Una pregunta sobre la regulación de la temperatura de un alambre de nicrom.

Un alambre de nicromo calefactor se calentará mediante la conducción de corrientes PWM unipolares conmutadas por un MOSFET con un ciclo de trabajo ajustable. Primero calcularé el calor requerido de esta calculadora y encontraré la corriente requerida. Esta será la corriente objetivo en el resto de mi configuración. En esa fórmula, la corriente es CC continua. En mi caso debo calcular el Irms de la corriente?

Sentiré la corriente como en la siguiente ilustración:ingrese la descripción de la imagen aquí

Encima de la sección verde hay básicamente dos amplificadores operacionales que filtrarán/integrarán y amplificarán el voltaje a través de la resistencia de derivación para que lo lea el ADC del uC. Entonces puedo calcular la corriente conociendo la ganancia de los amplificadores operacionales y los valores de Rshunt. Para una mayor precisión, restaré la compensación (procedente de los voltajes de compensación de entrada) al principio cuando el MOSFET esté apagado.

Entonces, dado que la corriente es pulsada, enviaré la integral al ADC. Lo que en realidad envío son los datos sobre el voltaje promedio o los valores actuales para el Rshunt.

En la ilustración de arriba traté de simplificar el escenario. Primero, la temperatura se establecerá como en la Figura 1 y quiero que la temperatura se regule cuando el cable se acorte o se alargue. Quiero que el cable calefactor de nicromo esté a la misma temperatura cuando se acorta o se alarga.

Entonces, lógicamente, si cambia la longitud del cable, el uC también debe ajustar el ciclo de trabajo. De lo contrario, pasará una corriente excesiva o insuficiente. Los datos leídos por el ADC de alguna manera deben usarse para ajustar el ciclo de trabajo. Este es el lado de la programación.

Mi pregunta es:

¿Es la temperatura del hotwire proporcional a Iavg o Irms? Si es proporcional a I_avg. Solo necesito ajustar el ciclo de trabajo de modo que produzca el mismo Iavg o Vout que se configuró al principio. Pero si la temperatura es directamente proporcional a Irms, debo ajustar el ciclo de trabajo de modo que produzca el mismo Irms que se configuró al principio.

En mi caso, ¿se debe usar la regulación del valor promedio o rms de la corriente PWM a un valor preestablecido?

¿Y eso es todo? ¿La temperatura solo está relacionada con la corriente en este caso? ¿La longitud no tiene un efecto significativo? (La potencia eléctrica cambia según la longitud del cable si la corriente se mantiene igual; pero en este caso quiero mantener la misma temperatura en cualquier longitud)

Editar

Un IC o sensor de medición de temperatura absoluta sería más confiable si uno no está seguro de que no se ignoren todos los detalles. ¿Hay un IC que pueda medir la temperatura del cable o cualquier sensor IR ect cualquier otro método de medición de temperatura directa?

Me salté mucho de eso, si tienes una señal unipolar. (PWM de cero a un voltaje positivo). Entonces creo que avg = I rms.
Creo que Irms_unipolar_pulse = Ipeak*sqrt(D) donde D es el ciclo de trabajo.
La temperatura del alambre está relacionada con el flujo de calor y no con la corriente. Eso sería demasiado fácil. Pero la resistencia está relacionada con la temperatura, por lo que si puede medir el cambio de resistividad, puede obtener la temperatura. cambiar.
El cable se calentará en proporción a la potencia promedio disipada en él, suponiendo que PWM sea superior a 20 Hz o algo así. Ya que buscas regular la temperatura, puedes empezar regulando la potencia media. Por lo tanto, debe controlar la corriente promedio. Puede hacerlo digitalmente, (a) muestreando la corriente justo después de que comience el PWM y siempre manteniendo el PWM por encima del 20 % a, digamos, 100 Hz, luego (b) multiplicando adcReading por pwmPercent. O puede hacerlo de forma analógica, pasando la lectura actual a través de un filtro de paso muy bajo antes del ADC. El digital es más fácil de modificar. Con la temperatura local, puede volverse más inteligente.
Si la carga de calor es constante, entonces funciona, pero con una carga de calor variable es más complejo
Depende de la constante de tiempo térmica del alambre. El cobre tiene una constante de tiempo térmico (inverso de la "difusión térmica") de 9600 segundos por metro, o 96 segundos por 10 cm, o 0,96 segundos por 1 cm o 0,0096 segundos por milímetro, o 96 uS por 100 micrones. Encuentre "difusión térmica" para alambre de nicrom.
¿Existe un método más fácil para detectar la temperatura del cable? ¿Funcionaría un sensor de infrarrojos?
@doncarlos, Cierto, debería hacer un poco de matemáticas antes de comentar.
@sstobbe cuando dijiste que funciona. ¿Estabas comentando sobre la configuración en mi pregunta?
@TonyM, ¿así que no necesito medir la longitud variable o el voltaje a través del nicromo? solo la corriente promedio? si es posible podrías escribir una respuesta sobre lo que propones gracias.

