ใช้ตัวเก็บประจุเพื่อวัดอุณหภูมิ: 9 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

โปรเจ็กต์นี้เกิดขึ้นเพราะฉันซื้อชุดตัวเก็บประจุที่มีตัวเก็บประจุ X7R (คุณภาพดี) เป็นหลัก แต่ค่าที่สูงกว่าบางค่า 100nF ขึ้นไปเป็นไดอิเล็กตริก Y5V ที่ถูกกว่าและเสถียรน้อยกว่า ซึ่งแสดงการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ของอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน ปกติฉันจะไม่ใช้ Y5V ในผลิตภัณฑ์ที่ฉันกำลังออกแบบ ดังนั้นฉันจึงพยายามหาทางเลือกอื่นสำหรับผลิตภัณฑ์เหล่านี้แทนที่จะปล่อยให้พวกเขานั่งบนชั้นวางตลอดไป

ฉันต้องการดูว่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างเซ็นเซอร์ที่มีประโยชน์และราคาถูกมากได้หรือไม่ และอย่างที่คุณจะเห็นในหน้าถัดไป ค่อนข้างง่าย โดยมีเพียงองค์ประกอบอื่นที่จำเป็นเท่านั้น

ขั้นตอนที่ 1: ทฤษฎี

ก่อนอื่น คุณควรทราบเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับวิธีการสร้างตัวเก็บประจุและประเภทที่มีอยู่ ตัวเก็บประจุเซรามิกประกอบด้วยแผ่นโลหะจำนวนหนึ่งหรือ 'แผ่น' คั่นด้วยฉนวนที่เรียกว่าไดอิเล็กตริก คุณสมบัติของวัสดุนี้ (ความหนา ประเภทของเซรามิก จำนวนชั้น) ทำให้ตัวเก็บประจุมีคุณสมบัติ เช่น แรงดันไฟที่ใช้งาน ความจุ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (ความจุเปลี่ยนตามอุณหภูมิ) และช่วงอุณหภูมิในการทำงาน มีไดอิเล็กทริกอยู่ไม่กี่ตัว แต่ไดอิเล็กทริกที่ได้รับความนิยมสูงสุดจะแสดงบนกราฟ

NP0 (เรียกอีกอย่างว่า C0G) - สิ่งเหล่านี้ดีที่สุด โดยแทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ แต่มักจะใช้ได้เฉพาะค่าความจุต่ำใน picoFarad และช่วง nanoFarad ต่ำเท่านั้น

X7R - สิ่งเหล่านี้สมเหตุสมผล โดยมีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในช่วงการทำงาน

Y5V - อย่างที่คุณเห็นนี่เป็นเส้นโค้งที่ชันที่สุดในกราฟ โดยมีจุดสูงสุดอยู่ที่ 10C สิ่งนี้จำกัดประโยชน์ของเอฟเฟกต์เล็กน้อย เพราะหากเซ็นเซอร์มีความเป็นไปได้ที่จะต่ำกว่า 10 องศา จะไม่สามารถระบุได้ว่าจุดสูงสุดอยู่ด้านใด

ไดอิเล็กทริกอื่น ๆ ที่แสดงบนกราฟเป็นขั้นตอนกลางระหว่างสามสิ่งที่ได้รับความนิยมมากที่สุดที่อธิบายไว้ข้างต้น

แล้วเราจะวัดสิ่งนี้ได้อย่างไร? ไมโครคอนโทรลเลอร์มีระดับตรรกะที่อินพุตถือว่าสูง หากเราชาร์จตัวเก็บประจุผ่านตัวต้านทาน (เพื่อควบคุมเวลาในการชาร์จ) เวลาในการไปถึงระดับสูงจะเป็นสัดส่วนกับค่าความจุ

ขั้นตอนที่ 2: รวบรวมวัสดุของคุณ

คุณจะต้องการ:

• ตัวเก็บประจุ Y5V ฉันใช้ขนาด 100nF 0805
• บอร์ดต้นแบบชิ้นเล็ก ๆ สำหรับติดตั้งตัวเก็บประจุ
• Heatshrink เพื่อป้องกันเซ็นเซอร์ หรือคุณสามารถจุ่มลงในอีพ็อกซี่หรือใช้เทปฉนวน
• สายเคเบิลเครือข่ายที่สามารถถอดออกได้ 4 คู่บิด ไม่จำเป็นต้องใช้คู่บิด แต่การบิดช่วยลดเสียงไฟฟ้า
• ไมโครคอนโทรลเลอร์ - ฉันใช้ Arduino แต่อะไรก็ได้
• ตัวต้านทาน - ฉันใช้ 68k แต่ขึ้นอยู่กับขนาดของตัวเก็บประจุและความแม่นยำที่คุณต้องการให้วัดได้

เครื่องมือ:

• หัวแร้ง.
• บอร์ดต้นแบบสำหรับติดตั้งไมโครคอนโทรลเลอร์/Arduino
• ปืนความร้อนสำหรับฮีทซิงค์ สามารถใช้ที่จุดบุหรี่ได้ด้วยผลลัพธ์ที่แย่กว่าเล็กน้อย
• เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟราเรดหรือเทอร์โมคัปเปิลเพื่อสอบเทียบเซ็นเซอร์
• แหนบ.

ขั้นตอนที่ 3: ประสานตัวเก็บประจุของคุณ

ไม่จำเป็นต้องมีคำอธิบายใดๆ เพียงติดตั้งเข้ากับบอร์ดของคุณโดยใช้วิธีการบัดกรีที่คุณต้องการ แล้วต่อสายไฟสองเส้น

ขั้นตอนที่ 4: หุ้มฉนวนเซ็นเซอร์

ติดตั้งท่อหดความร้อนที่มีขนาดเหมาะสมเหนือเซนเซอร์เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีปลายด้านใดหลุดออกมา และหดตัวโดยใช้ลมร้อน

ขั้นตอนที่ 5: ติดตั้งตัวต้านทานของคุณและเชื่อมต่อเซ็นเซอร์

ฉันเลือก pinout ต่อไปนี้

PIN3: เอาต์พุต

PIN2: อินพุต

ขั้นตอนที่ 6: เขียนซอฟต์แวร์

เทคนิคการวัดพื้นฐานแสดงไว้ด้านบน เพื่ออธิบายวิธีการทำงาน การใช้คำสั่ง millis() จะคืนค่าจำนวนมิลลิวินาทีนับตั้งแต่ Arduino ถูกเปิดใช้งาน หากคุณอ่านค่าที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการวัด และลบค่าเริ่มต้นออกจากจุดสิ้นสุด คุณจะได้เวลาในหน่วยมิลลิวินาทีสำหรับตัวเก็บประจุที่จะชาร์จ

หลังจากการวัด เป็นสิ่งสำคัญมากที่คุณต้องตั้งค่าพินเอาต์พุตให้ต่ำเพื่อคายประจุตัวเก็บประจุ และรอเวลาที่เหมาะสมก่อนที่จะทำการวัดซ้ำเพื่อให้ตัวเก็บประจุถูกคายประจุจนหมด ในกรณีของฉันวินาทีก็เพียงพอแล้ว

จากนั้นฉันก็พ่นผลลัพธ์ออกจากพอร์ตอนุกรมเพื่อที่ฉันจะได้สังเกตได้ ตอนแรกฉันพบว่ามิลลิวินาทีนั้นไม่ถูกต้องเพียงพอ (ให้ค่าตัวเลขเดียวเท่านั้น) ดังนั้นฉันจึงเปลี่ยนไปใช้คำสั่ง micros() เพื่อให้ได้ผลลัพธ์เป็นไมโครวินาที ซึ่งตามที่คุณคาดหวังคือประมาณ 1,000 เท่าของค่าก่อนหน้า ค่าแวดล้อมที่ประมาณ 5000 ผันผวนอย่างมาก ดังนั้นเพื่อให้อ่านง่ายขึ้น ฉันหารด้วย 10

