By Haze - 21 maja 2016, 20:55
Posty: 2106
Rejestracja: 03 lut 2013, 16:18
Posty: 2106
Rejestracja: 03 lut 2013, 16:18
- 21 maja 2016, 20:55
#1657753
Poniższy tekst jest tłumaczeniem artykułu naszych włoskich Kolegów Lorenzo Perego (Tabac) i Igino Pitacco (Igiit), oryginał tutaj: http://www.sigmagazine.it/2016/05/confronto-box-controllo-temperatura/. Zamieszczam go bo panowie postanowili chwycić byka za rogi i sprawdzić działanie TC w sposób najbardziej do tego adekwatny, czyli analizując temperaturę grzałki. Moje testy na oscyloskopie dają nam wiedzę bardziej o sposobie w jaki elektronika realizuje TC, ale bezpośredniego przełożenia na temperaturę nie odważyłem się wykonać. Głównie dlatego, że nie znam metody, która pozwoliłaby na miarodajny pomiar wykonany bez ingerencji w mierzony układ. I tak jest też w przypadku Włochów - od razu zaznaczam, że ich metoda NIE JEST DOSKONAŁA - Kolega @Tajwoj, który zna już ten tekst zgłosił kilka zastrzeżeń (z niektórymi nawet się zgadzam ), być może tutaj też się wypowie, ale obydwaj zgadzamy się też, że artykuł jest ciekawy i może stanowić dobry punkt wyjścia do udoskonalenia przedstawionej metody. No i wyniki są dość ... szokujące.
Głównym tłumaczem tekstu był @TommyBlack , korygowała językowo Dorota , ja porządkowałem rzeczy merytoryczne. Prosimy o wyrozumiałość podczas czytania ponieważ przełożenie włoskiej myśli inżynierskiej (i nie tylko) na nasze trudno wykonać 1:1 więc tekst ma trochę niedoskonałości.
UWAGA - ponieważ cały tekst i tak jest dość długi pomijam wstęp o idei działania TC, wyliczaniu TCR-ów, itp., zaczynamy od razu od układu pomiarowego.
- - - - - - - - - - - - -
UKŁAD POMIAROWY.
Pomiar temperatury grzałki najłatwiejszy byłby przy odkrytym parowniku i bez nośnika liquidu. Oczywiście byłaby to sytuacja całkowicie nienaturalna dla nas i również dla elektroniki moda TC - brak czynnika, który odbierałby ciepło z grzałki spowodowałby gwałtowny wzrost jej temperatury i natychmiastowe zadziałanie regulacji TC poprzez odcięcie napięcia. Ciepło z grzałki można by odbierać strumieniem powietrza chłodzącego zwoje, ale to również warunki nieporównywalne do rzeczywistego odparowywania liquidu z nośnika.
Problemem pozostaje też sam miernik temperatury:
• podczerwień (IR) - teoretycznie najprostsza metoda pomiaru, w dodatku odbywająca się bez kontaktu czujnika z grzałką. Niestety w naszym przypadku zbyt mało precyzyjna i zbyt zależna od stanu powierzchni i stopnia skomplikowania grzałki,
• termopara - umieszczona na grzałce zmieni rozpływ prądu w układzie czyli drastycznie wpłynie na obserwowane zjawisko, a umieszczona w pewnej odległości będzie mierzyła temperaturę powietrza otaczającego grzałkę a nie ją samą.
Po wykonaniu kilku prób wydaje się, że najbardziej wiarygodną metodą będzie pomiar temperatury grzałki umieszczonej w dielektryku o dużej przewodności cieplnej i pojemności cieplnej zbliżonej do rzeczywistych konfiguracji waperskich, tak jak pokazano na rysunku poniżej:
Należy zwrócić uwagę aby zwoje były w całości zanurzone w materiale odbierającym ciepło a termoelement usytuowany jak najbliżej ich powierzchni ale nie dotykając ich. Od odległości termoelement-grzałka oraz od przewodności cieplnej wypełniacza zależeć będzie opóźnienie z jakim mierzona będzie temperatura. Najbardziej do tego celu nadawał się silikon termoprzewodzący, który jest bardzo dobrym dielektrykiem i nie traci swoich własności w temperaturze do 250*C.