Respuestas (3)

¿Es la temperatura del hotwire proporcional a Iavg o Irms?

I R METRO S es la corriente que dará el calentamiento equivalente a la misma corriente continua, así que eso es lo que quieres.

Pero si la temperatura es directamente proporcional a Irms...

La potencia es directamente proporcional a I 2 R . El nicromo tiene un coeficiente de temperatura positivo (verifique que esto sea cierto) por lo que R no será constante.

La temperatura estable será el punto en el que la energía eléctrica en = energía perdida del cable. Si este último no es constante, la temperatura tampoco lo será.

En mi caso, ¿se debe usar la regulación del valor promedio o rms de la corriente PWM a un valor preestablecido?

Me inclinaría a regular la resistencia del cable . De esa manera estás controlando una temperatura. Mida tanto la corriente como el voltaje, calcule la resistencia y controle eso.

¿La temperatura solo está relacionada con la corriente en este caso?

Véase más arriba.

¿La longitud no tiene un efecto significativo?

Habrá algo de enfriamiento adicional en los conectores. Cuanto más corto sea el cable calefactor, más importantes se vuelven.

De los comentarios:

Si pudiera usar un amplificador diferencial y medir el voltaje promedio a través del nicrom así como la corriente. ¿Cómo formularías la temperatura?

Tome una lectura de referencia después de que la alimentación haya estado apagada durante el tiempo suficiente para alcanzar la temperatura ambiente. Llama a esto 100%. A continuación, mida la resistencia, calcule el aumento porcentual de la resistencia y utilice una tabla de búsqueda o una aproximación lineal para calcular la temperatura real.

Estoy un poco confundido. Algunos comentarios bajo mi pregunta mencionan que la corriente es proporcional al calor del cable. Consulte también este enlace: hotwirefoamcutterinfo.com/_NiChromeData.html Dice en un párrafo: "Sepa que es la CORRIENTE, no el voltaje ni la potencia, lo que calienta su cable. Más bien, es el paso real de la corriente a través del cable lo que finalmente determina su temperatura".

El artículo es un poco corto en la explicación técnica correcta. La última línea es confusa porque V e I están relacionados por R. Lo que intentan transmitir es que controlar la corriente significa que obtienes el mismo resultado (para un calibre de cable dado) independientemente de la longitud. Si estuviera controlando por voltaje, necesitaría ajustar el voltaje para adaptarse a la longitud del cable.

Este comentario es la primera mención del corte de espuma. Sospeché que esa podría ser su aplicación y por eso hablé del poder . Hay algunos puntos a tener en cuenta:

  • La temperatura, como ya se mencionó, se estabilizará en el punto donde el calor en el alambre = pérdida de calor.
  • Esto cambiará dependiendo de si el alambre está en el aire o cortando espuma.
  • Cambiará con su velocidad de corte. Cuanto más rápido corte, más energía térmica extraerá del cable y, si lo hace demasiado rápido, el cable se enfriará lo suficiente como para no cortarlo y usted lo romperá.
  • La porción de alambre fuera de la espuma estará a una temperatura más alta que la que hace el corte, ya que no está perdiendo calor al mismo ritmo.

