Regulacja temperatury, TC, TCR, Ni, Ti, SS316, jak działa?

Trochę o regulacji temperatury w e-papierosach dla osób zaczynających wapowanie na TC.

Proces ten oparty jest na rozwiązaniach sprawdzonych od dziesiątek lat w przemyśle i nauce.

Wszystko miało początek w 1821 roku, gdy Sir Humphrey Davy opublikował odkrycie, że rezystancja metali zależy od temperatury.

Każdy metal lub stop metali ma charakterystyczny dla niego współczynnik, wiążący zmianę jego rezystancji ze zmianą jego temperatury.
Okreslony przyrost temperatury, np. od 20ºC do 200ºC, spowoduje zawsze taki sam względny przyrost rezystancji względem stanu początkowego (dla danego metalu bądź stopu).
Ta cecha umożliwia dokładny pomiar temperatur, nawet do kilkuset stopni Celsjusza, przy użyciu czujników rezystancyjnych.
Obecnie najpopularniejsze są czujniki z platyny, kiedyś szeroko stosowane były również z miedzi i niklu.

Wracając do e-p.

Układ sterujący częścią zasilającą e-p potrafi mierzyć napięcie przykładane do parownika i prąd przezeń płynący, czyli zmierzyć jego rezystancję.
I to już jest połowa sukcesu.

Dla określenia jaka jest aktualna temperatura grzałki potrzebujemy znać rezystancję grzałki w temperaturze odniesienia i bieżącą.
Ponadto potrzebna jest znajomość współczynnika temperaturowego rezystancji.

Regulacja

Rezystancja grzałki przy zmianie temperatury zmienia się zgodnie ze wzorem:

Rk=Ro + ∝*Ro*(Tk-T0)

Gdzie:

  •  ∝  –  Temperaturowy Współczynnik Rezystancji – TWR (ang. TCR=Temperature Coefficient of Resistance)
  • Ro  –  rezystancja w temperaturze początkowej
  • Rk  –  rezystancja w temperaturze końcowej

Układ regulacji, na podstawie wyżej podanego wzoru, wylicza jaka powinna być rezystancja parownika w żądanej temperaturze.

Przykład

  • Wybieramy z menu materiał grzałki (Ni, Ti, SS) lub wprowadzamy (o ile jest taka możliwość) TWR (TCR) dla innego materiału, nie ujętego w menu zasilania.
    Dla przykładu  –  materiał grzałki:  stal nierdzewna   –   TWR=0,00105 /K   (105*10-5/K)
  • Mierzymy rezystancję początkową parownika dla temperatury pokojowej  (~20ºC) i blokujemy ją.
    Dla przykładu –  0,33Ω
  • Ustawiamy żądaną temperaturę.
    Dla przykładu  –  220°C

Układ regulacji, na podstawie wyżej podanego wzoru, wylicza jaka powinna być rezystancja parownika w żądanej temperaturze.

Dla przykładowych wartości będzie to:

Rk=0,33Ω+0,00105*0,33Ω*(220°C-20°C)=0,3993Ω

Po naciśnięciu przycisku do parownika jest przykładane napięcie, zgodnie z mocą  zadaną w menu. Grzałka się rozgrzewa, jej rezystancja wzrasta. Układ regulacji, przez pomiar rezystancji, sprawdza czy została osiągnięta temperatura (rezystancja)  zadana.
Osiągniecie lub przekroczenie zadanej temperatury powoduje zmniejszenie mocy podawanej do parownika.

Przykład z życia.
Rejestracja pracy Evic VTC Mini.
Pomiary z prędkością 500 próbek na sekundę.
evic_ss_30_220_p_example

Niebieska linia to rezystancja grzałki.

Wzrasta od 0,33Ω do około 0,4Ω, wtedy  następuje redukcja napięcia (linia czerwona) i w konsekwencji prądu (linia zielona) oraz mocy wydzielanej na grzałce (linia magenta).
Początkowo rezystancja (temperatura) oscyluje, potem się wygładza, a moc spada w miarę odparowywania płynu z knota.

W przypadku jeśli knot nie jest nawilżony dochodzi do przekroczenia temperatury zadanej i całkowitego wyłączenia grzania.
Wtedy układ, co pewien czas, w przypadku Evic VTC Mini co 200 milisekund,  podaje impulsy napięcia na parownik żeby zmierzyć oporność i określić czy temperatura już spadła poniżej zadanej wartości.

evic_ss_30_220_s_example

Jeśli już tak się stanie, układ zaczyna ponownie zasilać grzałkę ale ze znacznie niższą mocą, niezbędną do utrzymania temperatury.

