استخدم المكثفات لقياس درجة الحرارة: 9 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

جاء هذا المشروع لأنني اشتريت مجموعة مكثفات مع مكثفات X7R (ذات جودة جيدة) بشكل أساسي ، ولكن بعض القيم الأعلى 100nF وما فوق كانت أرخص وأقل استقرارًا من Y5V العازل ، والتي تظهر تغيرًا هائلاً في درجة الحرارة والجهد التشغيلي. لن أستخدم عادةً Y5V في منتج أقوم بتصميمه ، لذلك حاولت العثور على استخدامات بديلة لهم بدلاً من تركهم يجلسون على الرف إلى الأبد.

كنت أرغب في معرفة ما إذا كان يمكن استغلال التغير في درجة الحرارة لصنع مستشعر مفيد ومنخفض التكلفة للغاية ، وكما سترى في الصفحات القليلة التالية ، كان الأمر بسيطًا للغاية ، مع وجود مكون واحد آخر مطلوب.

الخطوة 1: النظرية

أولاً ، من المفيد معرفة القليل عن كيفية تكوين المكثفات والأنواع المتاحة. تتكون المكثفات الخزفية من عدد من الصفائح المعدنية ، أو "ألواح" مفصولة بعازل ، يُعرف بالعزل الكهربائي. خصائص هذه المادة (السماكة ، نوع السيراميك ، عدد الطبقات) تعطي المكثف خصائصه مثل جهد التشغيل ، السعة ، معامل درجة الحرارة (تغير السعة مع درجة الحرارة) ونطاق درجة حرارة التشغيل. هناك عدد غير قليل من العوازل المتاحة ، ولكن الأكثر شيوعًا معروضة على الرسم البياني.

NP0 (وتسمى أيضًا C0G) - هذه هي الأفضل ، مع عدم وجود أي تغيير تقريبًا في درجة الحرارة ولكنها تميل إلى أن تكون متاحة فقط لقيم السعة المنخفضة في نطاق picoFarad ونطاق nanoFarad المنخفض.

X7R - هذه معقولة ، مع تغيير نسبة مئوية صغيرة فقط على نطاق التشغيل.

Y5V - كما ترون فإن هذا هو المنحنى الأكثر انحدارًا على الرسم البياني ، حيث تبلغ قمته حوالي 10 درجات مئوية. هذا يحد من فائدة التأثير إلى حد ما ، لأنه إذا كان لدى المستشعر إمكانية الانتقال إلى ما دون 10 درجات ، فسيكون من المستحيل تحديد أي جانب من الذروة هو.

العوازل الأخرى الموضحة في الرسم البياني هي خطوات وسيطة بين الثلاثة الأكثر شيوعًا الموضحة أعلاه.

فكيف يمكننا قياس هذا؟ يحتوي المتحكم الدقيق على مستوى منطقي تعتبر فيه مدخلاته عالية. إذا قمنا بشحن المكثف عبر المقاوم (للتحكم في وقت الشحن) ، فإن الوقت اللازم للوصول إلى المستوى العالي سيكون متناسبًا مع قيمة السعة.

الخطوة 2: اجمع المواد الخاصة بك

سوف تحتاج:

• مكثفات Y5V ، استخدمت حجم 100nF 0805.
• قطع صغيرة من لوحة النماذج الأولية لتركيب المكثفات.
• Heatshrink لعزل المستشعرات. يمكنك بدلًا من ذلك غمسها في الإيبوكسي أو استخدام شريط عازل.
• كابل الشبكة الذي يمكن تجريده للحصول على 4 أزواج ملتوية. ليس إلزاميًا استخدام الأزواج الملتوية ، لكن الالتواء يساعد في تقليل الضوضاء الكهربائية.
• متحكم دقيق - لقد استخدمت Arduino ولكن أي منها سيفي بالغرض
• المقاومات - لقد استخدمت 68 كيلو ولكن هذا يعتمد على حجم مكثفك ومدى الدقة التي تريد أن يكون القياس عليها.

أدوات:

• لحام حديد.
• لوحة النماذج الأولية لتركيب متحكم / اردوينو.
• مسدس حراري لانكماش الحرارة. يمكن أيضًا استخدام ولاعة السجائر بنتائج أقل قليلاً.
• مقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء أو مزدوج حراري لمعايرة أجهزة الاستشعار.
• ملاقيط.

الخطوة 3: قم بتلحيم المكثفات الخاصة بك

لا حاجة إلى شرح هنا - فقط قم بتلائمهم مع الألواح الخاصة بك باستخدام طريقة اللحام المفضلة لديك ، وقم بتوصيل السلكين.

الخطوة 4: عزل المستشعرات

قم بتركيب أنبوب الانكماش الحراري بحجم مناسب على المستشعرات لضمان عدم تعرض الأطراف ، وتقليصه باستخدام الهواء الساخن.