Más bien, es el paso real de la corriente a través del cable lo que finalmente determina su temperatura".

De nuevo, la corriente establece la potencia. La temperatura depende de lo que sucede fuera del cable.

Creo que no deberías complicar demasiado tu diseño. Haga que su controlador de potencia sea ajustable y agregue algún tipo de indicador de corriente, tal vez solo su multímetro, en serie con el cable. ¡Encuentre un valor actual que funcione para su velocidad de corte de espuma y anótelo!

Intentaré formularlo para asegurarme de que te entiendo bien. Suponiendo que VDS de MOSFET = 0, la resistencia del cable es: R_nichrome = (Vcc*D - Vshunt_avg)/I_shunt_avg Entonces, mientras R_nichrome se mantenga casi constante, es decir, T1=T2. Si es así, parece que no tengo que cambiar mi configuración, pero ¿solo se debe ajustar el lado de programación?
Diría que no puede asumir VDS = 0 ni puede asumir que la resistencia de los cables al cable de nicrom es resistencia cero. Debe medir el voltaje en los terminales de nicromo de alguna manera para eliminar todas las demás caídas de voltaje.
Oh, eso sería más complicado, un amplificador adicional en el lado alto para medir el voltaje a través de los cables de nicromo. ¿Crees que un sensor IR puede funcionar para detectar la temperatura en este caso?
Si pudiera usar un amplificador diferencial y medir el voltaje promedio a través del nicrom así como la corriente. ¿Cómo formularías la temperatura?
Ver la actualización.
@Tranistor Estoy un poco confundido. Algunos comentarios bajo mi pregunta mencionan que la corriente es proporcional al calor del cable. Consulte también este enlace: hotwirefoamcutterinfo.com/_NiChromeData.html Dice en un párrafo: "Sepa que es la CORRIENTE, no el voltaje ni la potencia, lo que calienta su cable. Más bien, es el paso real de la corriente a través del cable lo que finalmente determina su temperatura".
Mira la actualización, Don.
Gracias "... Encuentre un valor actual que funcione para su velocidad de corte de espuma y anótelo". Pero esto era lo que estaba tratando de hacer en mi pregunta. La pregunta era si encuentro esa corriente y la anoto. ¿La regulación de esa corriente dará temperaturas aproximadas con diferentes longitudes? Entonces imagine que la longitud es L y pasa 1.5A y la temperatura T1 es perfecta y óptima. Si reduzco la longitud a 2 * L / 3 y regulo la corriente nuevamente a 1.5A, ¿obtendría una temperatura T1 más o menos similar? Quiero decir aproximadamente.
Y vea esta investigación: tuhsphysics.ttsd.k12.or.us/Research/IB14/LemiFujiShenKuan/… Cuando tracé sus datos, el más lineal fue corriente frente a temperatura, no resistencia frente a temperatura, no potencia frente a temperatura. un poco confundido

Hay varios parámetros distintos aquí. Estos son la temperatura del cable, la potencia en el cable por unidad de longitud, la corriente promedio y la corriente RMS. Ninguno de estos es igual.

La potencia de calentamiento por unidad de longitud de cable, suponiendo que el cable sea consistente, es proporcional al cuadrado de la corriente RMS. Si está conduciendo el cable con pulsos siempre de la misma corriente, entonces la potencia por unidad de longitud es proporcional al ciclo de trabajo. Es bastante fácil conducir el cable con una potencia o corriente particular.

Sin embargo, la temperatura resultante para una determinada potencia no es tan sencilla. Por un lado, varía según las condiciones a las que se somete el cable. Como un ejemplo obvio, considere un cable con una corriente constante que lo atraviesa en aire quieto y con mucho viento. Este último será más fresco, aunque la corriente es la misma.

Si realmente desea regular la temperatura, debe medirla y enviarla al controlador. Una forma de hacerlo es usar el coeficiente de temperatura de resistencia. Supervisa el voltaje y la corriente, calcula la resistencia y luego determina la temperatura a partir de eso.

