viernes, 9 de octubre de 2015

Los números de un mod con control de temperaturas (II)

Después de la entrada inicial sobre este tema, toca profundizar algo más en él.

En el post inicial me centraba en el uso de hilo "no resistivo" de níquel Ni-200 para el control de temperatura, ya que sea cual sea el material del hilo el fundamento de dicho control es el mismo y el primer material usado por Evolv fue el níquel.

Esto es así porque en su momento debió parecerles natural. Ya se usaba en el mundo del vapeo el hilo Ni-200, para las conexiones en atomizadores cerámicos con el llamado hilo no resistivo (NR) y las resistencias NR-R-NR, aunque seguramente sería más preciso decir que era hilo mucho menos resistivo que el nicrom o el kanthal...

... pues tiene una resistividad propia. Y algo aún más interesante si pretendes medir temperaturas, uno de los mayores coeficientes TCR (thermal coefficient for resistance) conocidos, o sea, que pequeños aumentos de temperatura generan suficientes aumentos de resistividad.

 Precisamos un TCR lo bastante alto.

Justo lo contrario del nicrom y kanthal, cuyos TCR son muy pequeños, tanto que entre temperatura ambiente y 1000 ºC su resistividad es una curva plana: es la misma. Por eso no sirven para control de temperaturas, pero sí para resistencias en las que la temperatura no varía el voltaje preciso para mantener la potencia: por lo que, junto a su resistencia al desgaste y corrosión, se han hecho omnipresentes en calefactores.

Pero otros metales y/o aleaciones están introduciéndose en el escenario. Presuntamente, porque el níquel mal usado (demasiado caliente) forma óxidos de níquel que no son muy saludables. Claro que si el mod funciona bien y el usuario no le pide lo irrazonable.... más sobre esto al final....

El titanio de grado 1 y diversos aceros inoxidables se han postulado como "mejores" alternativas al níquel. No sólo son mejores por su presunta salubridad, sino porque sus cualidades mecánicas (maleabilidad, elasticidad) facilitan bobinar resistencias sin forjado, a diferencia de las típicas microcoils de kanthal.

Pero el titanio tiene la mitad de TCR que el níquel y el inoxidable aún menos:


Material TCR Salto térmico con ± 1 mΩ en 0,1 Ω Salto resistivo con 10ºC sobre 0,1 Ω
Ni-200 0,00575 1/ºC 1,7 ºC 0,0058 Ω
Ti Gr.1 0,00370 1/ºC 2,7 ºC 0,0037 Ω
AISI 316 0,00089 1/ºC 11,2 ºC 0,0009 Ω

Al final pondré fuentes de los datos y ajustes usados, pero quedaros con el resumen al vuelo: a las temperaturas adecuadas, todos lo metales con TCR lo suficientemente alto valen, si el mod admite su reprogramación con el TCR adecuado o el usuario recalcular la consigna conociendo las matemáticas detrás.

La temperatura de trabajo es la clave.

A las temperaturas adecuadas. Parece que más de 300 ºC para el níquel no es adecuado...

O más de 600 ºC para el titanio.....

O mas de 800 ºC para el inoxidable....

Así que el forjado con resistencias al rojo blanco y compresión con pinzas está desaconsejado para nada que no sea nicrom o kanthal (y olvidándose del control de temperatura, claro).

Y recordando que aunque lo aguanten, nicrom y kanthal sufren fatiga térmica y estos tratamientos, por muy útiles que resulten para aprovechar resistencias (los dry-burn para limpiezas), acaban por fisurar y corroer las resistencias que no son eternas, y el hilo es barato.

A vueltas con la precisión de la medida.

Volviendo a la precisión aparente según hilos, tanto el titanio, como especialmente el inoxidable con su bajo TCR, aumentan los errores de la determinación de la temperatura. Aunque el usuario compense siendo más flexible en su ajuste, no hay que olvidad que existe esta limitación física, y por esto Evolv eligió níquel al principio.

Si los mods miden con precisión más o menos un miliohmio (± 1 mΩ = ± 0,001 Ω), y eso siendo generosos, pues de hecho, sólo los YiHi miden así a la vista, en los Joyetech y los Evolv lo suponemos, pero muestran el valor redondeado a ± 10 mΩ.....

En fin, si miden con precisión de ± 1 mΩ sobre 0,1 Ω de resistencia base, los saltos son menores.

Con inoxidable (su TCR es la sexta parte del del Ni-200) un miliohmio salta la temperatura en 11 grados (con níquel no llega a dos), y 10 grados de salto térmico no mueven ése último decimal de los YiHi (1 mΩ): Esto es una precisión desastrosa comparada con la del níquel...

... lo que no quita que, con el usuario ajustando temperaturas, por muy erróneas que estas sean, puedas ajustar el mod y obtener un buen control de las mismas.

Y si mi mod no tiene más control posible que con níquel. ¿Cómo recalculo?

Al principio, hasta que empezaron a circular unidades con modos de níquel y titanio y más, se decía que la consigna para titanio era "la mitad" que para níquel.....

Bueno, si recordamos que:


Hay una relación directa de proporcionalidad entre el salto térmico y el coeficiente TCR (o B en la fórmula anterior). Si el metal que usamos (titanio) tiene un TCR que es la mitad que el de referencia con el que el mod trabaja (níquel), para el salto de resistencias que el mod espera con níquel, el diferencial de temperaturas real será la mitad. O sea, que si con níquel el salto es entre la temperatura real y 20 ºC, por ejemplo, de 200 grados, con titanio será de 100 grados (la mitad) y sobre 20 ºc eso es una consigna de 120 ºC.
Con inoxidable el problema es que como su TCR es un sexto del del níquel, con el mismo ejemplo el salto a programar sería de 30 - 35 grados, y la consigna resultante unos 50 - 55 ºC, por debajo de mínimos de la mayoría de mods, que empiezan a 100 ºC.....

Para calcular todo este follón sin demasiadas calculadoras....

Bien, ya sólo me queda recordar que si bien la fórmula anterior permite todo tipo de conversiones, para los más perezosos (yo mismo la mayoría de los días....) pueden confeccionarse unas tablas o gráficos para recalcular todo esto sin tirar de la calculadora:





Las fuentes de datos y cálculos del TCR.


Lo que sigue es mortalmente aburrido para el que no le guste mucho la estadística o las matemáticas, pero es obligado para que no parezca que me invento por inspiración los valores de TCR.


Las fuentes para los datos de resistividades son esta para el níquel y esta para el acero inoxidable 316. Para el titanio no he encontrado mucho en la red, salvo gráficos que dicen que no es muy constante el TCR entre coladas y composiciones:

En fin, hé aquí los ajustes para el Ni-200:

El valor de TCR es la pendiente del ajuste lineal tipo Y=B*X utilizado, el primer número de la matriz 5x5 que genera como resultado la función ESTIMACION.LINEAL, usada con la versión forzada a pasar por el origen, y cuya imprecisión estadística está justo debajo, así que de estos números, los tomados entre 20 y 300 ºC para el Ni-200, TCR = (0,0057 ± 0,0003 ) 1/ºC.

y para el acero 316:



El valor TCR = (0,000894 ± 0,000016 ) 1/ºC. Fijaros que es es triple de la imprecisión del cálculo anterior para el Ni-200, y exactamente un 16 % de la del níquel.