Na rysunku poniżej pokazano poglądowo różnicę temperatur mierzonych przez elektronikę moda oraz przez zastosowaną termoparę:
Przebieg niebieskiej krzywej jest efektem działania algorytmu TC. Na rysunku widać, że wartość mierzona przez termoparę stabilizuje się w okolicach zbliżonych do rzeczywistej temperatury grzałki po czasie Tst, który w praktyce wynosi 7-10 sekund. Ponieważ część modów odcina zasilanie po 10 sekundach od załączenia to aby uzyskać stabilne odczyty, termopara musiała zostać rozgrzana do 160 stopni, a następnie dopiero po kilkusekundowej przerwie wykonywano właściwy pomiar. Tak jak pokazano to na rysunku poniżej:
W eksperymencie wykorzystano grzałki wykonane z niklu, tytanu i stali nierdzewnej:
Rezystancję wyjściową (w temperaturze otoczenia) zmierzono za pomocą miliomomierza o dokładności ± 0,0001 ohma, po dokładnym wyczyszczeniu wszystkich punktów styku.
WARUNKI BADANIA.
• temperatura graniczna TC: 200°C (w jednym przypadku 182°C),
• zakres mocy: 10-15W (10-15J w przypadku elektroniki YiHi),
• czas odcięcia: 10s (jeśli była możliwość),
Współczynnik temperaturowy TCR standardowo wyznaczany jest jako zmiana rezystancji wywołana zmianą temperatury z 20 do 300°C. 300°C to temperatura dużo wyższa niż zalecana w modach TC, a zwłaszcza 200°C przyjęte w tym teście, więc standardowo wyliczony TCR wnosiłby kilkustopniowy błąd temperaturowy spowodowany nieliniowością charakterystyki termoelektrycznej. Dlatego dla każdego z badanych materiałów współczynnik TCR był wyznaczany niezależnie dla zakresu zmian temperatury 20-200°C.
Dla każdej konfiguracji wykonano 3 do 5 pomiarów w odstępach pozwalających na wychłodzenie grzałki poniżej temperatury 160. W każdym z pomiarów zapisywano maksymalną osiągniętą temperaturę TM,r. Z trzech takich pomiarów wyliczano wartość średnią oznaczaną jako Tm,r - różnica pomiędzy tymi wielkościami jest dobrą miarą rozrzutu wyników lub innymi słowy stabilności układu regulacji. Pomiary wykonano dla następujących modów:
Ocena jakości regulacji TC dokonana została na podstawie maksymalnego błędu temperatury według poniższej tabeli:
W modach powalających na ręczne wprowadzenie współczynnika TCR ocena wykonywana była również w tym trybie.
Podczas wykonywania testu, po etapie ogrzewania, niektóre zasilania, w szczególności IPv5 z grzałką niklową wykazywały tendencję sygnalizowania wysuszenia grzałki. Aby móc osiągnąć stabilny odczyt zmierzonych temperatur konieczne było kilkukrotne zwolnienie i naciśnięcie przycisku fire po każdym pierwszym bloku.
Mod VT133 testowany był w każdym z 3 trybów dostępnych w elektronice DNA200:
• domyślna krzywa TFR predefiniowana w Escribe,
• ręcznie podany współczynnik TCR,
• krzywa TFR z generatora na stronie http://www.steam-engine.org/wirewiz.asp.
DNA200 umożliwia dodatkowo podanie rezystancji atomizera, ale aby zachować zgodność z pozostałymi modami została ona ustawiona na 0.
WYNIKI
Grzałka SS316L
Dystrybutor drutu (zivipf) deklaruje wartość współczynnika TCR=0,001. Według steam-engine jest to 0,00088 ale nie jest to wartość idealnie dobrana do zakresu temperatur przyjętego w niniejszym eksperymencie (wspomniano o tym wcześniej).
Dlatego na potrzeby testu wyliczono współczynnik TCR dla zmiany temperatury w zakresie 20-200°C, według wzoru:
TCR = (1,168 - 1) / (200 -20) = 0,000933
gdzie 1 oraz 1,168 to wartości odczytane z krzywej TFR pokazanej na stronie steam-engine, odpowiednio dla 20 i 200°C.
W poniższej tabeli dla każdego boxa pokazano:
• zadaną temperaturę Tc,
• średnią temperaturę uzyskaną w co najmniej trzech pomiarach Tm,r,
• maksymalną temperaturę grzałki w serii pomiarów - TM,r
Na niebiesko pokazano wyniki najlepsze, na czerwono najgorsze.
