Gunakan Kapasitor untuk Mengukur Suhu: 9 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Proyek ini muncul karena saya membeli kit kapasitor dengan sebagian besar kapasitor X7R (kualitas baik), tetapi beberapa nilai yang lebih tinggi 100nF dan di atasnya adalah dielektrik Y5V yang lebih murah dan kurang stabil, yang menunjukkan perubahan besar pada suhu dan tegangan operasi. Saya biasanya tidak menggunakan Y5V dalam produk yang saya rancang, jadi saya mencoba mencari kegunaan alternatif untuk mereka daripada membiarkan mereka duduk di rak selamanya.

Saya ingin melihat apakah perubahan suhu dapat dimanfaatkan untuk membuat sensor yang berguna dan berbiaya sangat rendah, dan seperti yang akan Anda lihat di beberapa halaman berikutnya, itu cukup sederhana, hanya dengan satu komponen lain yang diperlukan.

Langkah 1: Teori

Pertama, ada baiknya mengetahui sedikit tentang bagaimana kapasitor dibangun, dan jenis yang tersedia. Kapasitor keramik terdiri dari sejumlah lembaran logam, atau 'pelat' yang dipisahkan oleh isolator, yang dikenal sebagai dielektrik. Karakteristik bahan ini (ketebalan, jenis keramik, jumlah lapisan) memberikan kapasitor sifat-sifatnya seperti tegangan operasi, kapasitansi, koefisien suhu (perubahan kapasitansi dengan suhu) dan kisaran suhu operasi. Ada beberapa dielektrik yang tersedia, tetapi yang paling populer ditunjukkan pada grafik.

NP0 (juga disebut C0G) - ini adalah yang terbaik, dengan hampir tidak ada perubahan suhu namun mereka cenderung hanya tersedia untuk nilai kapasitansi rendah dalam rentang picoFarad dan nanoFarad rendah.

X7R - ini masuk akal, dengan hanya persentase kecil perubahan pada rentang operasi.

Y5V - seperti yang Anda lihat ini adalah kurva paling curam pada grafik, dengan puncaknya sekitar 10C. Ini agak membatasi kegunaan efeknya, karena jika sensor memiliki kemungkinan untuk bergerak di bawah 10 derajat, tidak mungkin untuk menentukan sisi puncaknya yang mana.

Dielektrik lain yang ditunjukkan pada grafik adalah langkah-langkah perantara antara tiga yang paling populer dijelaskan di atas.

Jadi bagaimana kita bisa mengukur ini? Mikrokontroler memiliki tingkat logika di mana inputnya dianggap tinggi. Jika kita mengisi kapasitor melalui resistor (untuk mengontrol waktu pengisian), waktu untuk mencapai level tinggi akan sebanding dengan nilai kapasitansi.

Langkah 2: Kumpulkan Bahan Anda

Anda akan perlu:

• Kapasitor Y5V, saya menggunakan ukuran 100nF 0805.
• Potongan-potongan kecil papan prototipe untuk memasang kapasitor.
• Heatshrink untuk mengisolasi sensor. Atau Anda bisa mencelupkannya ke dalam epoksi, atau menggunakan selotip.
• Kabel jaringan yang dapat dilucuti untuk menghasilkan 4 pasangan bengkok. Tidak wajib untuk menggunakan pasangan bengkok, tetapi memutar membantu mengurangi kebisingan listrik.
• Mikrokontroler - Saya menggunakan Arduino tetapi ada yang bisa
• Resistor - Saya menggunakan 68k tetapi ini tergantung pada ukuran kapasitor Anda dan seberapa akurat pengukuran yang Anda inginkan.

Peralatan:

• Besi Solder.
• Papan prototipe untuk memasang mikrokontroler/Arduino.
• Pistol panas untuk heatshrink. Pemantik rokok juga dapat digunakan dengan hasil yang sedikit lebih buruk.
• Termometer inframerah atau termokopel, untuk mengkalibrasi sensor.
• Pinset.

Langkah 3: Solder Kapasitor Anda

Tidak diperlukan penjelasan di sini - cukup pasangkan ke papan Anda menggunakan metode penyolderan pilihan Anda, dan pasang kedua kabel.

