Sử dụng tụ điện để đo nhiệt độ: 9 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Dự án này xuất hiện vì tôi đã mua một bộ tụ điện với chủ yếu là tụ điện X7R (chất lượng tốt), nhưng một số giá trị cao hơn 100nF trở lên là chất điện môi Y5V rẻ hơn và kém ổn định hơn, có sự thay đổi lớn về nhiệt độ và điện áp hoạt động. Tôi thường không sử dụng Y5V trong sản phẩm mà tôi đang thiết kế, vì vậy, tôi đã cố gắng tìm cách sử dụng thay thế cho chúng thay vì để chúng nằm mãi trên giá.

Tôi muốn xem liệu sự thay đổi nhiệt độ có thể được khai thác để tạo ra một cảm biến hữu ích và chi phí rất thấp hay không, và như bạn sẽ thấy trong vài trang tiếp theo, nó khá đơn giản, chỉ cần một thành phần khác.

Bước 1: Lý thuyết

Đầu tiên, bạn cần biết một chút về cách cấu tạo của tụ điện và các loại tụ điện có sẵn. Tụ điện gốm bao gồm một số tấm kim loại, hoặc ‘tấm’ được ngăn cách bởi một chất cách điện, được gọi là chất điện môi. Các đặc tính của vật liệu này (độ dày, loại gốm, số lớp) cung cấp các đặc tính của tụ điện như điện áp hoạt động, điện dung, hệ số nhiệt độ (điện dung thay đổi theo nhiệt độ) và phạm vi nhiệt độ hoạt động. Có khá nhiều loại điện tử có sẵn, nhưng phổ biến nhất được hiển thị trên biểu đồ.

NP0 (còn gọi là C0G) - đây là những loại tốt nhất, hầu như không thay đổi theo nhiệt độ, tuy nhiên chúng có xu hướng chỉ khả dụng cho các giá trị điện dung thấp trong dải picoFarad và nanoFarad thấp.

X7R - những điều này là hợp lý, chỉ với một tỷ lệ phần trăm thay đổi nhỏ trong phạm vi hoạt động.

Y5V - như bạn có thể thấy, đây là đường cong dốc nhất trên biểu đồ, với đỉnh khoảng 10C. Điều này hạn chế phần nào tính hữu ích của hiệu ứng, vì nếu cảm biến có khả năng đi xuống dưới 10 độ thì sẽ không thể xác định được phía nào của đỉnh.

Các chỉ số khác được hiển thị trên biểu đồ là các bước trung gian giữa ba loại phổ biến nhất được mô tả ở trên.

Vì vậy, làm thế nào chúng ta có thể đo lường điều này? Một bộ vi điều khiển có mức logic tại đó các đầu vào của nó được coi là cao. Nếu chúng ta sạc tụ điện qua điện trở (để kiểm soát thời gian sạc) thì thời gian đạt mức cao sẽ tỷ lệ thuận với giá trị điện dung.

Bước 2: Thu thập tài liệu của bạn

Bạn sẽ cần:

• Tụ điện Y5V, tôi đã sử dụng kích thước 100nF 0805.
• Các mảnh nhỏ của bảng tạo mẫu để gắn các tụ điện.
• Heatshrink để cách nhiệt các cảm biến. Ngoài ra, bạn có thể nhúng chúng vào epoxy hoặc sử dụng băng cách nhiệt.
• Cáp mạng có thể được rút gọn để tạo ra 4 cặp xoắn. Không bắt buộc phải sử dụng cặp xoắn, nhưng xoắn giúp giảm nhiễu điện.
• Bộ vi điều khiển - Tôi đã sử dụng Arduino nhưng bất kỳ sẽ làm được
• Điện trở - Tôi đã sử dụng 68k nhưng điều này phụ thuộc vào kích thước của tụ điện của bạn và mức độ chính xác mà bạn muốn đo.

Công cụ:

• Sắt hàn.
• Bảng tạo mẫu để gắn vi điều khiển / Arduino.
• Súng nhiệt cho khe tản nhiệt. Một chiếc bật lửa cũng có thể được sử dụng với kết quả kém hơn một chút.
• Nhiệt kế hồng ngoại hoặc cặp nhiệt điện, để hiệu chỉnh các cảm biến.
• Cái nhíp.

Bước 3: Hàn các tụ điện của bạn

Không cần giải thích ở đây - chỉ cần lắp chúng vào bảng của bạn bằng cách sử dụng phương pháp hàn ưa thích của bạn và gắn hai dây.