* Dla Dani Extreme V2, minimalna możliwa do ustawienia wartość TCR wynosi 0,00100 więc niemożliwe było użycie wartości 0,00093.
Grzałka tytanowa
Wartość TCR dla tytanu wynosi 0,00368 i jest niemal identyczna z podawaną przez steam-engine (charakterystyka temperaturowa tytanu jest praktycznie idealnie liniowa).
Warto zauważyć, że o ile wyniki mocno różnią się pomiędzy poszczególnymi modami, to rozrzut wyników w obrębie pojedynczych konfiguracji jest minimalny - różnica pomiędzy wartością średnią i maksymalną często wręcz nie występuje potwierdzając doskonałe właściwości tytanu w TC.
Grzałka Ni200
Wartość współczynnika TCR wyliczono analogicznie jak dla SS316 według wzoru:
TCR = (1,92271 -1) / (200 - 20) = 0.005126 = ~0,00513
* Gdy temperatura mierzona termoparą dochodziła do 245 °C zasilanie było przerywane żeby nie uszkodzić termicznie silikonu. Bezwładność układu powodowała, że temperatura termopary jeszcze trochę rosła osiągając zawsze co najmniej 250 °C.
PODSUMOWANIE.
Jak widać zwycięskim zasilaniem został Pioner4You IPV5-200 a dokładniej mówiąc chip SX330-200 firmy Yihi. W trybie z ręcznie wprowadzanym współczynnikiem TCR uzyskał on najwyższe oceny niezależnie od zastosowanego materiału grzałki a wyniki były bardzo powtarzalne.
Tuż za nim uplasował się Dani Extreme v2, który jedynie dla grzałki niklowej działał stosunkowo mało precyzyjnie.
Dobrze wypadł również HCigar VT133 z chipem DNA200. Wprawdzie pojawiły się problemy przy ustawieniach domyślnych dla grzałki SS316L ale zostały one zrównoważone doskonałym działaniem przy ręcznie podanym współczynniku TCR oraz dla krzywej TFR ze steam-engine. Ponadto w przypadku niklu VT133 może być o klasę lepszy po uwzględnieniu w Escribe rezystancji parownika. Próbowaliśmy to udowodnić w wielu podejściach na tytanie ale nie udało się uzyskać znacząco lepszych wyników.
Od autorów: pomimo, że zrobiliśmy wszystko co możliwe aby uzyskać miarodajne wyniki zdajemy sobie sprawę z ogromnego ograniczenia metodologicznego polegającego na użyciu w eksperymencie naszych własnych zasilań. Aby pomiary były rzetelne statystycznie należałoby użyć co najmniej 3 egzemplarzy każdego zasilania i takim samym stopniu wyeksploatowania.
- - - - - - - - - - -
I to by było na tyle. Przyznam, że wyniki są zaskakujące i aż proszą się o weryfikację ...
Głównym tłumaczem tekstu był @TommyBlack , korygowała językowo Dorota , ja porządkowałem rzeczy merytoryczne. Prosimy o wyrozumiałość podczas czytania ponieważ przełożenie włoskiej myśli inżynierskiej (i nie tylko) na nasze trudno wykonać 1:1 więc tekst ma trochę niedoskonałości.
UWAGA - ponieważ cały tekst i tak jest dość długi pomijam wstęp o idei działania TC, wyliczaniu TCR-ów, itp., zaczynamy od razu od układu pomiarowego.
- - - - - - - - - - - - -
UKŁAD POMIAROWY.
Pomiar temperatury grzałki najłatwiejszy byłby przy odkrytym parowniku i bez nośnika liquidu. Oczywiście byłaby to sytuacja całkowicie nienaturalna dla nas i również dla elektroniki moda TC - brak czynnika, który odbierałby ciepło z grzałki spowodowałby gwałtowny wzrost jej temperatury i natychmiastowe zadziałanie regulacji TC poprzez odcięcie napięcia. Ciepło z grzałki można by odbierać strumieniem powietrza chłodzącego zwoje, ale to również warunki nieporównywalne do rzeczywistego odparowywania liquidu z nośnika.
