. Um zu erklären, wie es funktioniert, gibt der Befehl millis () die Anzahl der Millisekunden seit dem Einschalten des Arduino zurück. Wenn Sie zu Beginn und am Ende der Messung eine Messung vornehmen und den Anfangswert vom Ende subtrahieren, erhalten Sie die Zeit in Millisekunden, die der Kondensator zum Laden benötigt.

Nach der Messung ist es sehr wichtig, dass Sie den Ausgangspin auf Low setzen, um den Kondensator zu entladen, und eine angemessene Zeit warten, bevor Sie die Messung wiederholen, damit der Kondensator vollständig entladen ist. In meinem Fall war eine Sekunde ausreichend.

Die Ergebnisse habe ich dann aus der seriellen Schnittstelle ausgespuckt, damit ich sie beobachten konnte. Anfangs stellte ich fest, dass Millisekunden nicht genau genug waren (was nur einen einzelnen Zahlenwert angab), also änderte ich es, um den Befehl micros () zu verwenden, um das Ergebnis in Mikrosekunden zu erhalten, was wie erwartet ungefähr das 1000-fache des vorherigen Werts war. Der Umgebungswert bei etwa 5000 schwankte stark, daher habe ich zur besseren Lesbarkeit durch 10 geteilt.

Schritt 7: Kalibrierung durchführen

Ich nahm Messwerte bei 27,5 ° C (Raumtemperatur - heiß hier für Großbritannien!), legte dann das Sensorbündel in den Kühlschrank und ließ sie auf etwa 10 ° C abkühlen, wobei ich mit dem Infrarot-Thermometer nachprüfte. Ich nahm einen zweiten Satz Messwerte, legte sie dann in den Ofen auf die Auftaueinstellung und überwachte ständig mit einem Thermometer, bis sie bei 50 ° C aufnahmebereit waren.

Wie Sie aus den obigen Diagrammen sehen können, waren die Ergebnisse ziemlich linear und über alle 4 Sensoren hinweg konsistent.

Schritt 8: Softwarerunde 2

Ich habe jetzt meine Software mit der Arduino-Map-Funktion modifiziert, um die oberen und unteren Durchschnittswerte aus den Plots auf 10C bzw. 50C neu zuzuordnen.

Alles funktioniert wie geplant, ich habe ein paar Überprüfungen über den Temperaturbereich durchgeführt.

Schritt 9: Projektzusammenfassung - Vor- und Nachteile

Da haben Sie es also, einen Temperatursensor für weniger als 0,01 £ in Komponenten.

Warum sollten Sie dies nicht in Ihrem Projekt tun?

• Die Kapazität schwankt mit der Versorgungsspannung, daher muss eine geregelte Versorgung verwendet werden (kann nicht direkt von einer Batterie gespeist werden) und wenn Sie sich entscheiden, die Versorgung zu ändern, müssen Sie die Sensoren erneut kalibrieren.
• Die Kapazität ist nicht das einzige, was sich mit der Temperatur ändert - bedenken Sie, dass sich Ihr hoher Eingangsschwellenwert an Ihrem Mikrocontroller mit der Temperatur ändern kann und normalerweise nicht genau im Datenblatt definiert ist.
• Während meine 4 Kondensatoren alle ziemlich konsistent waren, stammten sie aus derselben Charge und derselben Komponentenrolle, und ich habe ehrlich gesagt keine Ahnung, wie schlimm die Variation von Charge zu Charge wäre.
• Wenn Sie nur niedrige Temperaturen (unter 10 °C) oder hohe Temperaturen (über 10 °C) messen möchten, ist dies nur in Ordnung, aber relativ nutzlos, wenn Sie beides messen müssen.
• Die Messung ist langsam! Sie müssen den Kondensator vollständig entladen, bevor Sie erneut messen können.

Ich hoffe, dieses Projekt hat Ihnen einige Ideen gegeben und Sie vielleicht dazu inspiriert, andere Komponenten für andere als die vorgesehenen Zwecke zu verwenden.