Bước 4: Cách nhiệt các cảm biến

Đặt ống tản nhiệt có kích thước thích hợp lên các cảm biến để đảm bảo không có đầu nào bị lộ ra ngoài và thu nhỏ nó lại bằng cách sử dụng không khí nóng.

Bước 5: Lắp điện trở của bạn và kết nối cảm biến

Tôi đã chọn sơ đồ chân sau.

PIN3: Đầu ra

PIN2: Đầu vào

Bước 6: Viết phần mềm

Kỹ thuật đo lường cơ bản được trình bày ở trên. Để giải thích cách nó hoạt động, sử dụng lệnh millis () trả về số mili giây kể từ khi Arduino được khởi động. Nếu bạn thực hiện phép đo khi bắt đầu và kết thúc phép đo, và trừ giá trị bắt đầu cho giá trị kết thúc, bạn sẽ có được thời gian tính bằng mili giây để tụ điện sạc.

Sau khi đo, điều rất quan trọng là bạn phải đặt chân đầu ra ở mức thấp để xả tụ điện và đợi một khoảng thời gian thích hợp trước khi lặp lại phép đo để tụ điện được xả hoàn toàn. Trong trường hợp của tôi, một giây là đủ.

Sau đó, tôi phun kết quả ra khỏi cổng nối tiếp để tôi có thể quan sát chúng. Ban đầu, tôi thấy rằng mili giây không đủ chính xác (chỉ cho một giá trị con số duy nhất), vì vậy tôi đã thay đổi nó thành sử dụng lệnh micros () để thu được kết quả tính bằng micro giây, như bạn mong đợi là khoảng 1000 lần giá trị trước đó. Giá trị môi trường xung quanh khoảng 5000 dao động đáng kể, vì vậy để dễ đọc hơn, tôi đã chia cho 10.

Bước 7: Thực hiện hiệu chuẩn

Tôi đã đọc các kết quả ở 27,5C (nhiệt độ phòng - ở đây là nóng đối với Vương quốc Anh!), Sau đó đặt gói cảm biến vào tủ lạnh và để chúng nguội xuống khoảng 10C, kiểm tra bằng nhiệt kế hồng ngoại. Tôi lấy bộ giá trị thứ hai, sau đó đặt chúng vào lò ở chế độ rã đông, liên tục theo dõi bằng nhiệt kế cho đến khi chúng sẵn sàng ghi ở 50C.

Như bạn có thể thấy từ các biểu đồ ở trên, kết quả khá tuyến tính và nhất quán trên tất cả 4 cảm biến.

Bước 8: Phần mềm Vòng 2

Bây giờ tôi đã sửa đổi phần mềm của mình bằng cách sử dụng chức năng bản đồ Arduino, để ánh xạ lại các giá trị trung bình trên và dưới từ các ô thành 10C và 50C tương ứng.

Tất cả đều hoạt động theo kế hoạch, tôi đã thực hiện một vài lần kiểm tra trên phạm vi nhiệt độ.

Bước 9: Tóm tắt dự án - Ưu và nhược điểm

Vì vậy, bạn có nó, một cảm biến nhiệt độ với giá chưa đến 0,01 bảng Anh trong các thành phần.

Vì vậy, tại sao bạn không muốn làm điều này trong dự án của mình?

• Điện dung dao động theo điện áp cung cấp, do đó phải sử dụng nguồn cung cấp được điều chỉnh (không thể cấp nguồn trực tiếp từ pin) và nếu bạn quyết định thay đổi nguồn cung cấp thì bạn phải hiệu chỉnh lại các cảm biến.
• Điện dung không phải là thứ duy nhất thay đổi theo nhiệt độ - hãy xem xét rằng ngưỡng cao đầu vào của bạn trên bộ vi điều khiển của bạn có thể thay đổi theo nhiệt độ và nó thường không được xác định trong biểu dữ liệu với bất kỳ độ chính xác nào.
• Trong khi 4 tụ điện của tôi đều khá nhất quán, chúng thuộc cùng một lô và cùng một cuộn thành phần và tôi thành thật không biết sự thay đổi hàng loạt sẽ tồi tệ như thế nào.
• Nếu bạn chỉ muốn đo nhiệt độ thấp (dưới 10C) hoặc nhiệt độ cao (trên 10C) thì chỉ có điều này là được, nhưng tương đối vô dụng nếu bạn cần đo cả hai.
• Đo lường là chậm! Bạn phải xả hết tụ điện trước khi có thể đo lại.

Tôi hy vọng dự án này đã cung cấp cho bạn một số ý tưởng và có thể truyền cảm hứng cho bạn sử dụng các thành phần khác cho các mục đích khác với mục đích dự định.