Problemem pozostaje też sam miernik temperatury:
• podczerwień (IR) - teoretycznie najprostsza metoda pomiaru, w dodatku odbywająca się bez kontaktu czujnika z grzałką. Niestety w naszym przypadku zbyt mało precyzyjna i zbyt zależna od stanu powierzchni i stopnia skomplikowania grzałki,
• termopara - umieszczona na grzałce zmieni rozpływ prądu w układzie czyli drastycznie wpłynie na obserwowane zjawisko, a umieszczona w pewnej odległości będzie mierzyła temperaturę powietrza otaczającego grzałkę a nie ją samą.
Po wykonaniu kilku prób wydaje się, że najbardziej wiarygodną metodą będzie pomiar temperatury grzałki umieszczonej w dielektryku o dużej przewodności cieplnej i pojemności cieplnej zbliżonej do rzeczywistych konfiguracji waperskich, tak jak pokazano na rysunku poniżej:
Należy zwrócić uwagę aby zwoje były w całości zanurzone w materiale odbierającym ciepło a termoelement usytuowany jak najbliżej ich powierzchni ale nie dotykając ich. Od odległości termoelement-grzałka oraz od przewodności cieplnej wypełniacza zależeć będzie opóźnienie z jakim mierzona będzie temperatura. Najbardziej do tego celu nadawał się silikon termoprzewodzący, który jest bardzo dobrym dielektrykiem i nie traci swoich własności w temperaturze do 250*C.
Na rysunku poniżej pokazano poglądowo różnicę temperatur mierzonych przez elektronikę moda oraz przez zastosowaną termoparę:
Przebieg niebieskiej krzywej jest efektem działania algorytmu TC. Na rysunku widać, że wartość mierzona przez termoparę stabilizuje się w okolicach zbliżonych do rzeczywistej temperatury grzałki po czasie Tst, który w praktyce wynosi 7-10 sekund. Ponieważ część modów odcina zasilanie po 10 sekundach od załączenia to aby uzyskać stabilne odczyty, termopara musiała zostać rozgrzana do 160 stopni, a następnie dopiero po kilkusekundowej przerwie wykonywano właściwy pomiar. Tak jak pokazano to na rysunku poniżej:
W eksperymencie wykorzystano grzałki wykonane z niklu, tytanu i stali nierdzewnej:
Rezystancję wyjściową (w temperaturze otoczenia) zmierzono za pomocą miliomomierza o dokładności ± 0,0001 ohma, po dokładnym wyczyszczeniu wszystkich punktów styku.
WARUNKI BADANIA.
• temperatura graniczna TC: 200°C (w jednym przypadku 182°C),
• zakres mocy: 10-15W (10-15J w przypadku elektroniki YiHi),
• czas odcięcia: 10s (jeśli była możliwość),
Współczynnik temperaturowy TCR standardowo wyznaczany jest jako zmiana rezystancji wywołana zmianą temperatury z 20 do 300°C. 300°C to temperatura dużo wyższa niż zalecana w modach TC, a zwłaszcza 200°C przyjęte w tym teście, więc standardowo wyliczony TCR wnosiłby kilkustopniowy błąd temperaturowy spowodowany nieliniowością charakterystyki termoelektrycznej. Dlatego dla każdego z badanych materiałów współczynnik TCR był wyznaczany niezależnie dla zakresu zmian temperatury 20-200°C.
Dla każdej konfiguracji wykonano 3 do 5 pomiarów w odstępach pozwalających na wychłodzenie grzałki poniżej temperatury 160. W każdym z pomiarów zapisywano maksymalną osiągniętą temperaturę TM,r. Z trzech takich pomiarów wyliczano wartość średnią oznaczaną jako Tm,r - różnica pomiędzy tymi wielkościami jest dobrą miarą rozrzutu wyników lub innymi słowy stabilności układu regulacji. Pomiary wykonano dla następujących modów:
Ocena jakości regulacji TC dokonana została na podstawie maksymalnego błędu temperatury według poniższej tabeli:
W modach powalających na ręczne wprowadzenie współczynnika TCR ocena wykonywana była również w tym trybie.
Podczas wykonywania testu, po etapie ogrzewania, niektóre zasilania, w szczególności IPv5 z grzałką niklową wykazywały tendencję sygnalizowania wysuszenia grzałki. Aby móc osiągnąć stabilny odczyt zmierzonych temperatur konieczne było kilkukrotne zwolnienie i naciśnięcie przycisku fire po każdym pierwszym bloku.