الخطوة 5: قم بملاءمة المقاوم الخاص بك وقم بتوصيل المستشعر

لقد اخترت pinout التالي.

PIN3: الإخراج

PIN2: الإدخال

الخطوة 6: اكتب البرنامج

يتم عرض تقنية القياس الأساسية أعلاه. لشرح كيفية عملها ، يؤدي استخدام الأمر millis () إلى إرجاع عدد المللي ثانية منذ أن تم تشغيل Arduino. إذا أخذت قراءة في بداية القياس ونهايته ، وقمت بطرح قيمة البداية من النهاية ، تحصل على الوقت بالمللي ثانية لشحن المكثف.

بعد القياس ، من المهم جدًا أن تقوم بضبط دبوس الإخراج على مستوى منخفض لتفريغ المكثف ، والانتظار لفترة زمنية مناسبة قبل تكرار القياس حتى يتم تفريغ المكثف تمامًا. في حالتي كانت الثانية كافية.

ثم قمت بإخراج النتائج من المنفذ التسلسلي حتى أتمكن من مراقبتها. في البداية ، وجدت أن المللي ثانية لم تكن دقيقة بما يكفي (مع إعطاء قيمة شخصية واحدة فقط) ، لذلك قمت بتغييرها لاستخدام الأمر micros () للحصول على النتيجة بالميكروثانية ، والتي كانت كما تتوقع حوالي 1000 ضعف القيمة السابقة. تقلبت القيمة المحيطة عند حوالي 5000 بشكل كبير ، لذلك لتسهيل القراءة أنا مقسومة على 10.

الخطوة 7: قم بإجراء المعايرة

أخذت قراءات عند 27.5 درجة مئوية (درجة حرارة الغرفة - ساخنة هنا بالنسبة للمملكة المتحدة!) ، ثم وضعت حزمة المستشعر في الثلاجة وسمحت لها بالتبريد إلى حوالي 10 درجات مئوية ، والتحقق من ميزان الحرارة بالأشعة تحت الحمراء. أخذت مجموعة ثانية من القراءات ، ثم وضعتها في الفرن على إعداد التذويب ، وأراقبها باستمرار باستخدام مقياس الحرارة حتى تصبح جاهزة للتسجيل عند 50 درجة مئوية.

كما ترون من المخططات أعلاه ، كانت النتائج خطية تمامًا ومتسقة عبر جميع أجهزة الاستشعار الأربعة.

الخطوة 8: جولة البرنامج 2

لقد قمت الآن بتعديل برنامجي باستخدام وظيفة خريطة Arduino ، لإعادة تعيين متوسط القراءات العليا والسفلى من المؤامرات إلى 10C و 50 C على التوالي.

كل شيء يعمل كما هو مخطط له ، أجريت بعض الفحوصات عبر نطاق درجة الحرارة.

الخطوة 9: ملخص المشروع - إيجابيات وسلبيات

إذاً لديك ، مستشعر درجة حرارة أقل من 0.01 جنيه إسترليني في المكونات.

لذا ، لماذا لا تريد أن تفعل هذا في مشروعك؟

• تتقلب السعة مع جهد الإمداد ، لذلك يجب استخدام مصدر منظم (لا يمكن تشغيله مباشرة من البطارية) وإذا قررت تغيير الإمداد ، فيجب عليك معايرة المستشعرات مرة أخرى.
• السعة ليست هي الشيء الوحيد الذي يتغير مع درجة الحرارة - ضع في اعتبارك أن عتبة الإدخال العالية الخاصة بك على وحدة التحكم الدقيقة الخاصة بك قد تتغير مع درجة الحرارة ، ولا يتم تحديدها عادةً في ورقة البيانات بأي دقة.
• في حين أن المكثفات الأربعة الخاصة بي كانت جميعها متسقة إلى حد كبير ، إلا أنها كانت من نفس المجموعة وبكرة المكون نفسها ، وليس لدي أي فكرة بصدق عن مدى سوء التباين من دفعة إلى دفعة.
• إذا كنت ترغب فقط في قياس درجات الحرارة المنخفضة (أقل من 10 درجات مئوية) أو درجات الحرارة المرتفعة (فوق 10 درجات مئوية) ، فهذا جيد فقط ، ولكنه عديم الفائدة نسبيًا إذا كنت بحاجة إلى قياس كليهما.
• القياس بطيء! يجب عليك تفريغ المكثف بالكامل قبل أن تتمكن من القياس مرة أخرى.

آمل أن يكون هذا المشروع قد أعطاك بعض الأفكار ، وربما يلهمك لاستخدام مكونات أخرى لأغراض أخرى غير المقصود منها.