Utilice condensadores para medir la temperatura: 9 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Este proyecto surgió porque compré un kit de condensadores con condensadores principalmente X7R (buena calidad), pero algunos de los valores más altos de 100nF y superiores fueron el dieléctrico Y5V más barato y menos estable, que exhibe un cambio masivo sobre la temperatura y el voltaje de funcionamiento. Normalmente no usaría Y5V en un producto que estoy diseñando, así que intenté encontrar usos alternativos para ellos en lugar de dejarlos en el estante para siempre.

Quería ver si se podía aprovechar el cambio de temperatura para hacer un sensor útil y de muy bajo costo, y como verá en las próximas páginas, era bastante simple, solo se requería otro componente.

Paso 1: Teoría

Primero, es útil saber un poco sobre cómo se construyen los condensadores y los tipos disponibles. Los condensadores cerámicos constan de una serie de láminas de metal o "placas" separadas por un aislante, conocido como dieléctrico. Las características de este material (espesor, tipo de cerámica, número de capas) le dan al condensador sus propiedades como voltaje de operación, capacitancia, coeficiente de temperatura (cambio de capacitancia con la temperatura) y rango de temperatura de operación. Hay bastantes dieléctricos disponibles, pero los más populares se muestran en el gráfico.

NP0 (también llamado C0G): estos son los mejores, prácticamente sin cambios en la temperatura, sin embargo, tienden a estar disponibles solo para valores de capacitancia bajos en el rango de picoFarad y nanoFarad.

X7R: estos son razonables, con solo un pequeño cambio porcentual en el rango operativo.

Y5V: como puede ver, esta es la curva más empinada del gráfico, con un pico de alrededor de 10 ° C. Esto limita un poco la utilidad del efecto, porque si el sensor tiene la posibilidad de bajar de los 10 grados, será imposible determinar de qué lado del pico se encuentra.

Los otros dieléctricos que se muestran en el gráfico son pasos intermedios entre los tres más populares descritos anteriormente.

Entonces, ¿cómo podemos medir esto? Un microcontrolador tiene un nivel lógico en el que sus entradas se consideran altas. Si cargamos el condensador a través de una resistencia (para controlar el tiempo de carga), el tiempo para alcanzar el nivel alto será proporcional al valor de capacitancia.

Paso 2: reúna sus materiales

Necesitará:

• Condensadores Y5V, utilicé el tamaño 100nF 0805.
• Pequeñas piezas de placa de prototipos para montar los condensadores.
• Termoencogible para aislar los sensores. Alternativamente, puede sumergirlos en epoxi o usar cinta aislante.
• Cable de red que se puede desmontar para producir 4 pares trenzados. No es obligatorio utilizar pares trenzados, pero el trenzado ayuda a reducir el ruido eléctrico.
• Microcontrolador: utilicé un Arduino pero cualquiera servirá
• Resistencias: utilicé 68k, pero esto depende del tamaño de su condensador y de la precisión que desee que tenga la medición.

Instrumentos:

• Soldador.
• Placa de prototipos para montar el microcontrolador / Arduino.
• Pistola de calor para termorretráctil. También se puede utilizar un encendedor de cigarrillos con resultados ligeramente peores.
• Termómetro infrarrojo o termopar, para calibrar los sensores.
• Pinzas.

Paso 3: suelde sus condensadores

No se necesita explicación aquí, simplemente colóquelos en sus placas utilizando su método de soldadura preferido y conecte los dos cables.

Paso 4: aísle los sensores

Coloque un tubo termorretráctil del tamaño apropiado sobre los sensores, asegurándose de que ningún extremo quede expuesto, y encoja con aire caliente.

Paso 5: coloque su resistencia y conecte el sensor

Seleccioné el siguiente pinout.

PIN3: Salida

PIN2: Entrada

Paso 6: Escriba el software

La técnica de medición básica se muestra arriba. Para explicar cómo funciona, el uso del comando millis () devuelve el número de milisegundos desde que se encendió el Arduino. Si toma una lectura al inicio y al final de la medición, y resta el valor inicial del final, obtiene el tiempo en milisegundos para que se cargue el capacitor.

Después de la medición, es muy importante que establezca el pin de salida en un nivel bajo para descargar el condensador y espere una cantidad de tiempo adecuada antes de repetir la medición para que el condensador se descargue por completo. En mi caso, un segundo fue suficiente.

Luego arrojé los resultados por el puerto serie para poder observarlos. Inicialmente encontré que milisegundos no era lo suficientemente preciso (dando solo un valor de una sola cifra), así que lo cambié para usar el comando micros () para obtener el resultado en microsegundos, que como era de esperar era alrededor de 1000 veces el valor anterior. El valor ambiental en torno a 5000 fluctuó significativamente, por lo que para facilitar la lectura, lo dividí por 10.

Paso 7: Realice la calibración

Tomé lecturas a 27,5 ° C (temperatura ambiente, ¡caliente aquí para el Reino Unido!), Luego coloqué el paquete de sensores en el refrigerador y dejé que se enfriaran a aproximadamente 10 ° C, comprobando con el termómetro infrarrojo. Tomé una segunda serie de lecturas, luego las puse en el horno en la configuración de descongelación, monitoreando continuamente con el termómetro hasta que estuvieron listas para registrar a 50 ° C.

Como puede ver en los gráficos anteriores, los resultados fueron bastante lineales y consistentes en los 4 sensores.

Paso 8: Ronda de software 2

Ahora modifiqué mi software usando la función de mapa de Arduino, para reasignar las lecturas promedio superior e inferior de las parcelas a 10C y 50C respectivamente.

Todo está funcionando según lo planeado, realicé algunas verificaciones en todo el rango de temperatura.

Paso 9: Resumen del proyecto: pros y contras

Ahí lo tiene, un sensor de temperatura por menos de £ 0.01 en componentes.

Entonces, ¿por qué no querrías hacer esto en tu proyecto?

• La capacitancia fluctúa con el voltaje de suministro, por lo que debe usar un suministro regulado (no se puede alimentar directamente desde una batería) y si decide cambiar el suministro, debe calibrar los sensores nuevamente.
• La capacitancia no es lo único que cambia con la temperatura; tenga en cuenta que su umbral alto de entrada en su microcontrolador puede cambiar con la temperatura y, por lo general, no se define en la hoja de datos con precisión.
• Si bien mis 4 condensadores eran todos bastante consistentes, eran del mismo lote y del mismo carrete de componentes y, honestamente, no tengo idea de qué tan mala sería la variación de un lote a otro.
• Si solo desea medir temperaturas bajas (por debajo de 10 ° C) o temperaturas altas (por encima de 10 ° C), solo esto está bien, pero es relativamente inútil si necesita medir ambos.
• ¡La medición es lenta! Debe descargar completamente el capacitor antes de poder medir nuevamente.

Espero que este proyecto le haya dado algunas ideas y tal vez lo inspire a usar otros componentes para fines distintos a los previstos.