Mod VT133 testowany był w każdym z 3 trybów dostępnych w elektronice DNA200:
• domyślna krzywa TFR predefiniowana w Escribe,
• ręcznie podany współczynnik TCR,
• krzywa TFR z generatora na stronie http://www.steam-engine.org/wirewiz.asp.
DNA200 umożliwia dodatkowo podanie rezystancji atomizera, ale aby zachować zgodność z pozostałymi modami została ona ustawiona na 0.
WYNIKI
Grzałka SS316L
Dystrybutor drutu (zivipf) deklaruje wartość współczynnika TCR=0,001. Według steam-engine jest to 0,00088 ale nie jest to wartość idealnie dobrana do zakresu temperatur przyjętego w niniejszym eksperymencie (wspomniano o tym wcześniej).
Dlatego na potrzeby testu wyliczono współczynnik TCR dla zmiany temperatury w zakresie 20-200°C, według wzoru:
TCR = (1,168 - 1) / (200 -20) = 0,000933
gdzie 1 oraz 1,168 to wartości odczytane z krzywej TFR pokazanej na stronie steam-engine, odpowiednio dla 20 i 200°C.
W poniższej tabeli dla każdego boxa pokazano:
• zadaną temperaturę Tc,
• średnią temperaturę uzyskaną w co najmniej trzech pomiarach Tm,r,
• maksymalną temperaturę grzałki w serii pomiarów - TM,r
Na niebiesko pokazano wyniki najlepsze, na czerwono najgorsze.
* Dla Dani Extreme V2, minimalna możliwa do ustawienia wartość TCR wynosi 0,00100 więc niemożliwe było użycie wartości 0,00093.
Grzałka tytanowa
Wartość TCR dla tytanu wynosi 0,00368 i jest niemal identyczna z podawaną przez steam-engine (charakterystyka temperaturowa tytanu jest praktycznie idealnie liniowa).
Warto zauważyć, że o ile wyniki mocno różnią się pomiędzy poszczególnymi modami, to rozrzut wyników w obrębie pojedynczych konfiguracji jest minimalny - różnica pomiędzy wartością średnią i maksymalną często wręcz nie występuje potwierdzając doskonałe właściwości tytanu w TC.
Grzałka Ni200
Wartość współczynnika TCR wyliczono analogicznie jak dla SS316 według wzoru:
TCR = (1,92271 -1) / (200 - 20) = 0.005126 = ~0,00513
* Gdy temperatura mierzona termoparą dochodziła do 245 °C zasilanie było przerywane żeby nie uszkodzić termicznie silikonu. Bezwładność układu powodowała, że temperatura termopary jeszcze trochę rosła osiągając zawsze co najmniej 250 °C.
PODSUMOWANIE.
Jak widać zwycięskim zasilaniem został Pioner4You IPV5-200 a dokładniej mówiąc chip SX330-200 firmy Yihi. W trybie z ręcznie wprowadzanym współczynnikiem TCR uzyskał on najwyższe oceny niezależnie od zastosowanego materiału grzałki a wyniki były bardzo powtarzalne.
Tuż za nim uplasował się Dani Extreme v2, który jedynie dla grzałki niklowej działał stosunkowo mało precyzyjnie.
Dobrze wypadł również HCigar VT133 z chipem DNA200. Wprawdzie pojawiły się problemy przy ustawieniach domyślnych dla grzałki SS316L ale zostały one zrównoważone doskonałym działaniem przy ręcznie podanym współczynniku TCR oraz dla krzywej TFR ze steam-engine. Ponadto w przypadku niklu VT133 może być o klasę lepszy po uwzględnieniu w Escribe rezystancji parownika. Próbowaliśmy to udowodnić w wielu podejściach na tytanie ale nie udało się uzyskać znacząco lepszych wyników.
Od autorów: pomimo, że zrobiliśmy wszystko co możliwe aby uzyskać miarodajne wyniki zdajemy sobie sprawę z ogromnego ograniczenia metodologicznego polegającego na użyciu w eksperymencie naszych własnych zasilań. Aby pomiary były rzetelne statystycznie należałoby użyć co najmniej 3 egzemplarzy każdego zasilania i takim samym stopniu wyeksploatowania.
- - - - - - - - - - -
I to by było na tyle. Przyznam, że wyniki są zaskakujące i aż proszą się o weryfikację ...