Langkah 4: Isolasi Sensor

Pasang tabung heatshrink berukuran tepat di atas sensor untuk memastikan tidak ada ujung yang terbuka, dan kecilkan menggunakan udara panas.

Langkah 5: Pasang Resistor Anda dan Hubungkan Sensor

Saya memilih pinout berikut.

PIN3: Keluaran

PIN2: Masukan

Langkah 6: Tulis Perangkat Lunak

Teknik pengukuran dasar ditunjukkan di atas. Untuk menjelaskan cara kerjanya, menggunakan perintah milis() mengembalikan jumlah milidetik sejak Arduino dinyalakan. Jika Anda membaca pada awal dan akhir pengukuran, dan mengurangi nilai awal dari akhir, Anda memperoleh waktu dalam milidetik untuk kapasitor untuk mengisi.

Setelah pengukuran, sangat penting untuk menyetel pin keluaran rendah untuk melepaskan kapasitor, dan menunggu beberapa saat sebelum mengulangi pengukuran sehingga kapasitor benar-benar kosong. Dalam kasus saya, satu detik sudah cukup.

Saya kemudian memuntahkan hasilnya dari port serial sehingga saya bisa mengamatinya. Awalnya saya menemukan bahwa milidetik tidak cukup akurat (hanya memberikan nilai angka tunggal), jadi saya mengubahnya untuk menggunakan perintah micros() untuk mendapatkan hasil dalam mikrodetik, yang seperti yang Anda harapkan sekitar 1000x nilai sebelumnya. Nilai ambient sekitar 5000 berfluktuasi secara signifikan, jadi untuk memudahkan membaca saya bagi dengan 10.

Langkah 7: Lakukan Kalibrasi

Saya melakukan pembacaan pada 27,5C (suhu kamar - panas di sini untuk Inggris!), Kemudian menempatkan bundel sensor di lemari es dan membiarkannya mendingin hingga sekitar 10C, memeriksa dengan termometer inframerah. Saya mengambil set kedua pembacaan, kemudian memasukkannya ke dalam oven pada pengaturan defrost, terus memantau dengan termometer sampai siap untuk merekam pada 50C.

Seperti yang Anda lihat dari plot di atas, hasilnya cukup linier, dan konsisten di keempat sensor.

Langkah 8: Putaran Perangkat Lunak 2

Saya sekarang memodifikasi perangkat lunak saya menggunakan fungsi peta Arduino, untuk memetakan kembali pembacaan rata-rata atas dan bawah dari plot masing-masing ke 10C dan 50C.

Semua berfungsi sesuai rencana, saya melakukan beberapa pemeriksaan di seluruh rentang suhu.

Langkah 9: Ringkasan Proyek - Pro dan Kontra

Jadi begitulah, sensor suhu dengan komponen kurang dari £0,01.

Jadi, mengapa Anda tidak ingin melakukan ini dalam proyek Anda?

• Kapasitansi berfluktuasi dengan tegangan suplai, jadi harus menggunakan suplai yang diatur (tidak dapat langsung daya dari baterai) dan jika Anda memutuskan untuk mengubah suplai maka Anda harus mengkalibrasi sensor lagi.
• Kapasitansi bukan satu-satunya hal yang berubah dengan suhu - pertimbangkan bahwa input Anda ambang batas tinggi pada mikrokontroler Anda dapat berubah dengan suhu, dan biasanya tidak ditentukan dalam lembar data dengan presisi apa pun.
• Sementara 4 kapasitor saya semuanya cukup konsisten, mereka berasal dari batch yang sama dan gulungan komponen yang sama dan sejujurnya saya tidak tahu seberapa buruk variasi batch-to-batch.
• Jika Anda hanya ingin mengukur suhu rendah (di bawah 10C) atau suhu tinggi (di atas 10C), ini tidak masalah, tetapi relatif tidak berguna jika Anda perlu mengukur keduanya.
• Pengukuran lambat! Anda harus mengosongkan kapasitor sepenuhnya sebelum Anda dapat mengukur lagi.

Saya harap proyek ini memberi Anda beberapa ide, dan mungkin menginspirasi Anda untuk menggunakan komponen lain untuk tujuan selain yang dimaksudkan.