Use capacitores para medir a temperatura: 9 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Este projeto surgiu porque eu comprei um kit de capacitor com principalmente capacitores X7R (boa qualidade), mas alguns dos valores mais altos de 100nF e acima eram o dielétrico Y5V mais barato e menos estável, que exibe uma mudança massiva na temperatura e na tensão de operação. Eu normalmente não usaria Y5V em um produto que estou projetando, então tentei encontrar usos alternativos para eles, em vez de deixá-los na prateleira para sempre.

Eu queria ver se a mudança de temperatura poderia ser explorada para fazer um sensor útil e de custo muito baixo e, como você verá nas próximas páginas, era bastante simples, com apenas um outro componente necessário.

Etapa 1: Teoria

Primeiramente, é útil saber um pouco sobre como os capacitores são construídos e os tipos disponíveis. Os capacitores de cerâmica consistem em uma série de folhas de metal, ou "placas" separadas por um isolador, conhecido como dielétrico. As características deste material (espessura, tipo de cerâmica, número de camadas) fornecem ao capacitor suas propriedades, como tensão operacional, capacitância, coeficiente de temperatura (mudança de capacitância com a temperatura) e faixa de temperatura operacional. Existem alguns dielétricos disponíveis, mas os mais populares são mostrados no gráfico.

NP0 (também chamado de C0G) - estes são os melhores, praticamente sem mudança de temperatura, no entanto, eles tendem a estar disponíveis apenas para valores de baixa capacitância no picoFarad e na faixa nanoFarad baixa.

X7R - são razoáveis, com apenas uma pequena alteração percentual na faixa operacional.

Y5V - como você pode ver, essas são as curvas mais íngremes do gráfico, com um pico em torno de 10C. Isso limita um pouco a utilidade do efeito, porque se o sensor tiver a possibilidade de cair abaixo de 10 graus, será impossível determinar de que lado do pico ele está.

Os outros dielétricos mostrados no gráfico são etapas intermediárias entre os três mais populares descritos acima.

Então, como podemos medir isso? Um microcontrolador tem um nível lógico no qual suas entradas são consideradas altas. Se carregarmos o capacitor por meio de um resistor (para controlar o tempo de carga), o tempo para atingir o nível alto será proporcional ao valor da capacitância.

Etapa 2: Reúna seus materiais

Você vai precisar de:

• Capacitores Y5V, usei o tamanho 100nF 0805.
• Pequenos pedaços de placa de prototipagem para montagem dos capacitores.
• Reduza o calor para isolar os sensores. Alternativamente, você pode mergulhá-los em epóxi ou usar fita isolante.
• Cabo de rede que pode ser removido para produzir 4 pares trançados. Não é obrigatório usar pares trançados, mas a torção ajuda a reduzir o ruído elétrico.
• Microcontrolador - usei um Arduino, mas qualquer um serve
• Resistores - Usei 68k, mas isso depende do tamanho do seu capacitor e da precisão que você deseja que a medição seja.

Ferramentas:

• Ferro de solda.
• Placa de prototipagem para montagem do microcontrolador / Arduino.
• Pistola de calor para o termoencolhível. Um isqueiro também pode ser usado com resultados um pouco mais pobres.
• Termômetro infravermelho ou termopar, para calibrar os sensores.
• Pinças.

Etapa 3: Solde seus capacitores

Nenhuma explicação é necessária aqui - apenas encaixe-os em suas placas usando seu método de soldagem preferido e conecte os dois fios.

Etapa 4: isole os sensores

Encaixe um tubo termorretrátil de tamanho apropriado sobre os sensores, garantindo que nenhuma extremidade fique exposta, e encolha-o usando ar quente.

Etapa 5: coloque seu resistor e conecte o sensor

Selecionei a seguinte pinagem.

PIN3: Saída

PIN2: entrada

Etapa 6: escrever software

A técnica de medição básica é mostrada acima. Para explicar como funciona, o uso do comando millis () retorna o número de milissegundos desde que o Arduino foi ligado. Se você fizer uma leitura no início e no final da medição e subtrair o valor inicial do final, obterá o tempo em milissegundos para o capacitor carregar.

Após a medição, é muito importante que você defina o pino de saída baixo para descarregar o capacitor e espere um período de tempo apropriado antes de repetir a medição para que o capacitor seja completamente descarregado. No meu caso, um segundo foi suficiente.

Em seguida, expulsei os resultados da porta serial para que pudesse observá-los. Inicialmente, descobri que milissegundos não eram precisos o suficiente (fornecendo apenas um único valor de algarismo), então mudei para usar o comando micros () para obter o resultado em microssegundos, que como você esperava era cerca de 1000x o valor anterior. O valor ambiente em torno de 5000 flutuou significativamente, então, para facilitar a leitura, dividi por 10.

Etapa 7: realizar a calibração

Fiz leituras a 27,5 ° C (temperatura ambiente - quente aqui para o Reino Unido!), Coloquei o feixe do sensor na geladeira e deixei esfriar até aproximadamente 10 ° C, verificando com o termômetro infravermelho. Fiz uma segunda série de leituras, depois coloquei no forno na configuração de degelo, monitorando continuamente com termômetro até que estivessem prontas para registrar a 50 ° C.

Como você pode ver nos gráficos acima, os resultados foram bastante lineares e consistentes em todos os 4 sensores.

Etapa 8: Rodada de software 2

Agora modifiquei meu software usando a função de mapa do Arduino, para remapear as leituras médias superior e inferior dos gráficos para 10C e 50C, respectivamente.

Tudo está funcionando como planejado, fiz algumas verificações em toda a faixa de temperatura.

Etapa 9: Resumo do Projeto - Prós e Contras

Então aí está, um sensor de temperatura por menos de £ 0,01 em componentes.

Então, por que você não gostaria de fazer isso em seu projeto?

• A capacitância flutua com a tensão de alimentação, portanto, deve-se usar uma fonte regulada (não pode alimentar diretamente de uma bateria) e se você decidir mudar a alimentação, deverá calibrar os sensores novamente.
• A capacitância não é a única coisa que muda com a temperatura - considere que seu limite alto de entrada em seu microcontrolador pode mudar com a temperatura, e geralmente não é definido na folha de dados com precisão.
• Embora meus 4 capacitores fossem todos bastante consistentes, eles eram do mesmo lote e da mesma bobina de componente e eu honestamente não tenho ideia de como a variação de lote para lote seria ruim.
• Se você só deseja medir baixas temperaturas (abaixo de 10C) ou altas temperaturas (acima de 10C), somente isso está OK, mas relativamente inútil se você precisar medir ambos.
• A medição está lenta! Você deve descarregar totalmente o capacitor antes de poder medir novamente.

Espero que este projeto tenha lhe dado algumas idéias e talvez o inspire a usar outros componentes para finalidades diferentes das pretendidas.