ขั้นตอนที่ 7: ทำการปรับเทียบ

ฉันอ่านค่าที่ 27.5C (อุณหภูมิห้อง - ร้อนสำหรับสหราชอาณาจักร!) จากนั้นวางชุดเซ็นเซอร์ไว้ในตู้เย็นและปล่อยให้เย็นลงประมาณ 10C โดยตรวจสอบด้วยเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรด ฉันอ่านค่าชุดที่สอง จากนั้นนำไปใส่ในเตาอบโดยตั้งค่าการละลายน้ำแข็ง จากนั้นเฝ้าติดตามด้วยเทอร์โมมิเตอร์อย่างต่อเนื่องจนกว่าจะพร้อมที่จะบันทึกที่อุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส

ดังที่คุณเห็นจากแผนภาพด้านบน ผลลัพธ์ค่อนข้างเป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอในเซ็นเซอร์ทั้ง 4 ตัว

ขั้นตอนที่ 8: ซอฟต์แวร์รอบ 2

ตอนนี้ฉันแก้ไขซอฟต์แวร์ของฉันโดยใช้ฟังก์ชันแผนที่ Arduino เพื่อทำการแมปค่าการอ่านเฉลี่ยบนและล่างจากแปลงเป็น 10C และ 50C ตามลำดับ

ทั้งหมดทำงานตามแผนที่วางไว้ ฉันทำการตรวจสอบสองสามช่วงในช่วงอุณหภูมิ

ขั้นตอนที่ 9: สรุปโครงการ - ข้อดีและข้อเสีย

คุณมีเซ็นเซอร์อุณหภูมิสำหรับส่วนประกอบน้อยกว่า 0.01 ปอนด์

เหตุใดคุณจึงไม่อยากทำสิ่งนี้ในโครงการของคุณ

• ความจุจะผันผวนตามแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟที่มีการควบคุม (ไม่สามารถใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ได้โดยตรง) และหากคุณตัดสินใจที่จะเปลี่ยนแหล่งจ่าย คุณจะต้องปรับเทียบเซ็นเซอร์อีกครั้ง
• ความจุไม่ใช่สิ่งเดียวที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ - พิจารณาว่าอินพุตที่มีขีดจำกัดสูงบนไมโครคอนโทรลเลอร์ของคุณอาจเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ และโดยปกติแล้วจะไม่มีการกำหนดไว้ในแผ่นข้อมูลที่มีความแม่นยำ
• แม้ว่าตัวเก็บประจุ 4 ตัวของฉันจะค่อนข้างสม่ำเสมอ แต่ก็มาจากแบทช์เดียวกันและรีลส่วนประกอบเดียวกัน และฉันไม่รู้จริงๆ ว่ารูปแบบแบตช์ต่อแบตช์จะแย่แค่ไหน
• หากคุณต้องการวัดอุณหภูมิต่ำเท่านั้น (ต่ำกว่า 10C) หรืออุณหภูมิสูง (สูงกว่า 10C) เท่านั้น วิธีนี้ใช้ได้ แต่ค่อนข้างจะไร้ประโยชน์หากคุณต้องการวัดทั้งสองอย่าง
• การวัดช้า! คุณต้องปล่อยประจุให้เต็มก่อนจึงจะสามารถวัดได้อีกครั้ง

ฉันหวังว่าโครงการนี้จะให้แนวคิดบางอย่างแก่คุณ และอาจสร้างแรงบันดาลใจให้คุณใช้ส่วนประกอบอื่นๆ เพื่อวัตถุประสงค์อื่นนอกเหนือจากที่ตั้งใจไว้