Esto no le permite cambiar la longitud del cable sin algún tipo de recalibración. Una forma de lidiar con diferentes longitudes de cable es asumir que el cable está a temperatura ambiente cuando se enciende por primera vez, medir esa resistencia y luego usar el cambio relativo de esa resistencia para determinar la temperatura.

Si desea regular el cable a una temperatura fija que no tiene que ser ajustable por software, le sugiero usar una configuración de puente para probar si la resistencia es más alta o más baja que una referencia. Si la potencia no es grande, por ejemplo, y la resistencia a la temperatura deseada sería de 1K, podría hacer algo como:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Si TDR es inferior a 1K, entonces la entrada + de COMP1 será mayor que la entrada -; si es mayor que 1K, entonces la entrada + será menor. Ese comportamiento no se verá afectado relativamente si el transistor está encendido o apagado (apagar el transistor reducirá el consumo total de energía en un 90 %, pero reducirá la disipación en TDR1 en un 99 %).

Los valores reales de la resistencia no son críticos, pero el comparador se equilibrará cuando TDR1/R1 = R2/R3. Cuando el transistor está encendido, R1 disipará aproximadamente 1/10 de la potencia que TDR1. Cuando está apagado, R4 disipará aproximadamente 1/10 de la potencia que habría disipado TDR1 cuando estaba encendido. La reducción de R1 y R3 y el aumento de R4 reducirán la cantidad de potencia disipada en R1 y R4, pero harán que el circuito sea más sensible a cualquier desviación del comparador.

¿Es 1k TDR1 el alambre de nicromo? En mi caso el cable variará entre 4 a 14 Ohm.
@doncarlos: si serán diez ohmios a la temperatura deseada, ajuste R1 a 1 ohmio y probablemente ajuste R4 a 100 ohmios más o menos.
Estoy tratando de entender tu circuito. Pero cuando la longitud de TDR1 (el cable de nicromo) cambie, el valor de TDR1 cambiará y el mecanismo de control intentará ajustarlo a 10 veces R1 a la derecha (¿Cuál es R2/R3)? Pero para que esto funcione debe haber una relación directa entre la resistencia y la temperatura. ¿Es eso? Digamos que en su circuito, el cable TDR1 de longitud L se ajusta manualmente a 500 ohmios reduciendo su longitud a L/2. Significa que debería volver a subir a 1kOhm encendiendo el MOSFET y calentando el cable. ¿Podrías explicar este bonito circuito paso a paso? Gracias
@doncarlos: dependiendo de si la resistencia aumenta o disminuye con la temperatura, deberá hacer que el transistor se encienda cuando la entrada + sea más alta o que se encienda cuando la entrada - sea más alta. El circuito intentará equilibrar la temperatura para que TDR1/R1 = R2/R3; ajustar la relación de R2/R3 cambiará el punto de ajuste. Usé un circuito como el anterior hace unos 15 años en un sistema en el que necesitaba medir la potencia requerida para mantener un cable a cierta temperatura.
Dado que se conocía el voltaje de suministro y la resistencia, ambos implicaban el voltaje y la corriente en el cable, y multiplicar eso por el ciclo de trabajo daría como resultado la potencia. Una ventaja de este enfoque es que la medición de la resistencia no se ve afectada por si el transistor está encendido o apagado. Si necesita acomodar diferentes resistencias, este podría ser un excelente lugar para usar un potenciómetro digital.
Entiendo el mecanismo de equilibrio. Este es un control de encendido y apagado, ¿verdad? Pero lo que no entiendo es: imagina que tengo un cable de nicrom de 10 cm y su resistencia es de 10 ohmios; e imagina que tengo otro alambre de nicrom de 5 cm de nicrom y su resistencia también es de 10 Ohm. ¿Significa eso que sus temperaturas son las mismas?
@doncarlos: si los cables tienen la misma composición y área de sección transversal, deberá ajustar el circuito de cada cable para mantenerlo a la temperatura adecuada.
Una pregunta sobre la regulación de la temperatura de un alambre de nicrom.
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