Usa i condensatori per misurare la temperatura: 9 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Questo progetto è nato perché ho acquistato un kit di condensatori con principalmente condensatori X7R (di buona qualità), ma alcuni dei valori più alti 100nF e oltre erano il dielettrico Y5V più economico e meno stabile, che mostra un enorme cambiamento di temperatura e tensione operativa. Normalmente non userei Y5V in un prodotto che sto progettando, quindi ho cercato di trovare usi alternativi per loro piuttosto che lasciarli stare sullo scaffale per sempre.

Volevo vedere se la variazione di temperatura poteva essere sfruttata per realizzare un sensore utile ea bassissimo costo, e come vedrete nelle prossime pagine è stato abbastanza semplice, con solo un altro componente richiesto.

Fase 1: Teoria

Innanzitutto è utile conoscere un po' come sono costruiti i condensatori e i tipi disponibili. I condensatori ceramici sono costituiti da un numero di fogli di metallo, o "piastre" separati da un isolante, noto come dielettrico. Le caratteristiche di questo materiale (spessore, tipo di ceramica, numero di strati) conferiscono al condensatore le sue proprietà come tensione di esercizio, capacità, coefficiente di temperatura (variazione di capacità con la temperatura) e intervallo di temperatura di esercizio. Ci sono parecchi dielettrici disponibili, ma i più popolari sono mostrati nel grafico.

NP0 (chiamato anche C0G) - questi sono i migliori, praticamente senza variazioni di temperatura, tuttavia tendono ad essere disponibili solo per valori di bassa capacità nella gamma picoFarad e bassa nanoFarad.

X7R: sono ragionevoli, con solo una piccola variazione percentuale nel range operativo.

Y5V - come puoi vedere queste sono le curve più ripide sul grafico, con un picco intorno ai 10C. Ciò limita in qualche modo l'utilità dell'effetto, perché se il sensore ha la possibilità di scendere sempre sotto i 10 gradi sarà impossibile determinare da quale lato del picco si trova.

Gli altri dielettrici mostrati nel grafico sono passaggi intermedi tra i tre più diffusi sopra descritti.

Quindi come possiamo misurare questo? Un microcontrollore ha un livello logico al quale i suoi ingressi sono considerati alti. Se carichiamo il condensatore tramite un resistore (per controllare il tempo di carica), il tempo per raggiungere il livello alto sarà proporzionale al valore della capacità.

Passaggio 2: raccogli i tuoi materiali

Avrai bisogno:

• Condensatori Y5V, ho usato la dimensione 100nF 0805.
• Piccoli pezzi di scheda di prototipazione per montare i condensatori.
• Termoretraibile per isolare i sensori. In alternativa puoi immergerli in resina epossidica o utilizzare nastro isolante.
• Cavo di rete che può essere smontato per produrre 4 doppini intrecciati. Non è obbligatorio utilizzare doppini intrecciati, ma la torsione aiuta a ridurre il rumore elettrico.
• Microcontrollore: ho usato un Arduino ma qualsiasi cosa va bene
• Resistori - Ho usato 68k, ma questo dipende dalle dimensioni del condensatore e da quanto preciso vuoi che sia la misurazione.

Utensili:

• Saldatore.
• Scheda di prototipazione per montare il microcontrollore/Arduino.
• Pistola termica per termoretraibile. Un accendisigari può essere utilizzato anche con risultati leggermente inferiori.
• Termometro a infrarossi o termocoppia, per calibrare i sensori.
• pinzette.

Passaggio 3: saldare i condensatori

Nessuna spiegazione necessaria qui: basta adattarli alle schede utilizzando il metodo di saldatura preferito e collegare i due fili.

Passaggio 4: isolare i sensori

Montare un tubo termoretraibile di dimensioni adeguate sui sensori assicurandosi che non siano esposte le estremità e restringerlo utilizzando aria calda.

Passaggio 5: montare il resistore e collegare il sensore

Ho selezionato il seguente pinout.

PIN3: Uscita

PIN2: Ingresso

Passaggio 6: scrittura del software

La tecnica di misurazione di base è mostrata sopra. Per spiegare come funziona, l'utilizzo del comando millis() restituisce il numero di millisecondi dall'accensione di Arduino. Se prendi una lettura all'inizio e alla fine della misurazione e sottrai il valore iniziale dalla fine, ottieni il tempo in millisecondi per caricare il condensatore.

Dopo la misurazione, è molto importante impostare il pin di uscita su un livello basso per scaricare il condensatore e attendere un periodo di tempo appropriato prima di ripetere la misurazione in modo che il condensatore sia completamente scarico. Nel mio caso è bastato un secondo.

Ho quindi vomitato i risultati dalla porta seriale in modo da poterli osservare. Inizialmente ho scoperto che i millisecondi non erano abbastanza precisi (dando solo un valore di una singola cifra), quindi l'ho cambiato per usare il comando micros() per ottenere il risultato in microsecondi, che come ti aspetteresti era circa 1000 volte il valore precedente. Il valore ambientale intorno a 5000 ha oscillato in modo significativo, quindi per facilitare la lettura ho diviso per 10.

Passaggio 7: eseguire la calibrazione

Ho preso le letture a 27,5 ° C (temperatura ambiente - calda qui per il Regno Unito!), Quindi ho posizionato il fascio di sensori in frigorifero e li ho lasciati raffreddare a circa 10 ° C, controllando con il termometro a infrarossi. Ho preso una seconda serie di letture, quindi le ho messe in forno sull'impostazione di scongelamento, monitorando continuamente con il termometro fino a quando non erano pronte per registrare a 50C.

Come puoi vedere dai grafici sopra, i risultati sono stati abbastanza lineari e coerenti su tutti e 4 i sensori.

Passaggio 8: Software Round 2

Ora ho modificato il mio software utilizzando la funzione mappa di Arduino, per rimappare le letture della media superiore e inferiore dai grafici rispettivamente a 10C e 50C.

Tutto funziona come previsto, ho eseguito alcuni controlli in tutta la gamma di temperature.

Passaggio 9: riepilogo del progetto - Pro e contro

Ecco qua, un sensore di temperatura per meno di £ 0,01 in componenti.

Quindi, perché non vorresti farlo nel tuo progetto?

• La capacità fluttua con la tensione di alimentazione, quindi è necessario utilizzare un'alimentazione regolata (non può essere alimentata direttamente da una batteria) e se si decide di cambiare alimentazione è necessario calibrare nuovamente i sensori.
• La capacità non è l'unica cosa che cambia con la temperatura: considera che la soglia alta di ingresso sul microcontrollore può cambiare con la temperatura e di solito non è definita con precisione nella scheda tecnica.
• Sebbene i miei 4 condensatori fossero tutti abbastanza coerenti, provenivano dallo stesso lotto e dalla stessa bobina di componenti e onestamente non ho idea di quanto sarebbe grave la variazione da lotto a lotto.
• Se vuoi misurare solo basse temperature (sotto i 10C) o alte temperature (sopra i 10C) solo questo va bene, ma relativamente inutile se devi misurare entrambe.
• La misurazione è lenta! Devi scaricare completamente il condensatore prima di poter misurare di nuovo.

Spero che questo progetto ti abbia dato alcune idee e forse ti ispiri a utilizzare altri componenti per scopi diversi da quelli previsti.