Poniżej rejestracja pracy regulatora z nasączonym knotem i nadmuchem powietrza na grzałkę.
Nadmuch włączony przez 3 sekundy (od 3000ms  do 6000ms).
Czas otwarcia zaworu jest zobrazowany niebieskawym tłem.

evic_plyn_nadmuch

Wpływ rezystancji dodatkowych.

Rezystancja parownika widziana przez układ regulacyjny  zawsze jest większa od rezystancji grzałki.
Składają się na nią  wszystkie cząstkowe rezystancje doprowadzeń, obudowy parownika, połączeń na gwintach itd.
Podczas grzania znaczącej zmianie ulega tylko rezystancja grzałki.
Jest to jedna z przyczyn błędów regulacji temperatury.

Dla przykładu:

  • Grzałka z drutu niklowego o TCR=600 (∝ = 0,00600)
  • Temperatura żądana (nastawa) Tk = 250°C
  • Temperatura początkowa (pokojowa) To = 20°C

Pierwszy przypadek:

  • Ro=0,20Ω – rezystancja parownika zmierzona i zapamiętana przez zasilanie TC
  • Rg1=0,18Ω – rezystancja samej grzałki

Drugi przypadek:

  • R0=0,20Ω – rezystancja parownika zmierzona i zapamiętana przez zasilanie TC (taka sama jak poprzednio)
  • Rg2=0,19Ω – rezystancja samej grzałki

Układ regulacji wylicza rezystancję jaka odpowiada nastawie temperatury nie wiedząc o ile rezystancja grzałki jest mniejsza od zapamiętanej  („zalogowanej”) wartości rezystancji parownika dla temperatury pokojowej.

Przy założeniu temperatury pokojowej To równej 20°C po podstawieniu do wzoru:

Rk=Ro + ∝*Ro*(Tk-T0)

otrzymujemy Rk=0.476Ω.

Na poniższym wykresie jest to przedstawione  linią w kolorze magenta.

Czerwona linia pokazuje jak zmieniałaby się rezystancja parownika gdyby w całości był podgrzewany i miał TCR=600.
W takim przypadku temperatura rezystancja parownika uzyskałaby wyliczoną wartość przy 250°C
Czerwona strzałka wskazuje punkt przecięcia linii narastania rezystancji i wartości żądanej.

Ale w rzeczywistości zmiany rezystancji dotyczą tylko grzałki. Wtedy narastanie rezystancji parownika jest wyrażone wzorem:

R(T)=Ro + ∝*Rg1*(T-T0)

i zobrazowane linią zieloną. Przecięcie linii zielonej i i linii rezystancji żądanej (pokazane zieloną strzałką) następuje teraz dla temperatury wyższej niż żądana.

Dla przypadku drugiego:

R(T)=Ro + ∝*Rg2*(T-T0)

Zmienność rezystancji pokazuje linia niebieska.
Przecięcie linii niebieskiej i i linii rezystancji żądanej (pokazane niebieską strzałką) następuje teraz dla temperatury niższej niż w poprzednim przypadku ale wyższej niż żądana..

rezystancje_niepozadane

I w powiększeniu.

rezystancje_niepozadane_1

Ponieważ układ sterujący grzaniem nie wie jaki jest udział rezystancji niepożądanych w rezystancji parownika dlatego powstanie błąd temperatury.
25,6°C dla pierwszego przypadku  i 12.1°C dla drugiego.
Nawet jeśli wszystko pozostałe w regulatorze działałoby idealnie.

Sprawdzenie pomiaru temperatury

Najprostszą i najdokładniejszą metodą jest wykorzystanie znanego faktu, że przy ciśnieniu normalnym  woda wrze w temperaturze 100°C.

    • Nasączamy knot obficie wodą przegotowaną lub demi.
    • Ustawiamy temperaturę powyżej 100°C i moc niższą niż przy normalnym, wapowaniu.
    • Naciskamy przycisk grzania i obserwujemy wyświetlacz.
    • Temperatura wzrasta i w pewnym momencie zatrzymuje przy pewnej wartości. To jest własnie faktyczne 100°C
    • Jeśli grzejemy dalej  temperatura ponownie wzrasta, ze względu na wysuszenie knota.

  • h2o
%d blogerów lubi to: