Utiliser des condensateurs pour mesurer la température : 9 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Ce projet est né parce que j'ai acheté un kit de condensateurs avec principalement des condensateurs X7R (de bonne qualité), mais certaines des valeurs les plus élevées de 100 nF et plus étaient le diélectrique Y5V moins cher et moins stable, qui présente un changement massif de température et de tension de fonctionnement. Je n'utiliserais normalement pas Y5V dans un produit que je conçois, alors j'ai essayé de leur trouver des utilisations alternatives plutôt que de les laisser reposer sur l'étagère pour toujours.

Je voulais voir si le changement de température pouvait être exploité pour fabriquer un capteur utile et à très faible coût, et comme vous le verrez dans les prochaines pages, c'était assez simple, avec un seul autre composant requis.

Étape 1: Théorie

Tout d'abord, il est utile d'en savoir un peu plus sur la façon dont les condensateurs sont construits et les types disponibles. Les condensateurs en céramique sont constitués d'un certain nombre de tôles, ou « plaques » séparées par un isolant, appelé diélectrique. Les caractéristiques de ce matériau (épaisseur, type de céramique, nombre de couches) confèrent au condensateur ses propriétés telles que la tension de fonctionnement, la capacité, le coefficient de température (changement de capacité avec la température) et la plage de température de fonctionnement. Il existe de nombreux diélectriques disponibles, mais les plus populaires sont indiqués sur le graphique.

NP0 (également appelé C0G) - ce sont les meilleurs, avec pratiquement aucun changement de température, mais ils ont tendance à n'être disponibles que pour les faibles valeurs de capacité dans la plage picoFarad et faible nanoFarad.

X7R - ceux-ci sont raisonnables, avec seulement un petit pourcentage de changement sur la plage de fonctionnement.

Y5V - comme vous pouvez le voir, il s'agit de la courbe la plus raide du graphique, avec un pic autour de 10C. Cela limite quelque peu l'utilité de l'effet, car si le capteur a la possibilité de descendre en dessous de 10 degrés, il sera impossible de déterminer de quel côté du pic il se trouve.

Les autres diélectriques montrés sur le graphique sont des étapes intermédiaires entre les trois plus populaires décrits ci-dessus.

Alors, comment pouvons-nous mesurer cela? Un microcontrôleur a un niveau logique auquel ses entrées sont considérées comme élevées. Si on charge le condensateur via une résistance (pour contrôler le temps de charge), le temps pour atteindre le niveau haut sera proportionnel à la valeur de la capacité.

Étape 2: Rassemblez vos documents

Tu auras besoin de:

• Condensateurs Y5V, j'ai utilisé la taille 100nF 0805.
• Petits morceaux de carte de prototypage pour monter les condensateurs.
• Thermorétractable pour isoler les capteurs. Alternativement, vous pouvez les tremper dans de l'époxy ou utiliser du ruban isolant.
• Câble réseau qui peut être dénudé pour produire 4 paires torsadées. Pas obligatoire d'utiliser des paires torsadées, mais la torsion permet de réduire le bruit électrique.
• Microcontrôleur - J'ai utilisé un Arduino mais n'importe lequel fera l'affaire
• Résistances - J'ai utilisé 68k mais cela dépend de la taille de votre condensateur et de la précision de la mesure que vous souhaitez.

Outils:

• Fer à souder.
• Carte de prototypage pour monter le microcontrôleur/Arduino.
• Pistolet thermique pour la gaine thermorétractable. Un briquet peut également être utilisé avec des résultats légèrement inférieurs.
• Thermomètre infrarouge ou thermocouple, pour calibrer les capteurs.
• Pince à épiler.

Étape 3: soudez vos condensateurs

Aucune explication n'est nécessaire ici - installez-les simplement sur vos cartes en utilisant votre méthode de soudage préférée et attachez les deux fils.

Étape 4: Isolez les capteurs

Placez un tube thermorétractable de taille appropriée sur les capteurs en vous assurant qu'aucune extrémité n'est exposée, et rétractez-le à l'aide d'air chaud.

Étape 5: Installez votre résistance et connectez le capteur

J'ai sélectionné le brochage suivant.

PIN3: Sortie

PIN2: Saisie

Étape 6: Écrire un logiciel

La technique de mesure de base est illustrée ci-dessus. Pour expliquer comment cela fonctionne, l'utilisation de la commande millis () renvoie le nombre de millisecondes depuis la mise sous tension de l'Arduino. Si vous prenez une lecture au début et à la fin de la mesure, et soustrayez la valeur de départ de la fin, vous obtenez le temps en millisecondes pour que le condensateur se charge.

Après la mesure, il est très important de régler la broche de sortie à un niveau bas pour décharger le condensateur et d'attendre un laps de temps approprié avant de répéter la mesure afin que le condensateur soit complètement déchargé. Dans mon cas, une seconde a suffi.

J'ai ensuite vomi les résultats du port série afin de pouvoir les observer. Au départ, j'ai trouvé que les millisecondes n'étaient pas assez précises (ne donnant qu'une seule valeur chiffrée), je l'ai donc modifiée pour utiliser la commande micros() pour obtenir le résultat en microsecondes, ce qui, comme on pouvait s'y attendre, était d'environ 1000 fois la valeur précédente. La valeur ambiante autour de 5000 a considérablement fluctué, donc pour faciliter la lecture, j'ai divisé par 10.

Étape 7: effectuer l'étalonnage

J'ai pris des mesures à 27,5 °C (température ambiante - chaude ici pour le Royaume-Uni !), puis j'ai placé le faisceau de capteurs dans le réfrigérateur et je les ai laissés refroidir à environ 10 °C, en vérifiant avec le thermomètre infrarouge. J'ai pris une deuxième série de lectures, puis je les ai mises dans le four sur le réglage de dégivrage, en surveillant continuellement avec un thermomètre jusqu'à ce qu'elles soient prêtes à enregistrer à 50 ° C.

Comme vous pouvez le voir sur les graphiques ci-dessus, les résultats étaient assez linéaires et cohérents sur les 4 capteurs.

Étape 8: 2e partie du logiciel

J'ai maintenant modifié mon logiciel à l'aide de la fonction de carte Arduino, pour remapper les lectures moyennes supérieures et inférieures des tracés à 10C et 50C respectivement.

Tout fonctionne comme prévu, j'ai effectué quelques vérifications sur toute la plage de température.

Étape 9: Résumé du projet - Avantages et inconvénients

Alors voilà, un capteur de température pour moins de 0,01 £ en composants.

Alors, pourquoi ne voudriez-vous pas faire cela dans votre projet ?

• La capacité fluctue avec la tension d'alimentation, vous devez donc utiliser une alimentation régulée (ne peut pas être alimentée directement par une batterie) et si vous décidez de changer d'alimentation, vous devez à nouveau étalonner les capteurs.
• La capacité n'est pas la seule chose qui change avec la température - considérez que votre seuil haut d'entrée sur votre microcontrôleur peut changer avec la température, et il n'est généralement pas défini avec précision dans la fiche technique.
• Alors que mes 4 condensateurs étaient tous assez cohérents, ils provenaient du même lot et de la même bobine de composants et honnêtement, je n'ai aucune idée de la gravité de la variation de lot à lot.
• Si vous souhaitez uniquement mesurer des températures basses (inférieures à 10C) ou des températures élevées (supérieures à 10C), cela est correct, mais relativement inutile si vous devez mesurer les deux.
• La mesure est lente ! Vous devez décharger complètement le condensateur avant de pouvoir mesurer à nouveau.

J'espère que ce projet vous a donné quelques idées, et peut-être vous inciter à utiliser d'autres composants à des fins autres que celles auxquelles ils étaient destinés.